Um minúsculo organismo aquático composto por apenas uma célula pode comprimir o seu corpo até um quarto do seu comprimento original em menos de cinco milissegundos, centenas de vezes mais rápido do que uma pessoa consegue piscar um olho. Os cientistas identificaram agora o mecanismo incomum por trás desta atividade notável.
criaturas, Spirostomus AmbíguoDepende de íons de cálcio e de uma rede especial de proteínas disposta como uma rede arrastão. Este sistema permite-lhe contrair-se muito mais rapidamente do que os músculos humanos, e os investigadores dizem que a descoberta poderá eventualmente ajudar a orientar o desenvolvimento de músculos artificiais mais rápidos e de maquinaria celular sintética.
uma única célula com velocidade extraordinária
Spirostomus Ambíguo é um ciliado unicelular gigante, nomeado devido às franjas de cílios semelhantes a cabelos que usa para nadar. Entre os ciliados, é conhecido por sua capacidade de se contrair em aproximadamente 100 comprimentos corporais por segundo e depois repetir rapidamente o movimento. Os cientistas acreditam que esse comportamento pode ajudar o organismo a evitar predadores ou a se comunicar com outros ciliados.
As fibras musculares humanas podem ser menores em proporções comparáveis, mas o processo leva cerca de 10 vezes mais tempo. essa é a diferença Espirostomum É particularmente interessante para pesquisadores que desejam compreender o maquinário que torna possível sua velocidade extrema.
“que diferença Espirostomum “E o que podemos fazer depende do que está a alimentar a contracção e da aparência da maquinaria por detrás dela”, diz Mary Elting, professora associada de biofísica na Universidade Estatal da Carolina do Norte e co-autora do trabalho. “Se conseguirmos compreender esses processos, isso pode ajudar-nos a criar sistemas sintéticos que imitem o movimento e a força deste organismo unicelular”.
Uma rede de proteínas que funciona como uma rede arrastão
A equipe de pesquisa investigou usando microscopia eletrônica e de imunofluorescência Espirostomum Em detalhes. Eles descobriram que os íons de cálcio iniciam a contração, enquanto uma estrutura incomum em forma de rede realiza o movimento.
Ao contrário dos animais, os organismos unicelulares, como Espirostomum Não há fibra muscular. Em vez disso, eles contêm estruturas fibrosas chamadas mionemas. Essas estruturas são compostas pelas proteínas de ligação ao cálcio centrina e Sfi1.
Em EspirostomumMyoneme forma uma teia em forma de rede ao redor do exterior do organismo. Uma vez iniciada a contração, esta rede endurece para dentro e depois retorna à sua configuração original.
“A geometria arrastão é única porque permite Espirostomum encolhe uniformemente, o que protege as organelas internas (versões de organelas de células únicas) enquanto se move muito rápido”, diz Elting. “Isso funciona porque a proteína SFI1 no mionema pode mudar de rígida para flexível. Na presença de íons de cálcio, o Sfi1 perde sua rigidez e se aglomera como uma bola de espaguete molhado, fazendo com que a rede de pesca se aperte, fazendo com que o organismo encolha.”
Uma forma muito diferente de movimento de poder
Os músculos humanos usam trifosfato de adenosina, ou ATP, para armazenar e liberar a energia necessária para a contração. Espirostomum Parece depender de um processo fundamentalmente diferente.
“Comparando a maneira como nossos músculos se contraem Espirostomum “Este trabalho é como comparar gás com eletricidade”, diz Elting. “O ATP sofre uma alteração química e ‘queima’ como a gasolina, enquanto os íons de cálcio agem como uma corrente elétrica, embora ainda não saibamos o que produz a voltagem que inicia a corrente, ou como ela é ‘reiniciada’ para que a contração possa ocorrer novamente.”
A capacidade de redefinir continua sendo uma das principais questões sem resposta. Os pesquisadores querem agora determinar com mais precisão como o cálcio desencadeia a contração e como o organismo se prepara para repetir o processo.
“Esperávamos que as respostas desencadeadas pelo cálcio ocorressem ‘de vez em quando’, mas Espirostomum “Compreender esses aspectos do seu movimento é a chave para criar um músculo artificial independente de ATP e de movimento rápido.”
Rumo a músculos artificiais mais rápidos
Essas descobertas podem fornecer pistas úteis para engenheiros que desejam criar músculos artificiais de movimento rápido sem depender de ATP. como entender Espirostomum Ao activar e reiniciar repetidamente o seu sistema de contracção accionado pelo cálcio, os investigadores esperam descobrir princípios que possam ser adaptados a dispositivos sintéticos.
A pesquisa revelou Anais da Academia Nacional de Ciências e foi apoiado pela National Science Foundation sob os números de prêmio 1935260, 2313722, 2313724, 1935262, 1817334, 2313727 e 2313725 e pelo NIGMS dos Institutos Nacionais de Saúde sob os números de prêmio R35GM130327 e R35GM142588.
Os co-autores correspondentes do trabalho são Aaron Dinner, professor de química da Universidade de Chicago; Jerry Honts, professor de biologia Marshall e Judith Flapan na Drake University; e Saad Bhamla, professor associado de engenharia química e biológica da Universidade do Colorado em Boulder.
Outros contribuidores do estado da Carolina do Norte são ex-Ph.D. São. o aluno e primeiro autor Joseph Lannon e o professor assistente de pesquisa Peter Thompson. Carlos Floyd e Suryanarayanan Vaikunthan, da Universidade de Chicago; LX Xu do Instituto de Tecnologia da Geórgia; E Connie Yan e Wallace Marshall, da Universidade da Califórnia em São Francisco, também contribuíram para o trabalho.
