Transformando fibrilas em cristais

IMAGEM: imagens AFM 3-D dos péptidos que mostram a conversão de fibrila (torcido) para cristais (não torcidos). Crédito da imagem: J. Adamcik / ETH Zurich

November 08, 2017 - As fibrilas amilóides são infames quanto ao papel que desempenham em doenças neurológicas graves em seres humanos, como a doença de Parkinson ou a doença de Alzheimer. Um gatilho para a doença de Alzheimer é o misfolding e agregação de proteínas, como tau e ABeta. Isso causa a formação de pequenas fibrilas que se acumulam no cérebro. Especialistas referem-se a estas fibras como fibrilas amilóides.

Raffaele Mezzenga, professor de alimentos e materiais macios na ETH Zurich, passou um longo período de tempo estudando fibrilas amilóides, que ele sintetiza no laboratório a partir de precursores não tóxicos e comestíveis, como a proteína beta do soro de beta-lactoglobulina. Ele faz isso aquecendo as proteínas em ácido para degradar a estrutura original; as proteínas são "desnaturas" e tornam-se fibrosas. Múltiplos fios individuais se reúnem e torcem em uma hélice para formar as fibrilas amilóides maduras no laboratório.

Durante o processo, as proteínas do soro de leite não só perdem sua estrutura original, mas também sua funcionalidade. No caso dos precursores de proteínas alimentares não tóxicas, são construídas novas funcionalidades, que estão no centro de um intenso programa de pesquisa no grupo de Mezzenga.

Transformação de uma fibrila amilóide
Uma equipe internacional de especialistas em amilóides liderados por Mezzenga já fez uma descoberta fundamental com fibrilas amilóides geradas por fragmentos de proteínas de fontes de proteínas relacionadas com animais, humanos e doenças, feitas sinteticamente no laboratório. A descoberta acaba de ser publicada na Nature Communications.

Sob certas circunstâncias, as fibrilas podem ser transformadas em uma estrutura protéica que nunca foi observada antes in vivo e raramente observada em estudos in vitro: um cristal amilóide. Os cientistas resolvem pela primeira vez o mecanismo físico pelo qual esta transição ocorre: isso envolve a destruição da fibrilidade para formar cristais amilóides alongados, semelhantes a fósforos, sem a necessidade de desdobrar e redobrar a proteína; isto é, simplesmente se livrando da energia de torção associada às fibrilas amilóides torcidas.

No passado, os pesquisadores apenas observaram esse fenômeno no tubo de ensaio, mas sem realmente poder identificar os mecanismos que levam de uma estrutura para outra. Os cristais amilóides, no entanto, nunca foram encontrados nas células vivas.

Para a equipe de pesquisa, é difícil dizer, por enquanto, quais as implicações que a descoberta terá no campo das doenças relacionadas ao amilóide. Mezzenga já tem certeza de que os resultados são significativos para a dobragem de proteínas e a formação de fibrilas amilóides: "Nossos resultados lançam nova luz sobre a auto-organização de proteínas que tendem a formar amilóides e no status mais estável de proteínas em geral ".

Nick Reynolds, cientista de pesquisa da Universidade de Tecnologia de Swinburne, acredita ainda que este trabalho terá grandes implicações na compreensão dos mecanismos pelos quais as proteínas amilóides se misturem e agregam em doenças neurodegenerativas, levando eventualmente à identificação de novas rotas potenciais para o diagnóstico precoce e tratamento de essas condições socioeconômicas devastadoras.

A forma mais estável de proteína
Na verdade, uma vez que eles se formaram, os cristais provavelmente serão a forma mais estável possível de uma proteína. Isto é devido ao fato de eles terem um nível muito baixo de energia interna. Em termos de paisagem energética, os cristais amilóides situam-se no vale mais profundo quando comparados a outras formas de proteínas - mesmo menores do que as fibrilas amilóides, que antes se pensava serem a forma de proteína mais baixa e mais estável.

Os pesquisadores determinaram estatisticamente e experimentalmente que a energia é liberada quando uma fibrila amilóide se transforma em um cristal amilóide. "Nossa descoberta significa que o panorama energético da dobradura de proteínas agora deve ser revisado", diz Mezzenga.

Raramente encontrado na natureza
No entanto, a situação é paradoxal da perspectiva da física estatística, Mezzenga continua: "Se o cristal amilóide representa o estado de energia mais baixo possível de uma proteína, então a maioria das proteínas teria que se mudar para essa estrutura mais cedo ou mais tarde". Isto é devido a um princípio bem estabelecido de termodinâmica estatística que afirma que em um sistema com muitos graus de liberdade, o estado da energia mais baixa é o mais provável e, portanto, mais freqüentemente observado. O mesmo deve ser válido para as proteínas, e é por isso que é surpreendente que os cristais amilóides nunca tenham sido encontrados em sistemas naturais como células, diz Mezzenga.

Mezzenga vê a explicação para isso no fato de que as células contêm proteínas especiais (chaperones) que ajudam as proteínas a dobrar corretamente. Este é um processo intensivo em energia. No tubo de ensaio, no entanto, onde os pesquisadores conseguiram produzir cristais amilóides diretamente de precursores de fibrilas amilóides, essas enzimas não estavam presentes. "O desdobramento de proteínas nos sistemas vivos é, afinal, muito mais complexo do que no tubo de ensaio", diz Mezzenga.

Os comportamentos fundamentais das fibrilas amilóides ainda não são inteiramente compreendidos e são algo controversos. Mezzenga espera que seu trabalho ajude a melhorar a compreensão de como as proteínas com tendência a formar amilóides se comportam e qual é a evolução natural das conformações de proteínas dobradas em geral. Original em inglês, tradução Google, revisão Hugo. Fonte: Science Codex.