Cientistas da Universidade de Genebra (UNIGE), em colaboração com o Instituto de Biologia Estrutural de Grenoble (IBS) e a Universidade de Friburgo (UNIFR), utilizaram a criomicroscopia eletrônica para observar como os lipídios e proteínas da membrana plasmática interagem e reagem a estresses mecânicos.
Esses estudos mostram que, dependendo das condições, pequenas regiões da membrana podem estabilizar diferentes lipídios para desencadear respostas celulares específicas. Essas descobertas, publicadas na revista Nature, confirmam a existência de domínios lipídicos bem organizados e começam a revelar seu papel na sobrevivência das células.
As células são cercadas por uma membrana - a membrana plasmática - que serve como uma barreira física, mas deve ser maleável. Essas propriedades são conferidas pelos constituintes das membranas - lipídios e proteínas - cuja organização molecular varia conforme o ambiente externo. Esse dinamismo é essencial para a função da membrana, mas deve ser finamente ajustado para que ela não se torne nem muito tensa nem muito frouxa.
A forma como as células percebem as mudanças nas propriedades biofísicas da membrana plasmática envolvem microrregiões da membrana - conhecidas como microdomínios - que apresentam um conteúdo e uma organização específicos em lipídios e proteínas.
Criomicroscopia eletrônica de alta resolução
A equipe de Robbie Loewith, professor titular do Departamento de Biologia Molecular e Celular da Faculdade de Ciências da UNIGE, está interessada na maneira como os componentes da membrana plasmática interagem entre si para que as propriedades biofísicas da membrana permaneçam ótimas para o crescimento e sobrevivência das células.
Estrutura de três hélices do eisossomo, um microdomínio de membrana sensível ao alongamento da levedura de pão, resolvida por criomicroscopia eletrônica de alta resolução.
© Jennifer Kefauver, Ambroise Desfosses, Luoming Zou, Robbie Loewith
"Até agora, as técnicas disponíveis não nos permitiam estudar os lipídios em seu ambiente natural dentro das membranas. Graças ao Dubochet Center for Imaging (DCI) das universidades de Genebra, Lausanne, Berna e da EPFL, conseguimos enfrentar esse desafio usando a criomicroscopia eletrônica", explica Robbie Loewith. Essa técnica permite congelar amostras a -200°C para capturar as membranas em seu estado nativo, que podem então ser observadas no microscópio eletrônico.
Os cientistas utilizaram a levedura de pão (Saccharomyces cerevisiae), um organismo modelo em muitos laboratórios de pesquisa, pois é muito simples de cultivar e manipular geneticamente. Além disso, a maioria de seus processos celulares fundamentais são semelhantes aos dos organismos superiores. Este estudo se concentrou nos eisossomos, que são microdomínios específicos da membrana organizados em torno de uma rede de proteínas. Acredita-se que os eisossomos possam sequestrar ou liberar proteínas e lipídios para ajudar as células a resistir aos danos na membrana e/ou sinalizá-los, segundo processos até então desconhecidos.
"Pela primeira vez, conseguimos purificar e observar eisossomos contendo lipídios da membrana plasmática em seu estado nativo. É um avanço real para melhor entender seu funcionamento", explica Markku Hakala, pós-doutorando no Departamento de Bioquímica da Faculdade de Ciências da UNIGE e coautor do estudo.
Converter um sinal mecânico em um sinal químico
Graças à criomicroscopia eletrônica, os cientistas observaram que a organização lipídica desses microdomínios é modificada em resposta a estresses mecânicos. "Descobrimos que, quando a rede de proteínas do eisossomo é alongada - por exemplo, sob efeito de uma pressão mecânica - o arranjo complexo dos lipídios nos microdomínios é modificado. Essa reorganização dos lipídios permite provavelmente a liberação de moléculas de sinalização sequestradas para desencadear mecanismos de adaptação ao estresse. Nosso estudo revela um mecanismo molecular pelo qual o estresse mecânico pode ser convertido em sinalização bioquímica através de interações proteína-lipídio com uma precisão inédita", entusiasma-se Jennifer Kefauver, pós-doutoranda no Departamento de Biologia Molecular e Celular e primeira autora do estudo.
Esses trabalhos abrem muitas possibilidades para estudar o papel primordial da compartimentação das membranas - ou seja, do deslocamento dentro das membranas de proteínas e lipídios para formar subcompartimentos, os microdomínios. Esse mecanismo permite, de fato, que as células executem funções bioquímicas especializadas, em particular a ativação de vias de comunicação celular em resposta aos diferentes estresses que as células podem sofrer.