Pesquisadores da Oregon Health & Science University descobriram um sistema até então desconhecido dentro das células que atua como um “vento alísio” interno, movendo rapidamente proteínas importantes para a borda principal da célula. A descoberta muda a forma como os cientistas entendem o movimento celular, a propagação do câncer e a cicatrização de feridas.
Um estudo publicado em Comunicações da naturezadesafia ideias de longa data sobre como as células organizam e entregam proteínas a 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 se movem até chegarem ao local desejado. Um novo estudo mostra que as células não dependem apenas do acaso. Em vez disso, eles criam fluxos de fluidos direcionais que empurram ativamente as proteínas em direção à borda principal, onde as células se expandem, se movem e reparam os tecidos.
De observações em sala de aula a grandes descobertas
A descoberta remonta a um momento inesperado durante um curso de neurobiologia no Laboratório Biológico Marinho em Massachusetts. Os coautores do estudo, Catherine (Kathy) Galbraith, Ph.D., e James (Jim) Galbraith, Ph.D., estavam conduzindo um experimento padrão em sala de aula quando notaram algo incomum.
“Na verdade, tudo começou como uma descoberta surpresa”, disse Kathy. “Estávamos apenas fazendo um experimento com os alunos da sala de aula.”
Usando um laser, a equipe tornou temporariamente as proteínas invisíveis em uma faixa na parte de trás de uma célula viva para rastrear como elas se movem. Este é um método comum de estudar o transporte intracelular. Durante o experimento, eles viram uma faixa escura adicional aparecer na borda frontal da célula, uma área que se expande à medida que a célula se move.
“Fizemos isso por diversão e então percebemos que isso nos dava a capacidade de medir coisas que antes não podiam ser medidas”, disse ela.
Uma investigação mais aprofundada revelou que esta faixa escura é uma onda de actina solúvel, uma proteína chave envolvida no movimento rápido das células. Anteriormente, os cientistas acreditavam que a actina atingia esta região principalmente por difusão aleatória. Os novos resultados revelaram um mecanismo diferente.
“Percebemos que faltava uma grande parte dos modelos de desenhos animados nos livros didáticos”, disse Jim. “Tem que haver alguma corrente na gaiola que faça as coisas avançarem. As células realmente ‘seguem o fluxo’.”
Fluxos direcionais governam o transporte de proteínas
Kathy e Jim ingressaram na OHSU em 2013, depois de trabalhar no National Institutes of Health, onde colaboraram com o ganhador do Nobel Eric Betzig, PhD, no Janelia Research Campus do Howard Hughes Medical Institute on Advanced Imaging.
Usando ferramentas especiais de imagem, a equipe descobriu que as células criam ativamente fluxos de fluidos direcionais, que comparam a rios atmosféricos. Esses fluxos movem a actina e outras proteínas para a frente da célula muito mais rápido do que apenas a difusão.
“Descobrimos que a célula pode realmente se contrair na parte de trás e apontar para onde está enviando essas coisas”, disse Jim. “Se você espremer metade da esponja, a água só entra nessa metade. É basicamente isso que a célula faz.”
Esses fluxos são inespecíficos, o que significa que podem transportar muitos tipos de proteínas simultaneamente. Isso cria um sistema altamente eficiente que suporta protrusão celular, adesão e rápidas mudanças de forma. Todos esses processos são necessários 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 e direciona as proteínas para a borda principal.
Visualização de correntes celulares com novas imagens
Para observar esses fluxos internos, a equipe desenvolveu uma versão modificada do método padrão de fluorescência. Em vez de remover a fluorescência com um laser, eles ativaram as moléculas fluorescentes em um único ponto e rastrearam seu movimento.
Eles chamaram um de seus principais experimentos de FLOP, ou Fluorescência Saindo do Ponto Original.
“Não foi um fracasso”, disse Cathy. “Foi o contrário. É tudo menos um fracasso porque funcionou.” A descoberta da equipe pode ajudar a explicar por que algumas células cancerígenas se movem de forma tão agressiva.
Implicações para a migração de células cancerígenas
As descobertas podem ajudar a explicar por que algumas células cancerígenas são altamente invasivas.
“Sabemos que essas células muito invasivas têm um mecanismo muito interessante que empurra as proteínas muito rapidamente para onde são necessárias na frente da célula”, disse Jim. “Dentro de todas as células há basicamente os mesmos componentes, assim como um Porsche e um Volkswagen têm muitas das mesmas peças, mas quando essas peças são montadas no carro final, elas se comportam e funcionam de maneira muito diferente.”
Ao compreender como as células cancerosas utilizam este sistema de forma diferente das células normais, os cientistas serão capazes de desenvolver novas estratégias para retardar ou impedir a sua propagação.
“Se você conseguir entender as diferenças, poderá direcionar terapias futuras com base em como as células cancerígenas e as células normais funcionam de maneira diferente”, disse ele.
Imagem Avançada e companhia
A pesquisa reuniu especialistas em engenharia, física, microscopia e biologia celular. Contribuições importantes foram feitas pela equipe do Janelia Research Campus, na Virgínia, incluindo especialistas em espectroscopia de correlação de fluorescência e imagens 3D de alta resolução.
“A maioria dos lugares não possui os aparelhos necessários”, disse Kathy. “Janelia tinha uma configuração única que nos permitiu testar e confirmar o que estávamos vendo.”
A pesquisa dependeu fortemente de ferramentas avançadas de imagem desenvolvidas em Janelia, incluindo o iPALM, uma técnica interferométrica capaz de resolver estruturas em escala nanométrica.
“O iPALM nos permitiu ver fisicamente os compartimentos”, disse Jim. “Não existe outra técnica baseada em luz que possa fazer isso.”
Uma ‘pseudoorganela’ recentemente identificada
Os investigadores descrevem este sistema como uma “pseudo-organela”, 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 nos ventos celulares podem mudar a forma como as doenças começam ou progridem”, disse Cathy.
A equipe acredita que a descoberta pode ter implicações em vários campos, incluindo pesquisa sobre câncer, administração de medicamentos, reparo de tecidos e biologia sintética.
“Tudo o que você precisava fazer era olhar”, disse Cathy. “Os fluxos sempre estiveram lá. Agora sabemos como as células os utilizam.”
Além dos Galbraiths, os coautores do estudo são Brian English, Ph.D., do campus de pesquisa de Janelia, e Ulrike Böhm, Ph.D., ex-Janelia e agora na Carl Zeiss AG na Alemanha.
Esta pesquisa foi apoiada pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais, Institutos Nacionais de Saúde, sob o número de prêmio R01GM117188, pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA, sob os números de prêmio 2345411 e 171636, pelo W.M. Fundação. O trabalho do iPALM foi apoiado em parte por um prêmio do Advanced Imaging Center de Janelia. A imagem SIM foi apoiada em parte por uma bolsa do Core Research Facilities da OHSU School of Medicine.
