Pesquisadores da Oregon Health & Science University identificaram um sistema até então desconhecido dentro das células que atua como um “vento alísio” interno, transportando rapidamente proteínas importantes para a frente da célula. Esta descoberta muda a forma como os cientistas entendem o movimento celular, a propagação do câncer e a cicatrização de feridas.
Pesquisa, publicada Comunicação da naturezaDesafia ideias de longa data sobre como as células organizam e entregam proteínas a locais específicos
Durante muitos anos, os livros didáticos de biologia descreveram o movimento das proteínas dentro das células como um processo amplamente aleatório chamado difusão. Neste modelo, as proteínas fluem até finalmente chegarem onde são necessárias. Uma nova pesquisa mostra que as células não dependem apenas do acaso. Em vez disso, eles criam um fluxo de fluido direcionado que empurra ativamente as proteínas em direção à borda principal, onde as células proliferam, se movem e reparam os tecidos.
De observações em sala de aula a grandes descobertas
A descoberta ocorreu num momento inesperado, durante um curso de neurobiologia no Laboratório Biológico Marinho, em Massachusetts. A co-autora correspondente do estudo, Catherine (Kathy) Galbraith, Ph.D. e James (Jim) Galbraith, Ph.D., estavam conduzindo um experimento típico em sala de aula quando notaram algo incomum.
“Na verdade, tudo começou como uma descoberta inesperada”, disse Cathy. “Estávamos conduzindo um experimento com alunos em 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 que pudessem rastrear como elas se moviam. Este é um método comum para estudar o transporte intracelular. Durante o experimento, eles observaram uma faixa escura adicional aparecendo 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 nos dava uma maneira de medir algo que não era possível medir antes”, disse ele.
Investigações adicionais mostraram que esta faixa escura representava uma onda de actina solúvel, uma proteína chave envolvida no movimento celular, sendo movida rapidamente. Anteriormente, os cientistas acreditavam que a actina atingia essas regiões 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”, diz Jim. “As células precisavam de algum tipo de fluxo para mover as coisas. As células realmente ‘seguem o fluxo'”
O fluxo direcionado impulsiona o transporte de proteínas
Kathy e Jim ingressaram na OHSU em 2013 depois de trabalhar nos Institutos Nacionais de Saúde, onde colaboraram com o Prêmio Nobel Eric Betzig, Ph.D., em técnicas avançadas de imagem no Genelia Research Campus do Howard Hughes Medical Institute.
Com equipamento de imagem especial, a equipe descobriu que as células produzem ativamente fluxos direcionais de fluidos, que compararam aos rios atmosféricos. Essas correntes 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 recuar e apontar para onde envia esse material”, disse Jim. “Se você apertar metade da esponja, a água só passa pela metade. É basicamente isso que a célula está fazendo.”
Esses fluxos são inespecíficos, o que significa que podem transportar muitos tipos de proteínas ao mesmo tempo. Isso cria um sistema altamente eficiente que suporta protrusão celular, adesão e rápida mudança de forma. Todos esses processos são essenciais para o movimento, a resposta imunológica e a reparação tecidual.
Os pesquisadores também descobriram que essas correntes ocorrem dentro de uma região especializada na parte frontal da célula. Esta área é separada do resto da célula por uma barreira condensada de actina-miosina, que atua como um limite físico e direciona a proteína para a borda principal.
Visualizando correntes celulares com novas imagens
Para observar esses fluxos internos, a equipe desenvolveu uma versão modificada de um método de fluorescência padrão. Em vez de remover a fluorescência com um laser, eles ativam moléculas fluorescentes em um único ponto e rastreiam 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 oposto. Foi 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 agressivas.
“Sabemos que essas células altamente agressivas têm um ótimo mecanismo para empurrar as proteínas muito, muito rápido para onde precisam estar na frente da célula”, disse Jim. “Todas as células têm essencialmente os mesmos componentes internos, assim como um Porsche e um Volkswagen têm muitas das mesmas peças, mas quando essas peças são montadas na máquina 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 poderão 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 se comportam de maneira diferente”, disse ele.
Imagem e colaboração aprimoradas
A pesquisa reuniu especialistas em engenharia, física, microscopia e biologia celular. As principais contribuições vieram de colaboradores do Genelia Research Campus, na Virgínia, incluindo especialistas em espectroscopia de correlação de fluorescência e imagens 3D de super-resolução.
“O equipamento de que necessitamos não existe na maioria dos lugares”, disse Cathy. “Genelia tinha o tipo de configuração que nos permitiu testar e confirmar o que estávamos vendo.”
O estudo depende fortemente de ferramentas de imagem desenvolvidas na Genelia, 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 “pseudo-organela” recentemente identificada
Os investigadores descrevem este sistema como uma “pseudo-organela”, um compartimento funcional que não é envolvido 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 podem mudar a forma como a doença começa ou progride”, disse Cathy.
A equipa acredita que a descoberta pode ter implicações em vários campos, incluindo investigação sobre o cancro, distribuição de medicamentos, reparação de tecidos e biologia sintética.
“Era o que você tinha que fazer”, disse Kathy. “As correntes sempre existiram. Agora sabemos como as células as utilizam.”
Além de Galbraith, o estudo foi coautor de Brian English, Ph.D., e Ulrich Boehm, Ph.D., do Genelia Research Campus, anteriormente da Genelia e agora com Carl Zeiss AG na Alemanha.
Esta pesquisa foi apoiada pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais, pelos 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, pela Fundação WM Keck, pelo Programa de Cientistas Visitantes do Howard Hughes Medical Institute Genelia e pelo Instituto de Medicina. O trabalho do iPALM foi apoiado em parte por um prêmio do Advanced Imaging Center da Genelia. A imagem SIM foi apoiada em parte por uma bolsa do Core Research Facilities da OHSU School of Medicine.
