As proteínas existem há muito mais tempo do que nós - como blocos de construção da evolução biológica, nossa existência depende delas. E agora, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia estão aplicando um conceito teórico do século 20 para estudar como as proteínas evoluem, e isso pode levar à resposta de uma das perguntas mais antigas da humanidade: como nos tornamos nós?

Dentro de uma célula humana típica existem dezenas de milhares de proteínas. Precisamos de tantos porque as proteínas são os trabalhadores qualificados da célula, cada um realizando um trabalho específico. Alguns dão firmeza às células musculares ou neurônios. Outros se ligam a moléculas específicas e direcionadas, transportando-as para novos locais. E há outros que ativam o processo de divisão e crescimento celular.

A função específica de uma proteína depende de sua forma e, para atingir sua forma funcional – seu estado nativo – uma proteína se dobra. Uma proteína começa sua vida como uma longa cadeia de aminoácidos, chamada de polipeptídeo. A sequência de aminoácidos determina como a cadeia de proteína se dobrará e formará uma estrutura 3D complexa que permite que a proteína execute uma tarefa pretendida.

No laboratório de Loren Williams, os pesquisadores estão usando a " destruição criativa " como um modelo para a evolução e inovação das dobras de proteínas. O termo, cunhado pelo economista austríaco e cientista político Joseph Schumpeter na década de 1940, descreve o desmantelamento deliberado de uma coisa estabelecida, como o telefone com fio, para desenvolver uma coisa nova, como o smartphone.

“Temos estruturas de proteínas que evoluíram ao longo de quase quatro bilhões de anos e realmente não entendemos de onde vieram ou como se tornaram o que são”, disse Claudia Alvarez-Carreño, pesquisadora de pós-doutorado no laboratório Williams, que é chamado de Centro para a Origem da Vida, ou COOL. “É um processo muito complexo formar essas estruturas, e existem muitas hipóteses sobre como elas poderiam ter surgido no início da evolução”.

Alvarez-Carreño é o principal autor do artigo "Creative Destruction: New Protein Folds from Old", publicado recentemente na revista Proceedings of the National Academy of Sciences , ou PNAS . Ela e seus co-autores (Williams, Rohan Gupta e Anton Petrov) escavaram a história evolutiva mais profunda encontrada dentro da maquinaria de tradução – que reside dentro de todas as células do ribossomo e é o berço de todas as proteínas.

Os pesquisadores fornecem evidências que apoiam as origens comuns de algumas das dobras de proteína mais simples, antigas e comuns. Isso sugere uma forma de destruição criativa em ação, explicando como simples dobras de proteínas geram dobras mais complexas.

Eles descobriram que, uma vez que uma proteína pode se dobrar e atingir sua estrutura 3D, quando é combinada com outra proteína que se dobrou em uma estrutura 3D diferente, essa combinação pode facilmente se tornar uma nova estrutura. "Talvez não seja tão difícil quanto pensávamos ir de uma estrutura para outra", disse Williams, professor da Escola de Química e Bioquímica. "E talvez isso possa explicar a diversidade de estruturas de proteínas que vemos hoje."

No modelo de destruição criativa de Schumpter, o desenvolvimento de "produtos filhos" envolve a destruição de produtos ancestrais. “Os produtos derivados podem herdar características dos ancestrais, mas podem, em essência, ser diferentes deles”, escreveram no jornal. No exemplo do smartphone, telefones com fio ancestrais, computadores, câmeras, posicionamento global e outras tecnologias que se fundem para criar uma filha, ou seja, o smartphone.

A filha herda muitas características dos ancestrais. Essas características, que interagem de maneiras específicas na filha, criam novos nichos funcionais que não eram acessíveis, ou mesmo possíveis, nos ancestrais.

"Portanto, a destruição criativa de dobras de proteínas pode ser responsável por grande parte da diversidade que vemos", disse Williams.

Desde que as dobras de proteína mais simples e antigas surgiram na Terra há bilhões de anos, o número de dobras se expandiu para formar o universo da função da proteína que vemos na biologia moderna.

Mas as origens das dobras de proteínas e os mecanismos evolutivos em jogo colocam questões centrais na biologia que Williams e sua equipe consideraram. Por exemplo, como surgiram as dobras de proteínas e o que levou ao conjunto diversificado de dobras de proteínas em sistemas biológicos contemporâneos, e por que quase quatro bilhões de anos de evolução de dobras produziram menos de 2.000 dobras distintas?

Os pesquisadores acreditam que a destruição criativa pode ser generalizada para explicar muito disso.

Na destruição criativa, eles explicam, um quadro de leitura aberto – o trecho da sequência de DNA que codifica uma proteína – funde-se com outro para produzir um polipeptídeo fundido. A fusão força esses dois ancestrais a uma nova estrutura. O polipeptídeo resultante pode atingir uma forma que era inacessível para qualquer um dos ancestrais independentes, antes da fusão. Mas essas novas dobras não são totalmente independentes das antigas. Ou seja, uma dobra filha herda algumas coisas da dobra ancestral.

Isso, em termos gerais, é o que Williams e sua equipe observaram, e eles acham que seu modelo de destruição criativa tem alguma aplicação no estudo de doenças – proteínas que se dobram inadequadamente podem afetar a saúde das células e o ser humano composto por essas células.

"Por exemplo, achamos que esse processo é importante na biologia do câncer - existem muitas, muitas proteínas que se fundiram e, acreditamos, redobraram-se nos cânceres", disse Williams. "E há o mundo de doenças de agregação de proteínas , como Parkinson ou Alzheimer, e proteínas que não se dobraram corretamente ou redobraram."

Mas agora, Williams e sua equipe estão mais interessados ??em como seu modelo de destruição criativa os ajuda a entender algumas das questões mais profundas de nossa evolução.

"Tipo, de onde viemos", disse Williams. "A destruição criativa pode nos ajudar a entender de onde vieram as proteínas do nosso corpo e como chegamos a ser o que somos."