As plantas passam a maior parte de suas vidas usando a fotossíntese como energia. No entanto, na fase inicial, após as sementes começarem a crescer, elas ainda não conseguem captar a luz. Durante esta janela curta mas crítica, eles dependem dos ácidos graxos armazenados. Para decompor estes ácidos gordos, as células vegetais utilizam uma estrutura especializada conhecida como peroxissoma, um compartimento ligado à membrana também encontrado nas células humanas. Devido ao seu tamanho e visibilidade, as células vegetais fornecem um sistema útil para estudar a operação do peroxissomo.
“A planta que estamos usando, Arabidopsis, tem células grandes e peroxissomos tão grandes que podemos ver seu interior com um microscópio óptico”, disse Bonnie Bartel, professora de Ciências Biológicas Ralph e Dorothy Looney. “O peroxissoma torna-se ainda maior durante a fase de semente a plântula, quando a planta depende de ácidos gordos para obter energia, antes de voltar ao seu tamanho normal, quando a planta pode fotossintetizar.”
A proteína PEX11 ajuda a controlar o tamanho dos peroxissomos
A equipe de Bartel se concentrou nesses peroxissomos aumentados, especificamente em uma proteína chamada PEX11. Os cientistas sabem há muito tempo que o PEX11 desempenha um papel na ajuda à divisão dos peroxissomos. Num novo estudo publicado na Nature Communications, a equipa descobriu que esta proteína também ajuda a controlar a forma como os peroxissomas se expandem e contraem durante o desenvolvimento inicial das plantas.
“Os peroxissomas têm sido implicados em várias doenças humanas e são utilizados em bioengenharia”, disse Nathan Tharp, primeiro autor do artigo e estudante de pós-graduação da Rice. “Eles podem ser bastante difíceis de estudar, no entanto.”
Usando CRISPR para estudar uma proteína complexa
Uma estratégia comum para compreender uma proteína é desligar o gene responsável pela sua produção e observar os efeitos. Neste caso, a situação era mais complicada. PEX11 é produzido por cinco genes diferentes. Quebrar apenas um deles teve pouco efeito, mas remover todos os cinco resultou na morte da planta. Isto dificultou a definição precisa da função da proteína.
Para contornar esse problema, Tharp usou técnicas avançadas de CRISPR para desabilitar seletivamente diferentes combinações de cinco genes.
“Consegui usar avanços recentes no CRISPR para perturbar combinações específicas de cinco genes”, disse Tharp, que defendeu recentemente a sua tese. “Só então pudemos ver que o PEX11 estava claramente envolvido no controle do crescimento do peroxissomo desde a fase de semente até a muda.”
Peroxissomos gigantes revelam um mecanismo de controle de crescimento
Tharp criou dois tipos de plantas mutantes, cada uma sem um conjunto específico de genes PEX11. Em ambos os casos, os peroxissomos expandiram-se da fase de semente para a fase de plântula, como esperado. No entanto, em vez de voltarem ao tamanho normal, alguns continuaram a crescer muito além do normal. Em casos extremos, os peroxissomos se estendiam de uma extremidade à outra da célula.
Essas células mutantes também não possuíam vesículas, pequenos compartimentos ligados à membrana que normalmente se formam dentro dos peroxissomos durante o processamento de ácidos graxos. Em condições normais, estas vesículas desenvolvem-se à medida que o peroxissoma cresce e parecem libertar-se de partes da sua membrana externa.
“Vesículas que pegam pedaços de membrana à medida que se formam podem ajudar a controlar o crescimento do peroxissomo”, disse Tharp. “Em nossos mutantes PEX11, essas vesículas não se formam ou são anormalmente pequenas e raras, então vemos esses peroxissomos enormes que são muito maiores que o normal”.
As descobertas vão além das plantas para outras espécies
Embora o estudo se concentrasse nas plantas, Tharp queria saber se o mesmo mecanismo poderia existir em outros organismos. Para testar essa ideia, ele introduziu uma versão em levedura de uma proteína chamada Pex11 em células vegetais mutantes.
“Colocamos a levedura Pex11 em nossas células vegetais mutantes para ver se ela poderia restaurar os peroxissomos ao normal”, disse Tharp. – E funcionou.
Este resultado sugere que o Pex11 tem uma função semelhante nas leveduras e nas plantas, apesar da enorme distância evolutiva entre elas. Por causa disso, a proteína também pode desempenhar um papel semelhante em outros tipos de células, incluindo células humanas.
“Descobrir que esta proteína tem o mesmo papel nas leveduras e nas células vegetais sugere que pode ser uma proteína altamente conservada”, disse Bartel. “Assim, nossas descobertas em plantas neste modelo relativamente fácil de estudar podem ser aplicáveis a células humanas e células usadas em bioengenharia”.
