PHYS, 02/01/2023
À medida que as células desempenham suas funções cotidianas, elas ativam uma variedade de genes e vias celulares. Os engenheiros do MIT agora persuadiram as células a inscrever a história desses eventos em uma longa cadeia de proteínas que pode ser visualizada usando um microscópio de luz.
Células programadas para produzir essas cadeias adicionam continuamente blocos de construção que codificam eventos celulares específicos. Mais tarde, as cadeias de proteínas ordenadas podem ser marcadas com moléculas fluorescentes e lidas ao microscópio, permitindo aos pesquisadores reconstruir o tempo dos eventos.
Essa técnica pode ajudar a esclarecer as etapas subjacentes a processos como a formação da memória, a resposta ao tratamento medicamentoso e a expressão gênica.
"Há muitas mudanças que acontecem na escala do órgão ou do corpo, ao longo de horas a semanas, que não podem ser rastreadas ao longo do tempo", diz Edward Boyden, professor de neurotecnologia da Y. Eva Tan, professor de engenharia biológica e cérebro e cognitiva. ciências no MIT, pesquisador do Howard Hughes Medical Institute e membro do McGovern Institute for Brain Research e do Koch Institute for Integrative Cancer Research.
Se a técnica puder ser estendida para funcionar por períodos de tempo mais longos, ela também poderá ser usada para estudar processos como envelhecimento e progressão de doenças, dizem os pesquisadores.
Boyden é o autor sênior do estudo, publicado hoje na Nature Biotechnology. Changyang Linghu, um ex-bolsista de pós-doutorado da J. Douglas Tan no Instituto McGovern, que agora é professor assistente na Universidade de Michigan, é o principal autor do artigo.
Histórico celular
Os sistemas biológicos, como os órgãos, contêm muitos tipos diferentes de células, todas com funções distintas. Uma maneira de estudar essas funções é a imagem de proteínas, RNA ou outras moléculas dentro das células, que fornecem dicas sobre o que as células estão fazendo. No entanto, a maioria dos métodos para fazer isso oferece apenas um vislumbre de um único momento no tempo ou não funciona bem com populações muito grandes de células.
"Os sistemas biológicos são muitas vezes compostos por um grande número de diferentes tipos de células. Por exemplo, o cérebro humano tem 86 bilhões de células", diz Linghu. “Para entender esses tipos de sistemas biológicos, precisamos observar eventos fisiológicos ao longo do tempo nessas grandes populações de células”.
Para conseguir isso, a equipe de pesquisa teve a ideia de registrar eventos celulares como uma série de subunidades de proteínas que são continuamente adicionadas a uma cadeia. Para criar suas cadeias, os pesquisadores usaram subunidades de proteínas modificadas, normalmente não encontradas em células vivas, que podem se auto-organizar em longos filamentos.
Os pesquisadores projetaram um sistema codificado geneticamente no qual uma dessas subunidades é continuamente produzida dentro das células, enquanto a outra é gerada apenas quando ocorre um evento específico. Cada subunidade também contém um peptídeo muito curto chamado epitope tag – neste caso, os pesquisadores escolheram tags chamados HA e V5. Cada uma dessas tags pode se ligar a um anticorpo fluorescente diferente, facilitando a visualização das tags posteriormente e a determinação da sequência das subunidades da proteína.
Para este estudo, os pesquisadores fizeram a produção da subunidade contendo V5 depender da ativação de um gene chamado c-fos, que está envolvido na codificação de novas memórias. As subunidades marcadas com HA compõem a maior parte da cadeia, mas sempre que a marca V5 aparece na cadeia, isso significa que c-fos foi ativado durante esse tempo.
"Esperamos usar esse tipo de automontagem de proteínas para registrar a atividade em cada célula", diz Linghu. “Não é apenas um instantâneo no tempo, mas também registra a história passada, assim como os anéis das árvores podem armazenar permanentemente informações ao longo do tempo à medida que a madeira cresce”.
Gravando eventos
Neste estudo, os pesquisadores primeiro usaram seu sistema para registrar a ativação de c-fos em neurônios crescendo em uma placa de laboratório. O gene c-fos foi ativado pela ativação quimicamente induzida dos neurônios, o que fez com que a subunidade V5 fosse adicionada à cadeia de proteínas.
Para explorar se essa abordagem poderia funcionar no cérebro dos animais, os pesquisadores programaram células cerebrais de camundongos para gerar cadeias de proteínas que revelariam quando os animais fossem expostos a uma determinada droga. Mais tarde, os pesquisadores conseguiram detectar essa exposição preservando o tecido e analisando-o com um microscópio de luz.
Os pesquisadores projetaram seu sistema para ser modular, de modo que diferentes marcadores de epítopos possam ser trocados ou diferentes tipos de eventos celulares possam ser detectados, incluindo, em princípio, a divisão celular ou a ativação de enzimas chamadas proteínas quinases, que ajudam a controlar muitas vias celulares. .
Os pesquisadores também esperam estender o período de gravação que podem alcançar. Neste estudo, eles registraram eventos por vários dias antes de gerar imagens do tecido. Há uma compensação entre a quantidade de tempo que pode ser registrada e a resolução de tempo, ou frequência de registro de eventos, porque o comprimento da cadeia de proteína é limitado pelo tamanho da célula.
"A quantidade total de informações que ele pode armazenar é fixa, mas em princípio poderíamos diminuir ou aumentar a velocidade de crescimento da cadeia", diz Linghu. "Se quisermos gravar por mais tempo, podemos desacelerar a síntese para que atinja o tamanho da célula interna, digamos duas semanas. Dessa forma, poderíamos gravar mais, mas com menos resolução de tempo."
Os pesquisadores também estão trabalhando na engenharia do sistema para que ele possa registrar vários tipos de eventos na mesma cadeia, aumentando o número de diferentes subunidades que podem ser incorporadas.
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Fonte:https://phys.org/news/2022-12-self-assembling-proteins-cellular-memories.html
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