Cientistas descobrem “ventos” ocultos dentro das células que podem explicar a propagação do câncer
Pesquisadores da Oregon Health & Science University identificaram um sistema até então desconhecido dentro das células que atua como “ventos alísios” internos, transportando rapidamente proteínas importantes para a borda frontal da célula. Esta descoberta muda a forma como os cientistas entendem o movimento celular, a propagação do câncer e a cicatrização de feridas.
O estudo, publicado em Comunicações da Naturezadesafia ideias antigas sobre como as células organizam e entregam proteínas a locais específicos.
Durante muitos anos, os livros didáticos de biologia descreveram o movimento das proteínas dentro das células como um processo amplamente aleatório chamado difusão. Neste modelo, as proteínas flutuam até chegarem onde são necessárias. A nova pesquisa mostra que as células não dependem apenas do acaso. Em vez disso, geram fluxos de fluidos direcionados que empurram ativamente as proteínas em direção à borda principal, onde as células se estendem, movem e reparam os tecidos.
Da observação da sala de aula à grande descoberta
A descoberta remonta a um momento inesperado durante um curso de neurobiologia no Laboratório Biológico Marinho em Massachusetts. Os co-autores correspondentes do estudo, Catherine (Cathy) Galbraith, Ph.D., e James (Jim) Galbraith, Ph.D., estavam realizando um experimento padrão em sala de aula quando notaram algo incomum.
“Na verdade, tudo começou como uma descoberta inesperada”, disse Cathy. “Estávamos apenas conduzindo um experimento com alunos em sala de aula.”
Usando um laser, a equipe tornou temporariamente as proteínas invisíveis em uma faixa na parte de trás de uma célula viva para rastrear como elas se moviam. Este é um método comum para estudar o transporte intracelular. Durante o experimento, eles viram uma faixa escura adicional aparecer na borda frontal da célula, a área que se estende à medida que a célula se move.
“Fizemos isso por diversão e então percebemos que isso nos dava uma maneira de medir algo que não era possível medir antes”, disse ela.
Investigações adicionais mostraram que esta faixa escura representava uma onda de actina solúvel, uma proteína chave envolvida no movimento celular, sendo rapidamente empurrada para frente. Anteriormente, os cientistas acreditavam que a actina atingia esta região principalmente por difusão aleatória. Os novos resultados revelaram um mecanismo diferente.
“Percebemos que faltava uma peça enorme nos modelos de desenhos animados dos livros didáticos”, disse Jim. “Tinha que haver algum tipo de fluxo na célula empurrando as coisas para frente. As células realmente ‘seguem o fluxo’.”
Fluxos direcionados impulsionam o transporte de proteínas
Cathy e Jim ingressaram na OHSU em 2013, depois de trabalhar no National Institutes of Health, onde colaboraram com o ganhador do Nobel Eric Betzig, Ph.D., no Janelia Research Campus do Howard Hughes Medical Institute em técnicas avançadas de imagem.
Com ferramentas de imagem especializadas, a equipe descobriu que as células geram ativamente fluxos de fluidos direcionais, que comparam aos rios atmosféricos. Esses fluxos movem a actina e outras proteínas em direção à frente da célula muito mais rápido do que apenas a difusão.
“Descobrimos que a célula pode realmente se comprimir na parte de trás e direcionar o material para onde envia esse material”, disse Jim. “Se você espremer metade de uma esponja, a água só vai para essa metade. É basicamente isso que a célula está fazendo.”
Esses fluxos são inespecíficos, o que significa que podem transportar muitos tipos de proteínas ao mesmo tempo. Isso cria um sistema altamente eficiente que suporta protrusão celular, adesão e rápidas mudanças de forma. Todos esses processos são essenciais para o movimento, respostas imunológicas e reparo tecidual.
Os pesquisadores também descobriram que esses fluxos ocorrem dentro de uma região especializada na parte frontal da célula. Esta área é separada do resto da célula por uma barreira condensada de actina-miosina, que atua como um limite físico e direciona as proteínas para a borda de avanço.
Visualizando Correntes Celulares com Novas Imagens
Para observar esses fluxos internos, a equipe desenvolveu uma versão modificada de um método de fluorescência padrão. Em vez de remover a fluorescência com um laser, eles ativaram moléculas fluorescentes em um único ponto e rastrearam seu movimento.
Eles chamaram um de seus principais experimentos de FLOP, ou Fluorescência Saindo do Ponto Original.
“Não foi um fracasso”, disse Cathy. “Foi o contrário. Foi tudo menos um fracasso, porque funcionou.” A descoberta da equipe pode ajudar a explicar por que certas células cancerígenas se movem de forma tão agressiva.
Implicações para a migração de células cancerígenas
As descobertas podem ajudar a explicar por que algumas células cancerígenas são altamente invasivas.
“Sabemos que essas células altamente invasivas têm um mecanismo muito legal para empurrar proteínas muito rápido, muito rapidamente para onde precisam delas na frente da célula”, disse Jim. “Todas as células têm basicamente os mesmos componentes internos, assim como um Porsche e um Volkswagen têm muitas das mesmas peças, mas quando essas peças são montadas na máquina final, elas se comportam e funcionam de maneira muito diferente.”
Ao compreender como as células cancerosas utilizam este sistema de forma diferente das células normais, os cientistas poderão desenvolver novas estratégias para retardar ou impedir a sua propagação.
“Se você conseguir entender as diferenças, poderá direcionar terapias futuras com base em como as células cancerígenas e as células normais funcionam de maneira diferente”, disse ele.
Imagem Avançada e Colaboração
A pesquisa reuniu especialistas em engenharia, física, microscopia e biologia celular. As principais contribuições vieram de colaboradores do Janelia Research Campus, na Virgínia, incluindo especialistas em espectroscopia de correlação de fluorescência e imagens 3D de super-resolução.
“A instrumentação de que precisávamos não existe na maioria dos lugares”, disse Cathy. “Janelia tinha uma configuração única que nos permitiu testar e confirmar o que estávamos vendo.”
O estudo baseou-se fortemente em ferramentas avançadas de imagem desenvolvidas em Janelia, incluindo iPALM, uma técnica interferométrica capaz de resolver estruturas em escala nanométrica.
“O iPALM nos permitiu ver fisicamente os compartimentos”, disse Jim. “Não há outra técnica baseada em luz que possa fazer isso.”
Uma “pseudo-organela” recentemente identificada
Os investigadores descrevem este sistema como uma “pseudo-organela”, um compartimento funcional que não é envolvido por uma membrana, mas que ainda desempenha um papel importante na organização do comportamento celular.
“Assim como pequenas mudanças na corrente de jato podem mudar o clima, pequenas mudanças nesses ventos celulares podem mudar a forma como as doenças começam ou progridem”, disse Cathy.
A equipa acredita que esta descoberta pode influenciar vários campos, incluindo a investigação do cancro, a administração de medicamentos, a reparação de tecidos e a biologia sintética.
“Tudo o que você precisava fazer era olhar”, disse Cathy. “Os fluxos estavam lá o tempo todo. Agora sabemos como as células os utilizam.”
Além dos Galbraiths, os co-autores deste estudo são Brian English, Ph.D., do Janelia Research Campus, e Ulrike Boehm, Ph.D., anteriormente na Janelia e agora na Carl Zeiss AG da Alemanha.
Este estudo foi apoiado pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais, dos Institutos Nacionais de Saúde, sob o prêmio número R01GM117188, US National Science Foundation, sob os números de prêmio 2345411 e 171636, a Fundação WM Keck, o Howard Hughes Medical Institute Janelia Visiting Scientist Program e o Howard Hughes Medical Institute. O trabalho do iPALM foi parcialmente apoiado por um prêmio do Advanced Imaging Center de Janelia. A imagem do SIM foi parcialmente apoiada por uma bolsa do Core Research Facilities da OHSU School of Medicine.
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