Minúsculos ‘órgãos’ escondidos em nossas células podem desafiar as origens da vida: WebCuriosos

Pense naquela aula básica de biologia que você fez no ensino médio. Você provavelmente aprendeu sobre organelasaqueles pequenos “órgãos” dentro das células que formam compartimentos com funções individuais.

Por exemplo, as mitocôndrias produzem energia, os lisossomos reciclam resíduos e o núcleo armazena DNA. Embora cada organela tenha uma função diferente, elas são semelhantes porque cada uma está envolta em uma membrana.

Organelas ligadas à membrana eram o padrão didático de como os cientistas pensavam que as células eram organizadas até que perceberam em meados dos anos 2000 que algumas organelas não precisam ser envolvidas por uma membrana.

Desde então, os pesquisadores descobriram muitas organelas sem membrana adicionais que mudaram significativamente a forma como os biólogos pensam sobre a química e as origens da vida.

Fui apresentado às organelas sem membrana, formalmente chamadas condensados ​​biomolecularesalguns anos atrás, quando estudantes no meu laboratório observaram algumas bolhas incomuns no núcleo de uma célula.

Sem que eu soubesse, estávamos estudando condensados ​​biomoleculares há anos. O que finalmente vi naquelas bolhas abriu meus olhos para um mundo totalmente novo de biologia celular.

Como uma lâmpada de lava

Para ter uma ideia da aparência de um condensado biomolecular, imagine uma lâmpada de lava enquanto as bolhas de cera dentro dela se fundem, se separam e se fundem novamente. Condensados formar da mesma maneiraembora não sejam feitos de cera. Em vez disso, um aglomerado de proteínas e material genético, especificamente moléculas de RNA, numa célula condensa-se em gotículas semelhantes a gel.

Algumas proteínas e RNAs fazem isso porque interagem preferencialmente entre si em vez de com o ambiente circundante, muito parecido com o modo como as bolhas de cera em uma lâmpada de lava se misturam umas com as outras, mas não com o líquido circundante. Esses condensados ​​criam um novo microambiente que atrai proteínas adicionais e moléculas de RNA, formando assim um compartimento bioquímico único dentro das células.

Em 2022, os pesquisadores descobriram cerca de 30 tipos desses condensados ​​biomoleculares sem membrana. Em comparação, existem cerca de uma dúzia de organelas tradicionais ligadas à membrana.

Embora seja fácil de identificar quando você sabe o que está procurando, é difícil descobrir o que exatamente os condensados ​​biomoleculares fazem. Alguns têm funções bem definidas, como formar células reprodutivas, grânulos de estresse e ribossomos produtores de proteínas. No entanto, muitos outros não têm funções claras.

Organelas não ligadas à membrana poderiam ter funções mais numerosas e diversas do que suas contrapartes ligadas à membrana. Aprender sobre essas funções desconhecidas está afetando a compreensão fundamental dos cientistas sobre como as células funcionam.

Estrutura e função das proteínas

Os condensados ​​biomoleculares estão quebrando algumas crenças antigas sobre a química das proteínas.

Desde que os cientistas deram pela primeira vez uma boa olhada no estrutura da proteína mioglobina na década de 1950, ficou claro que sua estrutura é importante por sua capacidade de transportar oxigênio nos músculos. Desde então, o mantra dos bioquímicos tem sido que a estrutura da proteína é igual à função da proteína. Basicamente, as proteínas têm determinados formatos que lhes permitem realizar suas funções.

As proteínas que formam condensados ​​biomoleculares quebram, pelo menos parcialmente, essa regra, pois contêm regiões desordenadas, ou seja, não possuem formas definidas. Quando os pesquisadores descobriram esses chamados proteínas intrinsecamente desordenadas, ou IDPsno início da década de 1980, eles ficaram inicialmente confusos com a forma como essas proteínas poderiam não ter uma estrutura forte, mas ainda assim desempenhar funções específicas.

Mais tarde, descobriram que Os deslocados internos tendem a formar condensados. Como tantas vezes acontece na ciência, esta descoberta resolveu um mistério sobre os papéis que estas proteínas nocivas não estruturadas desempenham na célula, apenas para abrir outra questão mais profunda sobre o que realmente são os condensados ​​biomoleculares.

Células bacterianas

Os pesquisadores também detectaram condensados ​​biomoleculares em procarióticoscélulas , ou bacterianas, que tradicionalmente eram definidas como não contendo organelas. Esta descoberta pode ter efeitos profundos na forma como os cientistas entendem a biologia das células procarióticas.

Apenas cerca de 6 por cento das proteínas bacterianas têm regiões desordenadas sem estrutura, em comparação com 30% a 40% das proteínas eucarióticas ou não bacterianas. Mas os cientistas encontraram vários condensados ​​biomoleculares em células procarióticas que estão envolvidos em uma variedade de funções celulares, incluindo fazer e quebrando RNAs.

A presença de condensados ​​biomoleculares em células bacterianas significa que estes micróbios não são simples sacos de proteínas e ácidos nucleicos, mas são na verdade mais complexos do que se pensava anteriormente.

Origens da vida

Os condensados ​​biomoleculares também estão mudando a forma como os cientistas pensam sobre as origens da vida na Terra.

Há ampla evidência de que os nucleótidos, os blocos de construção do ARN e do ADN, podem muito plausivelmente ser produzidos a partir de produtos químicos comuns, como o cianeto de hidrogénio e a água, na presença de fontes de energia comuns, como a luz ultravioleta ou altas temperaturas, em minerais universalmente comuns, como sílica e argila de ferro.

Há também evidências de que nucleotídeos individuais podem espontaneamente montar em correntes para produzir RNA. Este é um passo crucial na Hipótese do mundo RNAque postula que as primeiras 'formas de vida' na Terra eram cadeias de RNAs.

Uma questão importante é como estas moléculas de RNA podem ter desenvolvido mecanismos para se replicarem e se organizarem numa protocélula. Como toda a vida conhecida está encerrada em membranas, os pesquisadores que estudam a origem da vida presumiram principalmente que as membranas também precisariam encapsular esses RNAs.

Isso exigiria a síntese dos lipídios, ou gorduras, que constituem as membranas. No entanto, os materiais necessários para produzir lipídios provavelmente não estavam presentes na Terra primitiva.

Com a descoberta de que RNAs podem formar espontaneamente condensados ​​biomolecularesos lipídios não seriam necessários para formar protocélulas. Se os RNAs fossem capazes de se agregar em condensados ​​biomoleculares por conta própria, torna-se ainda mais plausível que as moléculas vivas tenham surgido de substâncias químicas inanimadas na Terra.

Novos tratamentos

Para mim e para outros cientistas que estudam condensados ​​biomoleculares, é emocionante sonhar como estas entidades violadoras de regras mudarão a nossa perspectiva sobre como a biologia funciona. Os condensados ​​já estão mudando a forma como nós pense em doenças humanas como Alzheimer, Huntington e Lou Gehrig.

Para este fim, os investigadores estão a desenvolver várias novas abordagens para manipular condensados ​​para fins médicos como novos medicamentos que podem promover ou dissolver condensados. Ainda não se sabe se esta nova abordagem ao tratamento de doenças dará frutos.

No longo prazo, eu não ficaria surpreso se cada condensado biomolecular eventualmente recebesse uma função específica. Se isso acontecer, você pode apostar que os alunos de biologia do ensino médio terão ainda mais o que aprender – ou reclamar – em suas aulas introdutórias de biologia.

Allan AlbigProfessor Associado de Ciências Biológicas, Universidade Estadual de Boise

Este artigo foi republicado de A conversa sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.