Em um estudo publicado hoje na Science Advances , pesquisadores da Universidade de Cambridge mostram que minaºsculos componentes dentro da canãlula são os motores biola³gicos por trás da produção eficaz de protea­nas.

O reta­culo endoplasma¡tico (RE) éa fa¡brica de protea­nas da canãlula, produzindo e modificando as protea­nas necessa¡rias para garantir a função celular sauda¡vel. a‰ a maior organela da canãlula e existe em uma estrutura semelhante a uma teia de tubos e folhas. O ER se move rapidamente e muda constantemente de forma, estendendo-se pela canãlula para onde for necessa¡rio em um determinado momento.

Usando técnicas de microscopia de super-resolução, pesquisadores do Departamento de Engenharia Quí­mica e Biotecnologia (CEB) de Cambridge descobriram a força motriz por trás desses movimentos - um avanço que poderia ter impacto significativo no estudo de doenças neurodegenerativas.

“a‰ sabido que o reta­culo endoplasma¡tico tem uma estrutura muito dina¢mica - esticando e estendendo constantemente sua forma dentro da canãlula”, disse o Dr. Meng Lu, pesquisador associado do Grupo de Ana¡lise de Laser, liderado pelo Professor Clemens Kaminski.

“O ER precisa ser capaz de chegar a todos os lugares com eficiência e rapidez para realizar funções de limpeza essenciais dentro da canãlula, quando e onde houver necessidade. A diminuição desta capacidade estãoassociada a doenças como Parkinson, Alzheimer, Huntington e ALS. Atéagora, houve uma compreensão limitada de como o ER atinge essasmudanças rápidas e fascinantes na forma e como ele responde aos esta­mulos celulares. ”

Lu e seus colegas descobriram que outro componente celular detanãm a chave - pequenas estruturas, que se parecem com pequenas gota­culas contidas nas membranas, chamadas lisossomas.

Os lisossomos podem ser considerados centros de reciclagem das células: eles capturam protea­nas danificadas, quebrando-as em seus blocos de construção originais para que possam ser reutilizadas na produção de novas protea­nas. Os lisossomos também atuam como centros de detecção - captando sinais ambientais e os comunicando a outras partes da canãlula, que se adaptam de acordo.

Pode haver cerca de 1.000 lisossomos circulando pela canãlula a qualquer momento e, com eles, o ER parece mudar sua forma e localização, de uma forma aparentemente orquestrada.

O que surpreendeu os cientistas de Cambridge foi a descoberta de uma ligação causal entre o movimento dos minaºsculos lisossomos dentro da canãlula e o processo de remodelagem da grande rede ER.

“Podera­amos mostrar que éo movimento dos pra³prios lisossomos que força o ER a se remodelar em resposta a esta­mulos celulares”, disse Lu. “Quando a canãlula sente que hánecessidade de lisossomos e ER para viajar para os cantos distais da canãlula, os lisossomas puxam a teia ER junto com eles, como minaºsculas locomotivas.”

Do ponto de vista biola³gico, isso faz sentido: os lisossomas atuam como um sensor dentro da canãlula, e o ER como uma unidade de resposta; coordenar sua função sa­ncrona éfundamental para a saúde celular.

Para descobrir esse va­nculo surpreendente entre duas organelas muito diferentes, a equipe de pesquisa de Kaminski fez uso de novas tecnologias de imagem e algoritmos de aprendizado de ma¡quina, que deram a eles insights sem precedentes sobre o funcionamento interno da canãlula. 

“a‰ fascinante que agora possamos olhar dentro das células vivas e ver a velocidade e a dina¢mica maravilhosas da maquinaria celular com tantos detalhes e em tempo real”, disse Kaminski. “Apenas alguns anos atrás, assistir organelas fazendo seus nega³cios dentro da canãlula seria impensa¡vel.”

Os pesquisadores usaram padraµes de iluminação projetados em células vivas em alta velocidade e algoritmos de computador avana§ados para recuperar informações em uma escala mais de cem vezes menor do que a largura de um cabelo humano. Capturar essas informações em taxas de va­deo são recentemente se tornou possí­vel.

Os pesquisadores também usaram algoritmos de aprendizado de ma¡quina para extrair a estrutura e o movimento das redes ER e lisossomos de forma automatizada de milhares de conjuntos de dados.

A equipe estendeu sua pesquisa para examinar neura´nios ou células nervosas - células especializadas com longas protubera¢ncias chamadas axa´nios ao longo das quais os sinais são transmitidos. Axa´nios são estruturas tubulares extremamente finas e não se sabia como o movimento da grande rede ER éorquestrado dentro dessas estruturas.

O estudo mostra como os lisossomos viajam facilmente ao longo dos axa´nios e arrastam o ER atrás deles. Os pesquisadores também mostram como impedir esse processo éprejudicial ao desenvolvimento de neura´nios em crescimento.

Frequentemente, os pesquisadores viram eventos onde os lisossomos agiam como motores de reparo para pea§as desconectadas ou quebradas da estrutura ER, fundindo-as e fundindo-as em uma rede intacta novamente. O trabalho anã, portanto, relevante para a compreensão dos distúrbios do sistema nervoso e seu reparo.

A equipe também estudou o significado biola³gico desse movimento acoplado, fornecendo um esta­mulo - neste caso nutrientes - para os lisossomos sentirem. Os lisossomos foram vistos movendo-se em direção a este sinal, arrastando a rede ER para trás de modo que a canãlula possa eliciar uma resposta adequada.

“Atéagora, pouco se sabia sobre a regulação da estrutura do ER em resposta a sinais metaba³licos”, disse Lu. “Nossa pesquisa fornece uma ligação entre os lisossomos como unidades de sensores que orientam ativamente a resposta ER local.”

A equipe espera que seus insights sejam inestima¡veis ​​para aqueles que estudam as ligações entre a doença e a resposta celular, e que seus pra³ximos passos sejam focados no estudo da função e disfunção do ER em doenças como Parkinson e Alzheimer.

Os distúrbios neurodegenerativos estãoassociados a  agregação de protea­nas danificadas e mal dobradas, portanto, compreender os mecanismos subjacentes da função do ER éfundamental para pesquisar seu tratamento e prevenção.  

“As descobertas do ER e dos lisossomos receberam o Praªmio Nobel hámuitos anos - eles são organelas essenciais para a função celular sauda¡vel”, disse Kaminski. “a‰ fascinante pensar que ainda hámuito a aprender sobre esse sistema, que éextremamente importante para a ciência biomédica fundamental que busca encontrar a causa e a cura para essas doenças devastadoras.”