Pesquisadores da Oregon Health & Science University descobriram um sistema até então desconhecido dentro das células que atua como um “vento alísio” interno para transportar rapidamente proteínas importantes para a borda da célula. A descoberta muda a forma como os cientistas entendem o movimento celular, a propagação do câncer e a cicatrização de feridas.
O estudo foi publicado em comunicações da naturezadesafiando ideias de longa data sobre como as células organizam e transportam proteínas para locais específicos.
Durante anos, os livros de biologia descreveram o movimento das proteínas dentro das células como um processo amplamente aleatório chamado difusão. Neste modelo, as proteínas flutuam até chegarem onde são necessárias. Uma nova pesquisa mostra que as células não dependem apenas do acaso. Em vez disso, eles criam fluxos de fluidos direcionados que empurram ativamente as proteínas para a vanguarda, onde as células se estendem, se movem e reparam os tecidos.
Descobertas importantes de observações em sala de aula
A descoberta pode ser atribuída a um momento inesperado em um curso de neurobiologia no Laboratório Biológico Marinho de Massachusetts. Os co-autores correspondentes do estudo, Dra. Katherine (Kathy) Galbraith e Dr. James (Jim) Galbraith, descobriram algo incomum ao conduzir um experimento padrão em sala de aula.
“Na verdade, foi uma descoberta inesperada”, disse Casey. “Acabamos de realizar um experimento com alunos em sala de aula.”
A equipe usou lasers para produzir temporariamente proteínas em tiras invisíveis nas costas das células vivas para rastrear como elas se movem. Este é um método comum para estudar o transporte intracelular. Durante o experimento, eles viram uma faixa escura adicional aparecer na borda frontal da célula, estendendo-se à medida que a célula se movia.
“Fizemos isso por diversão e então percebemos que nos dava uma maneira de medir coisas que não podíamos medir antes”, disse ela.
Outros estudos revelaram que a faixa escura representava uma onda de actina solúvel, uma proteína chave envolvida no movimento celular, que estava sendo empurrada rapidamente. Anteriormente, os cientistas pensavam que a actina atingia esta região principalmente através de difusão aleatória. Os novos resultados revelam mecanismos diferentes.
“Percebemos que faltava uma grande peça no modelo de desenho animado do livro”, disse Jim. “Tem que haver algum tipo de fluxo na célula para fazer as coisas avançarem. As células literalmente ‘seguem o fluxo’”.
O fluxo direcional impulsiona o transporte de proteínas
Cathy e Jim ingressaram na OHSU em 2013 depois de trabalhar no National Institutes of Health, onde colaboraram com o vencedor do Prêmio Nobel, Dr. Eric Betzig, no desenvolvimento de tecnologias avançadas de imagem no Janelia Research Campus do Howard Hughes Medical Institute.
Usando ferramentas de imagem especializadas, a equipe descobriu que as células geram ativamente fluxos de fluidos direcionais e os compararam aos rios atmosféricos. Esses fluxos movem a actina e outras proteínas em direção à frente da célula muito mais rápido do que apenas a difusão.
“Descobrimos que a célula pode realmente se espremer nas costas e apontar para onde está enviando o material”, disse Jim. “Se você apertar metade de uma esponja, a água fluirá apenas para essa metade. É basicamente isso que a célula faz.”
Esses fluxos são inespecíficos, o que significa que podem transportar vários tipos de proteínas simultaneamente. Isso cria um sistema altamente eficiente que suporta protrusão celular, adesão e rápidas mudanças de forma. Todos esses processos são críticos para o movimento, a resposta imunológica e o reparo tecidual.
Os investigadores também descobriram que estes fluxos ocorrem numa área especializada na parte frontal da célula. Esta região é separada do resto da célula por uma barreira condensada de actina-miosina que atua como um limite físico, direcionando as proteínas para a borda de avanço.
Visualizando correntes celulares com nova tecnologia de imagem
Para observar esses fluxos internos, a equipe desenvolveu uma versão modificada de um método de fluorescência padrão. Em vez de usar lasers para remover a fluorescência, eles ativaram moléculas fluorescentes em um ponto e rastrearam seu movimento.
Eles nomearam um de seus principais experimentos como FLOP, para fluorescência que sai da origem.
“Não é um fracasso”, disse Casey. “É exatamente o oposto. Não é de forma alguma um fracasso porque realmente funciona.” As descobertas da equipe podem ajudar a explicar por que algumas células cancerígenas se movem tão violentamente.
Efeito na migração de células cancerígenas
As descobertas podem ajudar a explicar por que algumas células cancerígenas são altamente agressivas.
“Sabemos que essas células altamente invasivas têm um mecanismo muito interessante que empurra as proteínas muito rapidamente para onde são necessárias, na frente da célula”, disse Jim. “Os componentes dentro de todas as baterias são basicamente os mesmos, assim como um Porsche e um Volkswagen têm muitas peças iguais, mas quando essas peças são montadas na máquina final, elas se comportam e funcionam de maneira muito diferente”.
Ao compreender como as células cancerígenas utilizam este sistema de forma diferente das células normais, os cientistas poderão desenvolver novas estratégias para retardar ou impedir a sua propagação.
“Se você conseguir entender essas diferenças, poderá adaptar tratamentos futuros com base em como as células cancerígenas e as células normais funcionam de maneira diferente”, disse ele.
Imagem avançada e colaboração
A pesquisa reuniu especialistas em engenharia, física, microscopia e biologia celular. As principais contribuições vieram de colaboradores do Janelia Research Park, na Virgínia, incluindo especialistas em espectroscopia de correlação de fluorescência e imagens 3D de super-resolução.
“A maioria dos lugares não tem o equipamento que precisamos”, disse Casey. “Janelia tem uma configuração única que nos permite testar e confirmar o que estamos vendo”.
A pesquisa dependeu fortemente de ferramentas avançadas de imagem desenvolvidas pela Janelia, incluindo o iPALM, uma técnica de interferência capaz de resolver estruturas em nanoescala.
“O iPALM nos permite ver os cubículos com nossos próprios olhos”, disse Jim. “Nenhuma outra tecnologia baseada em luz pode fazer isso.”
“Pseudoorganela” recentemente descoberta
Os investigadores descrevem este sistema como uma “pseudoorganela”, um compartimento funcional que não é rodeado por uma membrana, mas que ainda desempenha um papel importante na organização do comportamento celular.
“Assim como pequenas mudanças na corrente de jato podem mudar o clima, pequenas mudanças nesses ventos celulares também podem mudar a forma como as doenças ocorrem ou progridem”, disse Casey.
A equipe acredita que a descoberta pode impactar vários campos, incluindo pesquisa sobre câncer, distribuição de medicamentos, reparo de tecidos e biologia sintética.
“Tudo que você precisa fazer é olhar”, disse Casey. “Esses fluxos sempre existiram. Agora sabemos como as células os utilizam.”
Além dos Galbraiths, os co-autores do estudo incluem Brian English, Ph.D., do Janelia Research Campus, e Ulrike Boehm, Ph.D., ex-Janelia e agora na Carl Zeiss AG na Alemanha.
Esta pesquisa foi apoiada pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais dos Institutos Nacionais de Saúde (Prêmio No. R01GM117188), pela National Science Foundation (Prêmio Nos. 2345411 e 171636), pela Fundação WM Keck, pelo Howard Hughes Medical Institute Janelia Visiting Scientist Program e pelo Howard Hughes Medical Institute. O trabalho do iPALM foi apoiado em parte pelo prêmio Janelia Center for Advanced Imaging. A imagem SIM foi apoiada em parte por uma bolsa do Centro de Pesquisa Central da Escola de Medicina da OHSU.
