Em um esforço para entender como as células cerebrais trocam mensagens químicas, cientistas dizem que usaram com sucesso um microscópio altamente especializado para capturar detalhes mais precisos de como uma das moléculas de sinalização mais comuns, o glutamato, abre um canal e permite que uma enxurrada de partículas carregadas entre. A descoberta, que resultou de um estudo liderado por pesquisadores da Johns Hopkins Medicine, pode avançar o desenvolvimento de novos medicamentos que bloqueiam ou abrem esses canais de sinalização para tratar condições tão variadas quanto epilepsia e alguns distúrbios intelectuais.

Um relatório sobre os experimentos foi publicado em 26 de março na revista Nature .

"Os neurônios são a base celular do cérebro, e a capacidade de vivenciar nosso ambiente e aprender depende de comunicações [químicas] entre os neurônios ", diz Edward Twomey, Ph.D., professor assistente de biofísica e química biofísica na Faculdade de Medicina da Universidade Johns Hopkins.

Os cientistas sabem há muito tempo que uma molécula importante responsável pelas comunicações neurônio-neurônio é o neurotransmissor glutamato , uma molécula abundante nos espaços entre os neurônios. Seu local de pouso nos neurônios é um canal chamado receptor AMPA, que interage com o glutamato e, então, age como um poro que absorve partículas carregadas. O fluxo e refluxo de partículas carregadas cria sinais elétricos que formam comunicações entre os neurônios.

Para descobrir detalhes dos movimentos minúsculos dos receptores AMPA (no nível de átomos individuais), os pesquisadores usaram um microscópio de altíssima potência para obter imagens desses canais durante etapas específicas nos processos de comunicação. Para o estudo, os cientistas usaram um microscópio crioeletrônico (crio-EM) em uma instalação na Escola de Medicina da Universidade Johns Hopkins.

Normalmente, os cientistas acham mais fácil estudar amostras de células que estão resfriadas, um estado que fornece um ambiente estável. Mas na temperatura corporal normal, a equipe de Twomey descobriu que os receptores AMPA e a atividade do glutamato aumentaram, fornecendo mais oportunidades para capturar esse processo em imagens cryoEM.

Para esse fim, os cientistas purificaram receptores AMPA, retirados de células embrionárias humanas cultivadas em laboratório que são amplamente utilizadas em pesquisas neurocientíficas para produzir tais proteínas. Então, eles aqueceram os receptores à temperatura corporal (37 graus Celsius ou 98,6 graus Fahrenheit) antes de expô-los ao glutamato. Imediatamente após isso, os receptores foram congelados rapidamente e analisados ??com crioEM para obter um instantâneo dos receptores AMPA ligados à principal molécula de sinalização, o glutamato.

Após reunir mais de um milhão de imagens tiradas com crioEM, a equipe descobriu que as moléculas de glutamato agem como uma chave que destranca a porta do canal, permitindo que ele se abra mais amplamente. Isso ocorre pela estrutura em forma de concha do receptor AMPA fechando-se em torno do glutamato , uma ação que abre o canal abaixo.

Pesquisas anteriores de Twomey mostraram que medicamentos como o perampanel, usado para tratar epilepsia, agem como um batente de porta ao redor do receptor AMPA para limitar a abertura do canal e reduzir a abundância de atividade conhecida por ocorrer nas células cerebrais de pessoas com epilepsia.

Twomey diz que as descobertas podem ser usadas para desenvolver novos medicamentos que se liguem aos receptores AMPA de diferentes maneiras, abrindo ou fechando os canais de sinalização das células cerebrais.

"Com cada nova descoberta, estamos descobrindo cada um dos blocos de construção que permitem que nossos cérebros funcionem", diz Twomey.

Outros cientistas que contribuíram para o trabalho são Anish Kumar Mondal, da Johns Hopkins, e Elisa Carrillo e Vasanthi Jayaraman, da UTHealth Houston.