Pesquisadores da Universidade de Oxford observaram partículas semelhantes a vírus reunindo-se uma molécula de cada vez, descobrindo as regras surpreendentemente simples que permitem a formação de estruturas biológicas complexas com notável confiabilidade. As descobertas, publicadas em Naturezaoferecem uma visão detalhada de um processo que os cientistas têm lutado para observar diretamente durante décadas.
Compreender como os vírus constroem as suas conchas proteicas protectoras, e como essa construção pode ser interrompida, poderia levar a novos medicamentos antivirais, vacinas melhoradas e outros tratamentos médicos. A descoberta ajuda a explicar como as proteínas individuais se organizam consistentemente nas estruturas corretas, apesar de terem milhares de maneiras possíveis de se conectarem.
Os pesquisadores descobriram que a montagem viral se assemelha a navegar em um labirinto complicado, onde apenas certos caminhos levam a um progresso duradouro. A princípio, os componentes proteicos formam conexões fracas que podem facilmente se romper se o arranjo não for bem-sucedido. Essa flexibilidade permite que as moléculas continuem tentando diferentes combinações até formarem estruturas fechadas específicas. Uma vez que múltiplas conexões mantêm essas estruturas unidas, elas se tornam muito mais estáveis.
Esses arranjos estáveis servem como pontos de controle molecular, restringindo o enorme número de rotas de montagem possíveis a um conjunto muito menor de caminhos bem-sucedidos. Um marco especialmente importante ocorre quando cinco blocos de construção de proteínas maiores se conectam para formar um anel pentagonal fechado. Esta é a primeira estrutura altamente estável no processo de montagem. Uma vez formada, cada estágio estável subsequente requer menos blocos de construção adicionais, permitindo que a partícula cresça mais rapidamente.
Roi Asor (Departamento de Química e Instituto Kavli para Descoberta de Nanociências, Universidade de Oxford) explicou: “Um vírus tem que resolver um problema de construção extraordinário. Seus componentes de alguma forma precisam encontrar o arranjo certo entre um grande número de possibilidades, sem um projeto ou maquinário direcionando o processo. Agora podemos observar o que acontece molécula por molécula e ver as regras físicas que tornam isso possível. “
Observando partículas de vírus montando molécula por molécula
Os vírus armazenam e protegem seu material genético dentro de invólucros proteicos organizados, conhecidos como capsídeos. Dependendo do vírus, essas conchas podem consistir em dezenas ou até milhares de componentes proteicos individuais. Notavelmente, em muitos casos, as proteínas podem organizar-se na estrutura correta sem qualquer maquinaria externa direcionando a sua montagem.
Embora os cientistas tenham investigado a automontagem viral durante décadas, capturar o processo à medida que ele se desenrola tem sido um grande desafio. Muitas das estruturas intermediárias existem apenas brevemente e aparecem em quantidades muito pequenas. Como resultado, os métodos tradicionais têm geralmente permitido aos investigadores examinar os materiais iniciais e as partículas acabadas sem mostrar claramente como um se transforma no outro.
Para superar esta limitação, os investigadores de Oxford estudaram uma partícula semelhante a um vírus, composta por 60 unidades de proteína. Eles usaram fotometria de massa, uma técnica desenvolvida em Oxford que determina a massa de moléculas individuais medindo a luz que elas espalham. Ao combinar esta tecnologia com uma nova abordagem para manter moléculas individuais confinadas e continuamente observáveis, a equipa poderia medir repetidamente a massa de uma partícula em crescimento à medida que proteínas adicionais se ligavam.
Essa abordagem permitiu que os cientistas acompanhassem o processo de construção conforme ele acontecia, rastreando efetivamente a adição de blocos de construção moleculares individuais ao longo do tempo.
O co-primeiro autor, estudante de doutorado Dan Loewenthal (Departamento de Química e Instituto Kavli para Descoberta de Nanociências, Universidade de Oxford) disse: “Este método nos permite estudar o processo de montagem diretamente, apenas gravamos um vídeo!”
O co-autor principal, Professor Philipp Kukura (Departamento de Química e Instituto Kavli para Descoberta de Nanociências, Universidade de Oxford) disse:”Até agora, grande parte da nossa compreensão de como essas estruturas se montam teve que ser reconstruída a partir de instantâneos ou modelos teóricos. Ser capaz de quantificar as interações subjacentes e seguir uma partícula à medida que ela cresce muda isso. Podemos ver as importantes estruturas intermediárias aparecerem e deduzir um modelo detalhado do processo de construção. “
O truque surpreendente que faz a montagem viral funcionar
Os resultados ajudam a explicar como um processo que envolve um número esmagador de possíveis arranjos moleculares pode produzir consistentemente a estrutura correta. Em vez de explorar todas as rotas possíveis, as proteínas progridem através de um número relativamente pequeno de estágios intermediários estáveis que orientam a montagem até a conclusão.
As descobertas também esclarecem porque é que a fase inicial da construção, chamada nucleação, é particularmente difícil e porque é que o crescimento se torna substancialmente mais rápido após o aparecimento da primeira estrutura estável.
Uma parte fundamental desta eficiência vem da capacidade dos blocos de construção das proteínas cometerem erros sem interromper permanentemente o processo. Conexões iniciais fracas permitem a separação de combinações incorretas, dando às proteínas outra oportunidade de encontrar um arranjo melhor. Quando um número suficiente de componentes eventualmente se conecta na configuração fechada correta, a estrutura resultante torna-se estável o suficiente para suportar um crescimento adicional.
Asor acrescentou: “As interações fracas dão ao sistema espaço para cometer erros. A maioria dos encontros não precisa ser bem-sucedida: os componentes podem se separar e tentar novamente. Mas uma vez que um número suficiente deles se junte no arranjo fechado correto, a estrutura torna-se estável e a montagem pode avançar. Essa combinação de tentativa e erro seguida pelo bloqueio em estruturas bem-sucedidas é o que torna o processo tão confiável. “
Novas possibilidades para medicamentos e vacinas antivirais
Ao identificar as interações moleculares que controlam a montagem viral, os cientistas poderão eventualmente desenvolver tratamentos que interfiram na construção das proteínas virais. As mesmas ideias também poderiam apoiar esforços para desenvolver partículas semelhantes a vírus para vacinas e outras aplicações terapêuticas.
O coautor Dr. Jack Tan (Instituto MRC Weatherall de Medicina Molecular e CAMS-Oxford Institute) observou: “A capacidade de compreender esses processos em nível molecular pode ter aplicações importantes no desenvolvimento de vacinas e antivirais que interrompem a montagem viral”.
As implicações podem ir muito além dos vírus. A automontagem é essencial em toda a biologia, ajudando a criar tudo, desde os esqueletos internos das células até compartimentos moleculares especializados e grandes complexos proteicos.
Ao tornar possível observar estes intricados processos de construção, uma molécula de cada vez, a abordagem da equipa de Oxford oferece aos investigadores uma nova forma poderosa de investigar como estruturas biológicas complexas emergem de interacções relativamente simples.
Fonte: ScienceDaily
