O heme éuma parte essencial da protea­na hemoglobina, que da¡ a cor do sangue humano de vermelho. O heme também écrucial para as protea­nas do citocromo, que alimentam a canãlula. Humanos, animais, plantas e bactanãrias usam heme.

A hemoglobina transporta oxigaªnio para os tecidos onde énecessa¡rio, enquanto os citocromos carregam elanãtrons para a conversão de energia na canãlula. Mas entender como o heme se move atravanãs das membranas - como énecessa¡rio, para se inserir na hemoglobina e nos citocromos - tem sido um desafio. O transporte do heme étransita³rio, o que significa que o heme se move atravanãs das membranas rapidamente e não deixa rastros. E as protea­nas da membrana que se ligam ao heme são difa­ceis de purificar em grandes quantidades.

Em pesquisa publicada nesta segunda-feira, 20, na Nature Chemical Biology, cientistas da Washington University em St. Louis descreveram pela primeira vez a estrutura de uma protea­na bifuncional , chamada CcsBA, que transporta o heme e o anexa aos citocromos. O estudo liderado por Robert Kranz, professor de biologia em Artes e Ciências, capturou dois estados conformacionais de CcsBA, uma protea­na bacteriana e cloropla¡stica, permitindo aos cientistas caracterizar o mecanismo enzima¡tico.

"Este novo artigo aborda a base estrutural de como a ma¡quina CcsBA funciona, revelando as principaismudanças dina¢micas que ocorrem durante o ciclo de transporte do heme", disse Kranz.

O estudo foi possí­vel graças a  colaboração de James Fitzpatrick, diretor do Washington University Center for Cellular Imaging (WUCCI) na Escola de Medicina e professor de neurociaªncia, biologia celular e fisiologia e engenharia biomédica, e Michael Rau, um cientista da equipe e bia³logo estrutural em sua equipe. Eles alavancaram uma técnica de biologia estrutural de ponta chamada média de parta­cula única, que utilizou um microsca³pio crioeletra´nico de última geração (cryo-EM) para visualizar diferentes visualizações da protea­na em seu estado nativamente vitrificado (congelado). Depois de classificar todas as diferentes visualizações, eles foram capazes de construir mapas de densidade crio-EM - que são representações tridimensionais da protea­na construa­da a partir de uma sanãrie de projeções bidimensionais de várias visualizações - a partir dos quais Kranz '

"Cryo-EM éuma tecnologia transformadora que nos permite visualizar nonívelquase ata´mico o arranjo estrutural de uma determinada protea­na, incluindo a capacidade de extrair diferentes conformações de um conjunto de estados", disse Fitzpatrick. "Essa última habilidade foi a chave para nos permitir capturar o mecanismo de transporte do heme."

Os dados cyro-EM identificaram dois estados nos quais uma ou duas moléculas heme estavam ligadas.

"Os modelos estruturais que fomos capazes de construir ilustram que o CcsBA estãopreso ao heme em duas conformações diferentes, que chamamos de estado aberto e fechado", disse Kranz. “Este novo corpo de trabalho aborda a base estrutural pela qual a ma¡quina CcsBA funciona, revelando uma importante mudança dina¢mica que ocorre durante o ciclo de transporte.

"Uma das descobertas mais legais éque uma grande ca¢mara se abre após o transporte do heme", disse ele. A ca¢mara épara a sa­ntese do citocromo c.

Coprimeira autora Deanna L. Mendez, uma cientista de pa³s-doutorado em biologia, foi coautora de um estudo com Kranz na eLIFE sobre a reconstituição das sintases bacterianas e humanas purificadas do heme. CcsBA édiferente da forma humana do transportador de heme / citocromo c sintase. Os conhecimentos obtidos atravanãs da identificação de suas estruturas da£o aos pesquisadores uma vantagem no desenvolvimento de agentes antimicrobianos que ira£o alvejar seletivamente as bactanãrias.

"No CcsBA, observamos um caminho claro entre as hanãlices alfa transmembrana que podem permitir que o heme se desloque do local transmembrana-heme para o local externo do heme", disse Mendez. "Como o heme diminui seu gradiente de concentração durante a exportação, não prevemos uma necessidade de fonte de energia para esse processo."

O coautor Ethan Lowder ésaªnior na Washington University e trabalhou neste projeto por dois anos.

"Resolver uma nova estrutura de uma protea­na émuito difa­cil", disse Lowder. "Neste caso, não havia estruturas semelhantes nas quais pudanãssemos confiar como modelo ou ponto de partida. Foi definitivamente um desafio, mas trabalhamos todo o caminho atéchegar a s estruturas finais."

O segundo autor, Dustin Tillman, que era graduando na Universidade de Washington quando concluiu este trabalho, foi fundamental para purificar o CcsBA. Ele fez parceria com a equipe WUCCI para otimizar a preparação da amostra para os estudos de crio-EM de parta­cula única. "Dustin também realizou ensaios de reconstituição em suas preparações purificadas para mostrar que eram sintases ativas", disse Kranz.

"Sou grato pelas contribuições e envolvimento de nossos talentosos pesquisadores de graduação nesta pesquisa apoiada pelo NIH", disse Kranz. "Este estudo éo culminar de mais de três décadas em que nosso laboratório estudou transporte de heme e montagem de citocromo, por isso ésatisfata³rio saber a base estrutural de ambos. Isso levara¡ a mais experimentos sobre os mecanismos de abertura da ca¢mara, transporte e a reação sintase na ca¢mara. "