Wi-Fi Para Neurônios: Primeiro Mapa De Sinais Nervosos Sem Fio Revelado Em Vermes

21.Novembro.2023

Estudos encontram uma rede densamente conectada de neurônios que se comunicam por longas distâncias, em vez de através de sinapses.

O verme Caenorhabditis elegans tem 302 neurônios (verdes) que os pesquisadores podem estudar usando ferramentas como marcadores fluorescentes.Crédito: Heiti Paves/Science Photo Library

A ideia de que o sistema nervoso transmite mensagens de uma célula nervosa para outra apenas através de sinapses – os pontos onde as células se ligam de ponta a ponta – está mudando. Dois estudos mostram como as mensagens podem passar entre células a distâncias maiores, através de uma rede nervosa “sem fios” no verme Caenorhabditis elegans.

Os investigadores não tinham apreciado a extensão desta comunicação sem fios, que acontece quando uma molécula chamada neuropéptido é liberada por um neurônio e interceptada por outro a alguma distância. Os novos estudos, publicados na Nature[1 ]e na Neuron[2], mapeiam pela primeira vez toda a rede de comunicação neuropeptídica num organismo modelo.

“Sabíamos que estas ligações químicas existiam, mas este é provavelmente o estudo mais abrangente num sistema nervoso completo”, diz Gáspár Jékely, neurocientista da Universidade de Heidelberg, na Alemanha, que não esteve envolvido no trabalho. E o que a investigação mostra, acrescenta, é que “nem tudo se resume às sinapses”.

▪️ Criadores de mapas

Os investigadores já tinham elaborado mapas de ligações anatómicas – conectomas – mostrando como todos os neurónios da mosca da fruta (Drosophila melanogaster) e do C elegans estão ligados pelas suas sinapses.

No entanto, William Schafer, neurocientista do Laboratório de Biologia Molecular MRC em Cambridge, Reino Unido, questionou-se sobre o papel dos neuropeptídeos, que eram considerados apenas auxiliares nas mensagens do sistema nervoso.

“Quando comecei a falar sobre isso”, diz ele, “algumas pessoas se perguntaram: ‘será tudo apenas uma espécie de sopa‘”, onde os neuropeptídeos flutuam aleatoriamente de um neurônio para o outro, “ou você pode realmente pensar nisso como uma rede?”

Ele e seus colegas analisaram quais neurônios do sistema nervoso C elegans expressavam genes para certos neuropeptídeos e quais expressavam genes para os receptores desses neuropeptídeos. Usando esses dados, a equipe previu quais pares de células nervosas poderiam estar se comunicando sem fio. Com base nesses resultados, os pesquisadores geraram um mapa potencial de conexões sem fio no verme, encontrando uma conectividade densa que parece muito diferente do diagrama de fiação anatômico do C elegans.

Eles publicaram suas descobertas na Neuron[2] na semana passada.

De forma independente, uma equipe liderada por Andrew Leifer, neurocientista da Universidade de Princeton, em Nova Jersey, estudou como os sinais viajam através do C elegans medindo a atividade neuronal, o que revelou a contribuição desta rede sem fio.

A equipe recorreu à optogenética, uma técnica que usa luz e proteínas sensíveis à luz para acionar as células nervosas para que enviem “mensagens” elétricas. Um por um, os pesquisadores ativaram cada um dos 302 neurônios do C elegans e então visualizaram como os sinais se propagavam de um neurônio para o outro.

Os pesquisadores usaram a optogenética para estimular cada um dos neurônios de C. elegans (mostrados aqui na mira) e depois observaram como o sinal elétrico se propaga para outras células nervosas (cintilação vermelha). Crédito: Francesco Randi, Universidade de Princeton

O mapa de atividade que criaram não seguiu o que teriam previsto para C elegans com base apenas no seu conectoma padrão – e eles suspeitaram que a comunicação neuropeptídica era a peça que faltava. Então eles produziram um verme geneticamente modificado que carecia de uma proteína crucial para esse tipo de sinalização, e viram que quando tentaram ativar as células do verme com optogenética, muitos deles permaneceram em silêncio.

Isto sugere que a comunicação sem fio no verme ativa diretamente os neurônios.

Quando os pesquisadores desenvolveram um modelo para descrever a atividade neuronal em C elegans, eles descobriram que aquele que incorporava conexões sinápticas com fio e sinalização sem fio previa melhor como os sinais viajavam no verme do que apenas as conexões sinápticas.

A equipe publicou seus resultados na revista Nature[1] no início deste mês e os apresentou na reunião da Sociedade de Neurociências em Washington DC, em 14 de novembro.

▪️ Uma visão totalmente nova

“Foi surpreendente ver o quanto a comunicação [dos neuropeptídeos] pode realmente levar à ativação direta dos neurônios”, diz Francesco Randi, primeiro autor do artigo da Nature, que realizou o trabalho enquanto estava em Princeton.

“A rede neuropeptídica foi considerada um auxiliar da sinalização sináptica”, diz Isabel Beets, neurocientista da Universidade Católica de Leuven, na Bélgica, e autora do estudo da Neuron.

“Mas a extensa escala deste mapa de sinalização mostra realmente que é igualmente importante, complexo e talvez ainda mais diversificado do que a rede de sinalização sináptica.”

Drogas como o popular tratamento para perda de peso semaglutida (Wegovy) podem ativar receptores de neuropeptídeos no corpo, portanto, compreender essa rede sem fio é importante, diz Schafer.

Os próximos passos para Schafer e os seus colegas serão realizar estudos semelhantes noutros organismos – com o objetivo de compreender como a rede neuropeptídica, em combinação com a rede sináptica “ligada”, contribui para o comportamento de um organismo.

Uma técnica publicada na Science[3] na semana passada que permite aos investigadores visualizar onde os neuropeptídeos se ligam aos seus receptores pode ajudar nesta busca.

Como os neuropeptídeos são conservados entre as espécies, alguns investigadores suspeitam que esta rede possa ser semelhante à de outros organismos, incluindo os humanos.

“Os dois artigos são belos exemplos de como aproveitar as vantagens de um organismo simples e bem estudado, com muitas ferramentas moleculares e genéticas, para começar a aprender lições que tenho 100% de certeza de que serão aplicadas a todos os animais”, diz Stephen Smith, neurocientista do Allen Institute em Seattle, Washington.

Os pesquisadores esperam que as descobertas estimulem outros a pensar de forma diferente sobre como surge a dinâmica neural.

“Acho que temos que nos afastar da visão do sistema nervoso apenas por sinapses”, diz Jékely. “Isso simplesmente não vai funcionar.”

[Ênfase adicionada]

Referências

[1] Randi, F., Sharma, A. K., Dvali, S. & Leifer, A. M. Nature 623, 406–414 (2023).

Article PubMed Google Scholar

[2] Ripoll-Sánchez, L. et al. Neuron 111, 3570–3589 (2023).

Article PubMed Google Scholar

[3] Wang, H. et al. Science 382, eabq8173 (2023).

Article PubMed Google Scholar

Como A Identidade Celular É Preservada Quando As Células Se Dividem

Por Massachusetts Institute of Technology | Science Daily

16.Novembro.2023

Estudo sugere que a dobragem 3D do genoma é fundamental para a CAPACIDADE das células de ARMAZENAR e TRANSMITIR ‘MEMÓRIAS‘ de quais genes elas DEVEM expressar

Cada célula do corpo humano contém as mesmas INSTRUÇÕES genéticas, CODIFICADAS no seu DNA. No entanto, de cerca de 30.000 genes, cada célula expressa apenas os genes NECESSÁRIOS PARA se tornar uma célula nervosa, uma célula imunológica ou qualquer uma das outras centenas de tipos de células do corpo.

O DESTINO de cada célula é em grande parte determinado por modificações químicas nas proteínas que DECORAM o seu DNA; essas modificações, por sua vez, CONTROLAM quais genes são ATIVADOS ou DESATIVADOS.

No entanto, quando as células copiam o seu DNA para se dividirem, perdem metade destas modificações, deixando a questão: como é que as células MANTÊM a MEMÓRIA de que tipo de célula DEVERIAM ser?

Um novo estudo do MIT propõe um modelo teórico que ajuda a explicar COMO estas MEMÓRIAS são passadas de geração em geração quando as células se dividem.

A equipe de pesquisa sugere que dentro do núcleo de cada célula, o padrão de dobramento 3D do seu genoma determina quais partes do genoma serão marcadas por essas modificações químicas. Depois de uma célula COPIAR o seu DNA, as marcas são parcialmente perdidas, mas a dobragem 3D permite que cada célula filha RESTAURE facilmente as marcas químicas NECESSÁRIAS para MANTER a sua IDENTIDADE. E cada vez que uma célula se divide, marcas químicas permitem que uma célula restaure a dobragem 3D do seu genoma.

Desta forma, ao CONCILIAR a MEMÓRIA entre a dobragem 3D e as marcas, a MEMÓRIA pode ser PRESERVADA ao longo de centenas de divisões celulares.

“Um aspecto fundamental de como os tipos de células diferem é que diferentes genes SÃO ATIVADOS ou DESATIVADOS. É MUITO DIFÍCIL TRANSFORMAR um TIPO de célula em OUTRO porque esses estados estão MUITO COMPROMETIDOS“, diz Jeremy Owen PhD ’22, principal autor do estudo. “O que fizemos neste trabalho foi desenvolver um modelo simples que destaca características qualitativas dos SISTEMAS químicos dentro das células e COMO eles PRECISAM FUNCIONAR para tornar ESTÁVEIS as MEMÓRIAS de EXPRESSÃO genética.”

Leonid Mirny, professor do Instituto de Engenharia Médica e Ciência do MIT e do Departamento de Física, é o autor sênior do artigo, que aparece hoje na Science.
O ex-pós-doutorado do MIT Dino Osmanovi também é autor do estudo.

▪️ Mantendo a memória

Dentro do núcleo da célula, o DNA está enrolado em proteínas chamadas histonas, formando uma estrutura densamente compactada conhecida como cromatina.

As histonas podem apresentar uma variedade de modificações que ajudam a CONTROLAR QUAIS genes são EXPRESSOS em uma DETERMINADA célula. Essas modificações geram “MEMÓRIA epigenética”, que AJUDA a célula a MANTER seu TIPO celular.

No entanto, COMO essa MEMÓRIA é TRANSMITIDA às células-filhas é um MISTÉRIO.

Trabalhos anteriores do laboratório de Mirny mostraram que a estrutura 3D dos cromossomos dobrados é parcialmente determinada por essas modificações epigenéticas, ou marcas. Em particular, eles descobriram que certas regiões da cromatina, com marcas que DIZEM ÀS CÉLULAS PARA NÃO LEREM um determinado segmento de DNA, atraem-se umas às outras e formam aglomerados densos chamados heterocromatina, que são de DIFÍCIL ACESSO para a célula.

No seu novo estudo, Mirny e os seus colegas queriam responder à questão de como essas marcas epigenéticas são mantidas de geração em geração.

Eles desenvolveram um modelo computacional de um polímero com algumas regiões marcadas e viram que essas regiões marcadas colapsavam umas nas outras, formando um aglomerado denso. Depois estudaram como essas marcas são perdidas e ganhas.

Quando uma célula copia seu DNA para dividi-lo entre duas células-filhas, cada cópia recebe cerca de metade das marcas epigenéticas. A célula PRECISA então RESTAURAR as marcas PERDIDAS ANTES que o DNA seja passado para as células filhas, e a forma como os cromossomos foram dobrados serve como um modelo para onde essas marcas restantes DEVEM ir.

Essas modificações são adicionadas por enzimas ESPECIALIZADAS conhecidas como enzimas “LEITOR-ESCRITOR”. Cada uma dessas enzimas é específica para uma determinada marca e, uma vez que “LÊEM” as marcas existentes, elas “ESCREVEM” marcas adicionais em locais próximos. Se a cromatina já estiver dobrada em formato 3D, as marcas se acumularão em regiões que já tiveram modificações herdadas da célula-mãe.

“Existem várias linhas de evidência que sugerem que a propagação pode acontecer em 3D, ou seja, se houver duas partes próximas uma da outra no espaço, mesmo que não sejam adjacentes ao longo do DNA, então a propagação pode acontecer de uma para outra”, diz Owen. “É assim que a estrutura 3D pode influenciar a propagação dessas marcas”.

Este processo é análogo à propagação de doenças infecciosas, pois quanto mais contatos uma região da cromatina tiver com outras regiões, maior será a probabilidade de ela ser modificada, assim como um indivíduo suscetível a uma determinada doença terá maior probabilidade de ser infectado à medida que o número de contatos aumenta. Nesta analogia, regiões densas de heterocromatina são como cidades onde as pessoas têm muitas interacções sociais, enquanto o resto do genoma é comparável a áreas rurais escassamente povoadas.

“Isso significa essencialmente que as marcas estarão por toda parte na região densa e serão muito esparsas em qualquer lugar fora dela”, diz Mirny.

O novo modelo sugere possíveis paralelos entre memórias epigenéticas armazenadas num polímero dobrado e memórias armazenadas numa rede neural, acrescenta. Os padrões de marcas podem ser considerados análogos aos padrões de conexões formadas entre neurônios que disparam juntos em uma rede neural.

“Em termos gerais, isto sugere que, semelhante à forma como as redes neurais são capazes de PROCESSAR INFORMAÇÕES MUITO COMPLEXAS, o MECANISMO de MEMÓRIA epigenética que descrevemos pode ser capaz de PROCESSAR INFORMAÇÕES, e não apenas ARMAZENÁ-LAS”, diz ele.

▪️ Erosão epigenética

Embora este modelo parecesse oferecer uma boa explicação sobre como a memória epigenética pode ser mantida, os investigadores descobriram que, eventualmente, a ATIVIDADE da enzima LEITOR-ESCRITOR levaria a que todo o genoma fosse coberto por modificações epigenéticas. Quando alteraram o modelo para tornar a enzima mais fraca, ela não cobriu o suficiente do genoma e as memórias foram perdidas em algumas gerações de células.

Para que o modelo considere com maior precisão a preservação das marcas epigenéticas, os investigadores ACRESCENTARAM OUTRO ELEMENTO: LIMITAR a QUANTIDADE de enzima LEITOR-ESCRITOR disponível.

Eles descobriram que se a quantidade de enzima fosse mantida entre 0,1 e 1% do número de histonas (uma porcentagem baseada em estimativas da abundância real dessas enzimas), suas células modelo PODERIAM MANTER COM PRECISÃO sua MEMÓRIA epigenética por até centenas de gerações, dependendo da complexidade do padrão epigenético.

Já se sabe que as células começam a PERDER a sua MEMÓRIA epigenética à medida que ENVELHECEM, e os investigadores planeiam agora estudar se o processo descrito neste artigo pode desempenhar um papel na erosão epigenética e na perda da identidade celular. Eles também planejam modelar uma doença chamada progéria, na qual as células apresentam uma MUTAÇÃO GENÉTICA que LEVA à PERDA de heterocromatina. Pessoas com esta DOENÇA apresentam envelhecimento acelerado.

“A ligação mecanicista entre estas MUTAÇÕES e as mudanças epigenéticas que eventualmente acontecem não é bem compreendida”, diz Owen.

“Seria ótimo usar um modelo como o nosso, onde existem marcas dinâmicas, juntamente com a dinâmica do polímero, para tentar explicar isso”.

Os investigadores também esperam trabalhar com colaboradores para testar experimentalmente algumas das previsões do seu modelo, o que poderia ser feito alterando o nível das enzimas LEITOR-ESCRITOR NAS CÉLULAS VIVAS e medindo o EFEITO na MEMÓRIA epigenética.

A pesquisa foi financiada pelo Instituto Nacional de Pesquisa do Genoma Humano, pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais e pela Fundação Nacional de Ciência.

[Ênfase adicionada]

Referência do periódico: Jeremy A. Owen, Dino Osmanović, Leonid Mirny. Design principles of 3D epigenetic memory systems. Science, 2023; 382 (6672) DOI: 10.1126/science.adg3053

Andaimes De Rede Flexíveis BIOINSPIRADOS Para Regeneração De Tecidos Moles

Por Thamarasee Jeewandara | Medical Xpress

04.Outubro.2023

Conceito de design inverso e técnicas de fabricação de estruturas de rede flexíveis para regeneração de tecidos moles. Ilustração esquemática de andaimes de conduíte eletrofiado (A) e andaimes de rede flexível (B) implantados nos nervos ciáticos defeituosos e nos tendões de Aquiles. (C) Uma configuração representativa de SNM retangular (células unitárias 3 × 4) e o detalhe geométrico de um feixe curvo. (D) Curva de tensão-deformação normalizada representativa do músculo gastrocnêmio de rato e o módulo tangente correspondente versus tensão. (E) Gráfico de contorno do parâmetro fenomenológico c em relação aos principais parâmetros geométricos da microestrutura curva. Os parâmetros geométricos utilizados nos andaimes de rede flexível para nervo ciático, tendão de Aquiles e músculo gastrocnêmio são marcados por círculos no gráfico. (F) Comparações de curvas de tensão normalizadas entre o tecido biológico alvo, FEA do projeto de rede inicial e o otimizado. (G) Processo de fabricação de andaime de rede flexível, (i) exposição; (ii) desenvolvimento; (iii) deposição química de vapor; (iv) fundição de solução PCL; (v) desmoldagem e ondulação; e (vi) eletrofiação. (H) Imagens ópticas de andaime de rede flexível (para nervos ciáticos) antes e depois da eletrofiação do filme ultrafino nanofibroso PCL. (I) Imagem SEM para uma conexão central em um andaime de rede flexível sem filme PCL (i) [região de caixa azul em (H)] e vistas ampliadas da conexão (ii). (J) Imagem SEM para um segmento de microestrutura curva com filme PCL [região ciano-box em (H)]. (K) Configurações iniciais e deformadas do andaime de rede tubular para nervo ciático obtido da FEA (i). A direita apresenta curvas tensão-deformação de redes planares e tubulares obtidas a partir de FEA, estrutura de rede planar fabricada com e sem filme PCL ultrafino, andaime de conduíte eletrofiado e nervo ciático real (ii). (L) Resultados semelhantes para o projeto de andaime de rede para reproduzir curvas tensão-deformação do tendão de Aquiles. Barras de escala, 800 μm (H) e 100 μm (I e J). Crédito da foto: SC, Universidade Tsinghua. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.adi8606

Durante a implantação de andaime sintético em um ambiente clínico, a incompatibilidade mecânica enxerto-hospedeiro é um problema de longa data para a regeneração de tecidos moles. Embora os bioengenheiros tenham denotado numerosos esforços para resolver este desafio, o desempenho regenerativo dos andaimes sintéticos pode ser limitado por condições lentas de crescimento tecidual quando comparado aos autoenxertos, juntamente com defeitos mecânicos.

Em um novo relatório na Science Advances, Shunze Cao e uma equipe de cientistas em engenharia, mecânica e cirurgia ortopédica da Universidade de Tsinghua, na China, desenvolveram uma classe de andaimes de rede flexíveis para projetar com precisão respostas mecânicas não lineares.

As estruturas teciduais resultantes aumentaram a regeneração tecidual através da redução da incompatibilidade mecânica enxerto-hospedeiro.

Eles incluíram uma estrutura de rede tubular com uma estrutura de rede flexível, com microestruturas curvas para construir as propriedades mecânicas desejadas e oferecer um microambiente adequado para o crescimento celular. Os cientistas usaram modelos de ratos com defeitos do nervo ciático ou lesões no tendão de Aquiles para mostrar o desempenho regenerativo SUPERIOR que EXCEDEU os andaimes de conduítes eletrofiados clinicamente aprovados.

Andaimes de tecido de bioengenharia adequados para tradução pré-clínica

Lesões de tecido mole do nervo e vasos sanguíneos, tendões, ligamentos e cartilagens representam um problema de saúde em todo o mundo.

Clinicamente, autoenxertos e aloenxertos são planos cirúrgicos clínicos comumente adotados que estão em uso clínico para tratar defeitos de nervos periféricos, enquanto enfrentam limitações NOTÁVEIS, como fontes limitadas e questões éticas.

Andaimes artificiais para regeneração de tecidos moles podem facilmente contornar esses limites para obter resultados promissores de regeneração. No entanto, o potencial de tradução dos andaimes biocompatíveis continua a ser um desafio para a regeneração tecidual devido à incompatibilidade mecânica entre a elevada rigidez dos andaimes artificiais e os tecidos receptores.

O biólogo Lecuit afirmou que “onde a forma está em jogo, as forças funcionarão em cada instância”.

Neste trabalho, Cao e colegas introduziram um método de DESIGN RACIONAL para uma classe de andaimes de rede BIOMIMÉTICOS e flexíveis PARA replicar RESPOSTAS MECÂNICAS não lineares dos tecidos e ORIENTAR a regeneração tecidual através de maior biocompatibilidade do enxerto e do hospedeiro.

Os pesquisadores desenvolveram uma rede flexível e implantaram a estrutura em experimentos com animais com modelos de defeito do nervo ciático de ratos e do tendão de Aquiles para obter resultados promissores para reparo de tecidos moles na clínica.

Caracterizações de andaimes de rede flexíveis e andaimes de conduítes eletrofiados sob estiramento axial, flambagem e compressão lateral. Respostas de tração uniaxiais cíclicas e configuração deformada obtidas a partir de FEA de (A) andaime de rede flexível e (B) andaime de conduíte. (C) Configurações deformadas do andaime de rede flexível (i) e do andaime de conduíte eletrofiado (ii) após flambagem por compressão (10 ciclos), com a cor denotando a distribuição de deformação plástica. (D) Razões de torção calculadas (ou seja, diminuição normalizada do diâmetro interno na região de torção) do andaime de rede flexível (para nervo ciático) e andaime de conduíte eletrofiado sob compressões axiais cíclicas. (E) Respostas compressivas laterais do andaime de rede flexível (i) e imagens ópticas de configurações iniciais e deformadas (ii). (F) Respostas compressivas laterais do andaime de conduíte eletrofiado (i) e imagens ópticas de configurações iniciais e deformadas (ii). (G) Respostas compressivas laterais do andaime treliçado (i) e imagens ópticas de configurações iniciais e deformadas (ii). Barras de escala, 2 mm [(C), (E), (F) e (G)]. Crédito da foto: SC, Universidade Tsinghua. Crédito da foto: SC, Universidade Tsinghua. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.adi8606

Projetos de engenharia racional para criar andaimes de rede flexíveis

O andaime de rede flexível continha uma estrutura tubular de rede macia e um filme nanofibroso ultrafino desenvolvido na superfície externa da rede tubular. Eles introduziram um PROJETO DE ENGENHARIA INVERSA desenvolvido em um modelo de materiais de rede flexível com microestruturas curvilíneas.

Eles então PROJETARAM os andaimes de rede flexíveis combinando litografia, deposição química de vapor e eletrofiação para completar o desenvolvimento de um andaime de rede bicamada. Usando as CONSTRUÇÕES, eles estudaram o desenvolvimento de microestruturas curvas para regeneração de tecidos moles. Em seguida, usando análise de elementos finitos e experimentos em laboratório, a equipe testou as respostas mecânicas dos andaimes de rede flexíveis.

Comportamento mecânico dos andaimes de rede flexíveis

A incompatibilidade mecânica entre o tecido receptor e os andaimes do conduíte eletrofiado pode resultar em regeneração ineficaz, devido à tensão de tração na sutura. Para avaliar esse efeito, eles conduziram respostas de tração uniaxiais de andaimes de rede flexíveis em comparação com andaimes de conduítes eletrofiados.

O andaime de rede flexível apresentou risco MUITO MENOR de arrancamento da sutura do que o andaime de conduíte eletrofiado devido à tensão de tração muito menor. Os andaimes de rede mostraram EXCELENTE flexibilidade e capacidade de reter a patência do conduto luminal, SEM falhas mecânicas durante os experimentos de regeneração.

Resultados de regeneração dos tendões de Aquiles. (A) Ilustração esquemática do desenho do experimento animal no modelo de defeito do tendão de Aquiles de rato. (B) coloração H&E (i) e coloração Masson (ii) de tendões regenerados em andaime de conduíte eletrofiado e andaime de rede flexível às 4 e 8 semanas de pós-operatório. (iii) Densidade de células em fibras de tendão regeneradas obtidas a partir de coloração H&E usando ImageJ (valor médio ± DP). (iv e v) Diagramas de rosa dos ângulos da fibra regenerada em relação à linha horizontal usando ImageJ. (C) coloração PSR do tendão saudável (i) e tendões regenerados em andaime de rede flexível (ii), bem como andaime de conduíte eletrofiado (iii). (D) Imagens de andaime de rede flexível implantado (i) e andaime de conduíte eletrofiado (ii). (E) (i) Pegadas representativas de ratos implantados com andaime de rede flexível e andaime de conduíte eletrofiado em 2, 4, 6 e 8 semanas de pós-operatório. (ii) Análises do índice funcional de Aquiles (AFI) de ratos implantados com estrutura de rede flexível e estrutura de conduíte eletrofiado. Zero AFI indica normal e valores negativos indicam comprometimento funcional. (F) (i e ii) Coloração de Masson do músculo gastrocnêmio no grupo tratado cirurgicamente, onde a área vermelha é a fibra muscular. (iii) Área média das fibras musculares no andaime de conduíte eletrofiado e no andaime de rede flexível (a coluna mostra o valor médio ± DP). (G) Respostas de tração uniaxiais do tecido nervoso saudável e dos tendões de Aquiles regenerados com base no andaime de conduíte eletrofiado, bem como no andaime de rede flexível. Barras de escala, 100 μm (B), 100 μm (C), 1 cm (D) e 300 μm (F). *P < 0,05, ***P < 0,001, n.s., não significativo. Crédito da foto: Y.W., o Quarto Centro Médico do Hospital Geral Chinês do PLA. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.adi8606

Validando o desempenho regenerativo dos andaimes de tecido

A equipe de estudo validou o desempenho regenerativo da estrutura flexível conduzindo experimentos utilizando modelos de ratos com longos defeitos nos nervos ciáticos.

Além dos andaimes de rede flexíveis, a equipe testou andaimes de conduítes eletrofiados e andaimes de treliça com microestruturas retas e enxertos de nervos autólogos.

Os experimentos incluíram análises histológicas, biomecânicas ou funcionais. A regeneração nervosa também acompanhou a regeneração dos vasos sanguíneos para melhorar o desempenho regenerativo das estruturas de rede flexíveis em comparação com as estruturas de conduíte eletrofiadas.

Os andaimes de rede flexíveis mostraram EXTENSAS aplicações durante a regeneração de tecidos moles em um modelo de defeito no tendão de Aquiles de rato com rede flexível e andaimes de conduítes eletrofiados. Enquanto as fibras regeneradas passavam por um processo de remodelação com a estrutura de rede flexível, a maior parte do colágeno foi convertida do tipo III para o tipo I. Os cientistas estudaram a função dos tendões regenerados conduzindo análises quantitativas com CatWalk para representar vídeos de caminhada de ratos com defeitos no tendão de Aquiles reparado no pós-operatório em duas semanas

Panorama

Dessa forma, Shunze Cao e colegas implementaram um projeto racional de engenharia reversa e estruturas de rede flexíveis biomiméticas para aumentar a eficiência da regeneração de tecidos moles. Os recursos leves, altamente flexíveis e mecanicamente biomiméticos da estrutura de rede são atraentes para o tratamento clínico de lesões de tecidos moles.

A PLATAFORMA DE DESIGN forneceu uma ferramenta fundamental para estudar e compreender a relação entre microambientes mecânicos e respostas biológicas, juntamente com respostas biológicas de células e tecidos. A equipe conseguiu combinar investigações experimentais com análises de bioinformática para revelar mecanismos moleculares subjacentes aos efeitos pró-regeneração de estruturas de rede flexíveis biomiméticas.

[Ênfase adicionada]

Mais informações: Shunze Cao et al, Inversely engineered biomimetic flexible network scaffolds for soft tissue regeneration, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi8606

Sean V. Murphy et al, Opportunities and challenges of translational 3D bioprinting, Nature Biomedical Engineering (2019). DOI: 10.1038/s41551-019-0471-7

Célula Modelo Visualizada Como Uma Fábrica Compacta

Por David Coppedge | Evolution News

30 de maio de 2023, 16h43

No episódio 6 da série de vídeos de Michael Behe, Secrets of the Cell, o animador retratou pequenos operários humanos, robôs e máquinas trabalhando dentro de uma célula bacteriana magnetotática.

Os personagens dos desenhos animados são vistos gerenciando a produção de energia, carregando docas com empilhadeiras em miniatura, codificando software, empacotando os magnetossomos contendo ferro para entrega em correias transportadoras e fazendo todos os tipos de coisas com as quais podemos nos relacionar em nível humano. Células reais, embora operem com muitos dos mesmos requisitos funcionais, são moles.

Elas não se parecem com a animação. Como podemos visualizar as entranhas de uma célula de uma forma que relacione a aparência real com as operações de fábrica que acontecem?

Capturar todas as partes internas de uma célula em suas relações complexas deu muito trabalho, mas alguns pesquisadores estabeleceram um novo patamar para imagens biofísicas. O Allen Institute em Seattle divulgou notícias em 1º de abril que descrevem seu trabalho visualizando o “espaço da forma” de uma célula típica. O cientista sênior Matheus Viana explica o pensamento:

“Sabemos que em biologia, forma e função estão inter-relacionadas, e entender a forma da célula é importante para entender como as células funcionam”, disse Viana.

“Criamos uma estrutura que nos permite medir a forma de uma célula e, no momento em que você faz isso, pode encontrar células com formas semelhantes e, para essas células, pode olhar para dentro e ver como tudo está organizado.” [Enfase adicionada.]

▪️ O Espaço da Forma é o Espaço da Função

A primeira tarefa do projeto foi fixar a forma exterior. Identificar a forma de células-tronco geneticamente modificadas saudáveis não foi fácil, porque elas são moles. Não há dois idênticos, mesmo quando cultivados nas mesmas condições.

As células-tronco no meio da amostra de tecido epitelial têm formas diferentes daquelas nas bordas.

Para complicar ainda mais a tarefa está o fato de que nem todas as células semelhantes executam as mesmas funções ao mesmo tempo.

Algumas podem estar em mitose quando observadas; isso afeta profundamente a forma da célula.

Os pesquisadores descobriram que a maioria de suas 215.081 células eram em forma de feijão ou pêra em vários graus. Medindo a “bean-ness” e “pera-ness” de milhares de células de acordo com 8 critérios de forma, eles chegaram a uma forma média.

Isso permitiu que eles estudassem as localizações de 25 organelas e outras partes internas que eles seguiram usando marcadores fluorescentes.

O resultado é a célula modelo rotativa mostrada no comunicado de imprensa. Tem uma semelhança distante com a fábrica compartimentada de Behe.

Observe suas próprias palavras revelando semelhanças:

Quando eles olharam para a posição das 25 estruturas destacadas, comparando essas estruturas em grupos de células com formas semelhantes, eles descobriram que todas as células se organizavam de maneiras notavelmente semelhantes.

Apesar das enormes variações na forma das células, sua organização interna era surpreendentemente consistente.

Se você está olhando como milhares de trabalhadores de colarinho branco organizam seus móveis em um prédio de escritórios alto, é como se cada trabalhador colocasse sua mesa bem no meio de seu escritório e seu arquivo precisamente no canto esquerdo, não importa o tamanho ou a forma do escritório.

Pode-se aplicar essa descrição à imagem da fábrica de células Behe.

O centro de controle, centro de importação e centro de entrega tendem a seguir uma organização interna previsível.

▪️ Visualizando Alterações Funcionais Durante a Mitose

O primeiro conjunto de dados da equipe do Allen Institute compreendia uma “grande população de linha de base de células em interfase”. Em seguida, eles estudaram as formas das células nas bordas externas dos tecidos epiteliais. Ambos os conjuntos de dados envolviam imagens estáticas. As coisas ficaram realmente interessantes quando eles adicionaram a 4ª ^dimensão: o tempo.

Sua maior conquista foi um modelo 3D incorporando observações de células em divisão – mapeando todas as 25 organelas e estruturas – durante cinco estágios da mitose. O resultado é uma “célula-tronco mitótica interativa” colorida e interativa que os biólogos acharão profundamente interessante para explorar em IMSC.AllenCell.org.

Eu recomendo fortemente que os leitores passem um pouco de tempo no site. Isso me lembra um projeto descrito no filme Metamorfose, da Illustra, em que o biólogo Richard Stringer fez uma série temporal de imagens de ressonância magnética de uma crisálida de borboleta, cortou-as em centenas de quadros e construiu um modelo 3D do que acontece durante a transformação de crisálida em borboleta. A Illustra codificou as estruturas com cores para que os espectadores pudessem assistir de qualquer ângulo enquanto as asas tomavam forma, o sistema digestivo era dramaticamente reorganizado e todos os novos órgãos para o adulto eram construídos.

Da mesma forma, na ferramenta de visualização Allen Cell, os espectadores podem observar o que acontece com cada organela durante a mitose. Esta é uma experiência muito mais rica do que a que os alunos têm na biologia do ensino médio, onde o foco geralmente está nos cromossomos. Agora, pode-se ver o que acontece com as mitocôndrias, o aparelho de Golgi, o nucléolo, o envelope nuclear, os lisossomos, as junções comunicantes, os filamentos de actina e tudo mais durante os cinco estágios mitóticos. Os espectadores podem girar e ampliar a célula, ligar e desligar as 25 organelas, reproduzir uma animação de rotação e observar as partes em diferentes graus de detalhe.

A equipe notou que algumas organelas permanecem relativamente estáveis durante a mitose, migrando para os nós apicais (lifonodos auxiliares), enquanto outras, como o envelope nuclear e o Golgi, sofrem mudanças dramáticas, essencialmente desintegrando-se e reorganizando-se em novas estruturas, como músicos de bandas marciais em uma formação “dispersa”. Os professores de biologia vão adorar esta ferramenta de visualização.

Para os defensores do DI, abre novas oportunidades para hipóteses baseadas em design: por exemplo, o que orquestra a sequência particular de mudanças de cada organela de uma célula para duas células e o que controla suas relações espaciais com outras organelas?

A equipe de Allen vê sua ferramenta de “espaço de forma” como um complemento para estudos baseados em proteínas.

Outras abordagens sistemáticas baseadas em imagens catalogaram a localização de proteínas humanas em vários tipos de células e usaram as localizações de proteínas e estruturas dentro das células para identificar diferenças nos padrões espaciais intracelulares entre as células em estados distintos. Nosso trabalho complementa essas abordagens com foco na análise da organização celular 3D no nível intermediário das estruturas celulares (em vez de proteínas individuais) e na geração de medições quantitativas de aspectos distintos da organização, o que permite comparações estatísticas e fornece uma visão mais sutil, definição sistemática da organização e reorganização celular.

Juntos, esses estudos trazem uma dimensão faltante crucial – isto é, o componente espaço-temporal – para a revolução unicelular.

O conjunto de dados de imagem completo e os algoritmos de análise apresentados aqui, bem como todos os reagentes, métodos e ferramentas necessários para gerá-los, são compartilhados de forma facilmente acessível (https://www.allencell.org/).

Esses dados estão disponíveis a todos para análises biológicas posteriores e como referência para o desenvolvimento de ferramentas e abordagens voltadas para uma compreensão holística do comportamento celular.

Tendo um modelo de uma célula saudável normal digitalizada em um computador, os profissionais médicos poderão identificar estados anormais mais cedo.

Assista ao vídeo livre de Darwin “Como você mede uma célula humana?” para testemunhar a emoção que sentiram quando sua célula modelo foi montada após sete anos de trabalho. E este é apenas o começo. O novo modelo era todo para um tipo de célula, mas um corpo humano tem muitos tipos diferentes de células atuando em múltiplas situações, sujeitas a diferentes patologias.

“Este estudo reúne tudo o que temos feito no Allen Institute for Cell Science desde que o instituto foi lançado”, disse Ru Gunawardane, Ph.D., diretor executivo do Allen Institute for Cell Science. “Construímos tudo isso do zero, incluindo as métricas para medir e comparar diferentes aspectos de como as células são organizadas.

O que me deixa realmente empolgado é como nós e outras pessoas da comunidade podemos agora desenvolver isso e fazer perguntas sobre biologia celular que nunca poderíamos fazer antes.”

A grande equipe de Viana publicou seus resultados em acesso aberto na Nature em 4 de janeiro.

As únicas coisas que “evoluíram” no artigo foram as próprias técnicas inteligentemente projetadas pelos cientistas para geração de imagens e realização de experimentos. Todo o resto estava em “linguagem de máquina”—

Compreender como um subconjunto de genes expressos dita o fenótipo celular é um desafio considerável devido ao grande número de moléculas envolvidas, sua combinatória e a infinidade de comportamentos celulares que determinam.

Aqui, reduzimos essa complexidade focando na organização celular — uma leitura chave e condutora do comportamento celular — no nível das principais estruturas celulares que representam organelas distintas e máquinas funcionais, e geramos o WTC-11 hiPSC Single-Cell Image Dataset v1, que contém mais de 200.000 células vivas em 3D, abrangendo 25 estruturas celulares importantes.

O esforço pioneiro da equipe de Allen para digitalizar uma célula-tronco normal 3D em mitose pode agora ser expandido por outras equipes que desejam investigar outros tipos de células – neurônios, células musculares, eritrócitos, células ósseas – em qualquer outro organismo, de micróbios a mamíferos.

Lembro-me de fotos de vários mamíferos embrionários no útero: uma girafa tomando forma, um elefante, um camundongo. Uma vez que a sequência básica da gestação foi visualizada para o ser humano, tornou-se fascinante procurar semelhanças e diferenças em outros mamíferos. Da mesma forma, o projeto de Allen visualizando uma “célula-tronco modelo” começa o que certamente levará a modelos adicionais para outros tipos de células.

Se, como os defensores do DI sabem por experiência, a complexidade especificada na biologia cresce em função do detalhe, o futuro parece promissor para a apologética do design. Leeuwenhoek teria ficado surpreso.

▪️ Anedota

Há notícias sobre bactérias magnetotáticas que o Dr. Behe discutiu em seu vídeo.

A Associação Helmholtz para Centros de Pesquisa Alemães relata (via Phys.org) que esses micróbios podem remover metais pesados, incluindo urânio, de águas residuais. “Devido à sua estrutura, eles estão positivamente predestinados para tal tarefa”, diz o artigo, observando que eles podem ser facilmente separados da água por meio de ímãs. citações notáveis:

Por apresentarem uma característica que as diferencia de outras bactérias, as bactérias magnetotáticas formam cristais magnéticos nanoscópicos dentro da célula. Eles são arranjados como uma fileira de contas e tão perfeitamente formados que os humanos atualmente seriam incapazes de reproduzi-los sinteticamente. Cada cristal magnético individual é incorporado em uma membrana protetora.

Juntos, os cristais e a membrana formam o chamado magnetossomo, que as bactérias usam para se alinhar com o campo magnético da Terra e se orientar em seu habitat. Também os torna adequados para processos de separação simples.

Bactérias magnetotáticas podem ser encontradas em quase todos os ambientes aquosos, desde água doce até água salgada, incluindo ambientes com muito poucos nutrientes. O microbiologista Dr. Christopher Lefèvre até as descobriu nas fontes termais de Nevada.

Decodificando Os Mecanismos Por Trás Da Montagem De Proteínas BAR Que Ditam A Curvatura Celular

Pelo Instituto Nara de Ciência e Tecnologia | Phys.Org

26.Abril.2023

As membranas celulares desempenham um papel crítico, servindo como unidades de contenção e separando o espaço celular interno do ambiente extracelular. Proteínas com unidades funcionais distintas desempenham um papel fundamental na facilitação das interações proteína-membrana.

Por exemplo, as proteínas do domínio Bin-Anfifisina-Rvs (BAR) estão envolvidas na regulação da curvatura da membrana celular. Essa dobra física das membranas celulares ajuda as células a realizar vários processos biologicamente importantes, como endocitose e motilidade celular.

Embora as proteínas BAR conduzam a curvatura da membrana reunindo-se em unidades oligoméricas altamente ordenadas, o mecanismo subjacente que regula esse fenômeno permanece amplamente desconhecido.

Agora, um estudo realizado por pesquisadores do Japão revelou o mecanismo que impulsiona a montagem oligomérica de uma proteína contendo o domínio BAR nas superfícies da membrana.

O estudo, publicado na revista Science Advances, foi liderado por Shiro Suetsugu, Wan Nurul Izzati Wan Mohamad Noor e Nhung Thi Hong Nguyen, do Instituto de Ciência e Tecnologia de Nara (NAIST).

Suetsugu diz: “O número relativamente pequeno de domínios BAR oligoméricos em túbulos de membrana estreita dificulta a análise de sua montagem. Portanto, usamos o monitoramento de transferência de energia de ressonância de fluorescência para analisar a montagem oligomérica da proteína GAS7 contendo F-BAR, porque a GAS7 oligomérica monta em maior do que as outras.“

Para elucidar o mecanismo envolvido na montagem de GAS7 em superfícies de membrana, os pesquisadores empregaram uma técnica chamada transferência de energia de ressonância de fluorescência (FRET). Neste método, os pesquisadores rotularam as unidades GAS7b com marcadores de proteínas fluorescentes para monitorar a magnitude e o tempo da montagem do GAS7.

A observação da emissão de fluorescência indicou que a montagem do GAS7 nas superfícies da membrana lipídica é um processo rápido e iniciado em segundos. Este processo foi reforçado pela presença de várias proteínas, incluindo a proteína da SÍNDROME de Wiskott-Aldrich (WASP)/N-WASP, WISH, Nck, a pequena GTPase Cdc42 ativada e um receptor fagocítico ancorado na membrana.

A montagem de GAS7 na membrana também foi examinada ao microscópio, usando vesículas de membrana gigantes. A proteína deve se ligar à membrana uniformemente se não oligomerizar, mas GAS7 claramente acumulada na parte da membrana, demonstra a montagem oligomérica pela presença dessas proteínas.

A equipe examinou ainda mais o papel da WASP na montagem do GAS7. WASP SOFRE MUTAÇÕES em pacientes com SÍNDROME de Wiskott-Aldrich, que está associada a vários DISTÚRBIOS IMUNOLÓGICOS. A este respeito, os pesquisadores viram que a montagem GAS7 regulada FOI ABOLIDA pelas MUTAÇÕES WASP tanto in vitro quanto durante a fagocitose (o engolfamento mediado por membrana celular de partículas grandes).

Este último, segundo os pesquisadores, foi surpreendente, porque a GAS7 é conhecida por estar envolvido na fagocitose. Portanto, as análises forneceram uma explicação para a fagocitose DEFEITUOSA observada em macrófagos de pacientes com SÍNDROME de Wiskott-Aldrich.

Em conclusão, WASP, Cdc42 e outras proteínas que comumente se ligam às proteínas da superfamília do domínio BAR promovem a montagem de GAS7 nas membranas lipídicas. Além disso, a montagem do domínio BAR nas superfícies da membrana serve como um “andaime” ou plataforma para a ligação de outras proteínas, o que facilita ainda mais a sinalização de proteínas abaixo da superfície.

Resumindo os resultados, Suetsugu conclui: “Como a proteína WASP comumente se liga à superfamília de proteínas BAR, é provável que o mecanismo de montagem observado aqui também funcione para outras proteínas BAR. Acreditamos que nosso estudo fornece informações inovadoras para estudos sobre a formação da forma celular e estudos condensados de proteínas“.

[Ênfase adicionada]

Mais informações: Wan Nurul Izzati Wan Mohamad Noor et al, Small GTPase Cdc42, WASP, and scaffold proteins for higher order assembly of the F-BAR domain protein, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf5143. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf5143

Estudo Mostra Que Os Genes São Lidos Mais Rápido E De Forma Mais Descuidada Na Velhice

Pela Universidade de Colônia | Phys.Org

12.04.2023

Efeitos moleculares e de vida útil da redução da velocidade de alongamento de Pol II em C. elegans e D. melanogaster. a, Diferenças das velocidades médias de alongamento Pol II entre mutantes Pol II e vermes de tipo selvagem (WT) (esquerda; 509 íntrons) e moscas (direita; 1.354 íntrons). As barras de erro mostram variação mediana ± 95% CI. Todas as mudanças médias das velocidades de alongamento Pol II são significativamente diferentes de zero (P < 0,001; teste de Wilcoxon pareado bilateral). Os círculos vazios indicam os resultados usando todos os íntrons que passam pelos critérios de filtro iniciais, enquanto os círculos sólidos mostram os resultados dos íntrons com efeitos consistentes nas replicações. A linha tracejada em 0 indica nenhuma alteração como auxílio visual. b, Curvas de sobrevivência de vermes com a mutação ama-1(m322) (esquerda; réplica 1) e moscas com o RpII215 C4mutação (à direita; curva de sobrevida média). n = 4 réplicas para vermes e 3 réplicas para moscas. Animais com Pol II lento têm uma expectativa de vida significativamente aumentada (+20% e +10% de aumento médio da expectativa de vida para C. elegans (n = 120; P < 0,001, teste de log-rank) e D. melanogaster (n = 220; P < 0,001, teste log-rank), respectivamente). Crédito: Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05922-y

Rápido, mas desleixado, é assim que a transcrição dos genes muda com a idade. Seis grupos de pesquisa do Cluster de Excelência em Respostas ao Estresse Celular em Doenças Associadas à Idade (CECAD) da Universidade de Colônia, do Instituto Max Planck de Biologia do Envelhecimento (MPI) de Colônia e da Universidade de Göttingen descobriram um novo mecanismo molecular que contribui para envelhecimento estudando o processo de transcrição em cinco organismos modelo diferentes e em uma ampla variedade de tecidos.

O envelhecimento PREJUDICA uma ampla gama de processos celulares, muitos dos quais afetam a qualidade e a concentração de proteínas.

Entre esses processos, a LEITURA de genes conhecida como transcrição é PARTICULARMENTE IMPORTANTE, por ser um dos principais reguladores dos níveis de proteína.

Embora os especialistas soubessem que a expressão gênica, ou seja, a conversão da INFORMAÇÃO genética em proteínas, muda com a idade, e também que o CONTROLE da expressão gênica pode ser PREJUDICADO, não ficou claro se a precisão do próprio processo de transcrição muda com a idade e se tal mudança teria consequências relevantes para os organismos.

É exatamente isso que os pesquisadores puderam demonstrar agora, o que deixa Andreas Beyer, líder do grupo de trabalho do CECAD e professor do Instituto de Genética da Faculdade de Matemática e Ciências Naturais da Universidade de Colônia, extremamente feliz: “Este foi um grande projeto colaborativo de vários anos envolvendo várias equipes do cluster CECAD e outras instituições científicas. Dados de cinco espécies tiveram que ser gerados e analisados.

Somente combinando nossa experiência foi possível estudar tantas espécies e tipos de dados.”

De fato, os 26 cientistas investigaram mudanças genéticas relacionadas à idade nos processos de transcrição em nematóides, moscas da fruta, camundongos, ratos e humanos, incluindo diversos tecidos.

E eles descobriram que a velocidade média na qual o transcrito cresce por meio da ligação dos blocos de construção do RNA, os nucleotídeos, aumentava com a idade em todas as cinco espécies.

Juntamente com a maior velocidade dessa velocidade de alongamento (velocidade Pol II), os pesquisadores também observaram mudanças no chamado splicing, mais uma etapa do TRABALHO dentro do processo de transcrição do gene para a proteína acabada, na qual o produto da transcrição é uma vez novamente encurtado e cortado no tamanho.

No entanto, a PRECISÃO de todo o processo de transcrição também poderia ser controlada e revertida, por exemplo, por restrição alimentar ou intervenção na sinalização de insulina – ambas medidas que contribuem para o prolongamento da expectativa de vida, como se sabe há muitos anos. Da mesma forma, a vida útil das moscas e o potencial de divisão das células humanas aumentaram quando os pesquisadores usaram intervenções para reduzir a velocidade de LEITURA.

O professor Beyer diz que “nossos resultados revelam mecanismos moleculares fundamentais subjacentes ao envelhecimento animal e intervenções para prolongar a expectativa de vida, fornecendo pistas sobre como podemos contribuir para o envelhecimento saudável no futuro.

O fato de que intervenções, como uma ingestão calórica reduzida, também tenham um efeito positivo em um processo de envelhecimento saudável no nível molecular por meio da melhoria da qualidade da transcrição gênica é algo que agora pudemos provar claramente com nosso estudo“.

O artigo foi publicado na revista Nature.

[Ênfase adicionada]

Mais informações: Cédric Debès et al, Ageing-associated changes in transcriptional elongation influence longevity, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05922-y

Anatomia Recém-Descoberta Protege E Monitora O Cérebro

Pelo Centro Médico da Universidade de Rochester | Medical Xpress

05.01.2023

Novo estudo na Nature Aging descreve uma nova estrutura anatômica no cérebro chamada SLYM, uma abreviação de Subarachnoidal LYmphatic-like Membrane, que atua como uma barreira e uma plataforma a partir da qual as células imunológicas podem monitorar o cérebro. Crédito: Universidade de Copenhague

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Da complexidade das redes neurais às funções e estruturas biológicas básicas, o cérebro humano apenas relutantemente revela seus segredos. Avanços em neuro-imagem e biologia molecular só recentemente permitiram que os cientistas estudassem o cérebro vivo em um nível de detalhe não alcançável anteriormente, desvendando muitos de seus mistérios.

A descoberta mais recente, descrita hoje na revista Science, é um componente anteriormente desconhecido da anatomia do cérebro que atua tanto como uma barreira protetora quanto como uma plataforma a partir da qual as células imunológicas MONITORAM o cérebro EM BUSCA de infecções e inflamações.

O novo estudo vem dos laboratórios de Maiken Nedergaard, co-director do Centro de Neuromedicina Translacional da Universidade de Rochester e da Universidade de Copenhague e o MD, professor de neuroanatomia da Universidade de Copenhague Kjeld Møllgård.

Nedergaard e seus colegas transformaram nossa compreensão da mecânica fundamental do cérebro humano e fizeram descobertas significativas no campo da neurociência, incluindo detalhar as muitas funções críticas de células anteriormente negligenciadas no cérebro chamadas glia e o processo único do cérebro de remoção de resíduos, que o laboratório chamou de sistema glinfático.

“A descoberta de uma nova estrutura anatômica que segrega e ajuda a controlar o fluxo de líquido cefalorraquidiano (LCR) dentro e ao redor do cérebro agora nos fornece uma apreciação muito maior do papel SOFISTICADO que o LCR desempenha não apenas no transporte e remoção de resíduos do cérebro, mas também no suporte de suas defesas imunológicas“, disse Nedergaard.

O estudo se concentra nas membranas que envolvem o cérebro, que criam uma barreira do resto do corpo e o mantêm banhado em LCR.

O entendimento tradicional do que é chamado coletivamente de camada meníngea, uma barreira composta por camadas individuais conhecidas como dura-máter, aracnóide e pia-matéria.

A nova camada descoberta pela equipe de pesquisa dos EUA e da Dinamarca divide ainda mais o espaço abaixo da camada aracnóide, o espaço subaracnóide, em dois compartimentos, separados pela camada recém-descrita, que os pesquisadores chamam de SLYM, uma abreviação de Subarachnoid LYmphatic-like Membrane (Membrana do tipo Linfático Subaracnoide).

Embora grande parte da pesquisa no artigo descreva a função do SLYM em camundongos, eles também relatam sua presença real no cérebro humano adulto.

O SLYM é um tipo de membrana chamada mesotélio, que é conhecida por revestir outros órgãos do corpo, incluindo os pulmões e o coração.

A mesotelia normalmente envolve e protege os órgãos e abriga as células imunológicas. A ideia de que uma membrana semelhante possa existir no sistema nervoso central foi uma questão colocada pela primeira vez por Møllgård, o primeiro autor do estudo. Sua pesquisa se concentra na neurobiologia do desenvolvimento e nos sistemas de barreiras que protegem o cérebro.

A nova membrana é muito fina e delicada e consiste em apenas uma ou algumas células de espessura.
No entanto, o SLYM é uma barreira rígida e permite que apenas moléculas muito pequenas transitem; parece separar o LCR “limpo” do “sujo“.

Esta última observação indica o provável papel desempenhado pelo SLYM no sistema glinfático, que REQUER um fluxo controlado e troca de LCR, permitindo o influxo de LCR fresco enquanto libera as proteínas tóxicas associadas ao mal de Alzheimer e outras doenças neurológicas do sistema nervoso central. Esta descoberta ajudará os pesquisadores a entender com mais precisão a mecânica do sistema glinfático, que foi objeto de uma recente doação de US$ 13 milhões do National Institutes of Health.

O SLYM também parece importante para as defesas do cérebro. O sistema nervoso central mantém sua própria população nativa de células imunológicas, e a integridade da membrana impede a entrada de células imunológicas externas.

Além disso, o SLYM parece hospedar sua própria população de células imunes do sistema nervoso central que usam o SLYM para vigilância na superfície do cérebro, permitindo que eles ESCANEIEM o LCR em busca de sinais de infecção.

A descoberta do SLYM abre as portas para um estudo mais aprofundado de seu papel nas doenças cerebrais.

Por exemplo, os pesquisadores observam que concentrações maiores e mais diversas de células imunes se reúnem na membrana durante a inflamação e o envelhecimento.

Quando a membrana foi rompida durante uma lesão cerebral traumática, a interrupção resultante no fluxo de LCR prejudicou o sistema glinfático e permitiu que células imunes do sistema nervoso não central entrassem no cérebro.

Essas e outras observações semelhantes sugerem que doenças tão diversas como esclerose múltipla, infecções do sistema nervoso central e mal de Alzheimer podem ser desencadeadas ou agravadas por ANORMALIDADES na FUNÇÃO SLYM. Eles também sugerem que a entrega de drogas e terapia genética ao cérebro pode ser afetada pela função SLYM, que precisará ser considerada à medida que novas gerações de terapias biológicas estão sendo desenvolvidas.

Co-autores adicionais incluem Felix Beinlich, Peter Kusk, Leo Miyakoshi, Christine Delle, Virginia Pla, Natalie Hauglund, Tina Esmail, Martin Rasmussen, Ryszard Gomolka e Yuki Mori com o Centro de Neuromedicina Translacional da Universidade de Copenhague.

[Ênfase adicionada]

Mais informações: Kjeld Møllgård et al, A mesothelium divides the subarachnoid space into functional compartments, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adc8810. http://www.science.org/doi/10.1126/science.adc8810

Forças Armadas na Célula Mantêm o DNA Saudável

Por David Coppedge | Evolution News
4 de outubro de 2022, 17h13

Repórteres científicos lutam por metáforas para descrever as operações complexas que eles veem acontecendo na célula. Por exemplo:

▪️ A Orquestra

Notícias da Universidade de Genebra comparam o genoma humano a uma “orquestra complexa”. Sua pesquisa levou a descobertas “inesperadas” e “surpreendentes” mostrando “comportamento harmonizado e sinérgico” na regulação dos genes. A metáfora de um maestro mantendo todos os vários jogadores em harmonia veio à mente:

Uma equipe de geneticistas suíços da Universidade de Genebra (UNIGE), da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) e da Universidade de Lausanne (UNIL) descobriu que a variação genética tem o potencial de afetar o estado do genoma em muitas posições aparentemente separadas e, assim, modular a atividade do gene, muito parecido com um maestro orientando os intérpretes de um conjunto musical para tocar com harmonia.

Esses resultados inesperados, publicados na Cell, revelam a versatilidade da regulação do genoma e oferecem insights sobre a forma como ela é orquestrada. [Enfase adicionada.]

▪️ As forças armadas

Outra metáfora popular entre os repórteres é “forças armadas”. Essa metáfora será instrutiva à medida que lemos sobre proteção do DNA e reparo de danos. Vejamos algumas das etapas desse processo onde encontraremos soldados, técnicos de emergência médica, ambulâncias e hospitais militares em ação, todos bem treinados e equipados para a defesa.

▪️ Vigilância e Inspeção

Qualquer operação militar disciplinada requer altos padrões.

Soldados no campo de treinamento sabem que os sargentos podem ser implacáveis ao inspecionar rifles, engraxates e camas de quartel.

Da mesma forma, as máquinas do genoma inspecionam o DNA em busca de erros e não toleram menos do que a perfeição.

Um artigo da Universidade Estadual da Carolina do Norte descreve a MutS, uma máquina que inspeciona fitas de DNA descompactadas em busca de erros.

Qualquer desencontro faz com que esse sargento pare e encare o recruta, mesmo que ele seja um em um milhão.

Felizmente, nossos corpos têm um sistema para detectar e reparar essas incompatibilidades – um par de proteínas conhecidas como MutS e MutL.

A MutS desliza ao longo do lado recém-criado da fita de DNA depois de replicada, revisando-a. Quando encontra uma incompatibilidade, ele se encaixa no local do erro e recruta a MutL para se juntar a ela.

A MutL faz um corte na fita de DNA recém-sintetizada para marcá-la como defeituosa e sinaliza uma proteína diferente para devorar a porção do DNA que contém o erro.

Em seguida, a correspondência de nucleotídeos recomeça, preenchendo a lacuna novamente. Todo o processo reduz os erros de replicação em cerca de mil vezes, servindo como melhor defesa contra mutações genéticas e os problemas que podem surgir delas, como o câncer.

▪️ Primeira resposta

Se ocorrerem vítimas, elas devem ser detectadas. Uma proteína chamada ATF3 é a capitã de um esquadrão que atua como “primeiro respondedor” a danos no DNA, como explica a Georgia Regents University.

Digamos que uma fita de DNA se rompa por causa da luz solar, quimioterapia ou um raio cósmico.

Se não for corrigida rapidamente, a célula pode se tornar cancerosa ou morrer. O que acontece primeiro?

No cenário rápido e complexo que permite que uma célula repare danos no DNA ou morra, a ATF3, ou Ativador do Fator de Transcrição 3, parece ser um verdadeiro primeiro respondedor, aumentando seus níveis e depois encontrando e se ligando a outra proteína, Tip60, o que acabará por ajudar atrair um enxame de outras proteínas para o local do dano.

▪️ Operações de Combate

Os vírus invadiram! As forças armadas entram em alerta máximo. O Salk Institute for Biological Studies descreve a enxurrada de atividades resultantes, porque todo organismo “deve proteger seu DNA a todo custo”.

Antes de entrar em pânico, os comandantes da célula precisam de inteligência. Se uma quebra de DNA coloca a célula em estresse, seja uma quebra natural, digamos de um raio cósmico, ou de um vírus, como um insurgente jogando uma granada? Um movimento em falso pode levar a baixas de fogo amigo.

Os pesquisadores explicam como a célula descobre se o dano ao DNA foi interno ou externo. Primeiro, o complexo MRN dá o sinal de “todas as mãos no convés”. Ele interrompe a replicação e outras operações da célula até que a quebra seja corrigida.

O interessante é que mesmo uma única interrupção transmite um sinal global através da célula, interrompendo a divisão e o crescimento celular”, diz O’Shea.

“Essa resposta impede a replicação para que a célula não passe por uma pausa .”

A resposta viral começa da mesma forma, mas não dá o alarme global.

Em vez disso, o alarme é localizado e sentinelas na área despacham os invasores. Há uma razão para isso.

“Se todos os vírus que chegam estimulassem uma resposta igualmente forte, aponta O’Shea, nossas células seriam pausadas com frequência, prejudicando nosso crescimento”. Mas quando a célula fica preocupada com o reparo de danos no DNA, os vírus podem se infiltrar.

Um vídeo no artigo aplica a metáfora das forças armadas:

Govind Shah: “As proteínas de reparo do DNA servem como guardas de segurança dentro do núcleo. Eles pegam o DNA do vírus e os escoltam para fora da célula.

Se uma célula sofrer uma grande quantidade de danos no DNA, esses guardas de segurança serão afastados do DNA viral e permitirão que o DNA viral se replique em altos níveis”.

Clodagh O’Shea: “Descobrimos que se você tem danos no DNA em seu próprio genoma, e o alarme dispara, na verdade isso recruta todas as forças: toda a polícia, guarda nacional – todo mundo está lá. Todas as forças estão lidando com seu próprio dano ao DNA, e não há mais nada para realmente ver ou desligar o vírus.”

Isso lhes deu uma ideia. Shah diz: “Então, por que não usar isso para matar células cancerígenas” com vírus projetados para entrar nas células tumorais? A resposta programada que eles descobriram fará com que a célula deixe os vírus entrarem enquanto está preocupada em consertar quebras de DNA.

“Se a célula não puder consertar a quebra do DNA, ela induzirá a morte celular – um mecanismo de autodestruição que ajuda a impedir que as células mutantes se repliquem (e, portanto, impede o crescimento do tumor)”.

▪️ Médicos

Estamos todos familiarizados com as imagens de helicópteros no campo de batalha entregando médicos para dar primeiros socorros aos feridos, ou transportando-os de avião para a estação de triagem ou hospital mais próximo. O núcleo da célula tem hospitais, diz um artigo da Biotechniques, e “ Uma ambulância molecular para DNA ” sabe como levar as vítimas ao pronto-socorro.

As quebras de fita dupla no DNA são uma fonte de estresse e às vezes a morte das células.

Mas as quebras podem ser corrigidas se encontrarem uma maneira de reparar os locais dentro da célula.

Em leveduras, um dos principais sítios de reparo reside no envelope nuclear, onde um conjunto de proteínas, incluindo o sub-complexo de poros nucleares Nup84, serve como uma espécie de hospital molecular.

O complexo de proteína motora cinesina-14, uma “ambulância de DNA”, move as pausas para locais de reparo, de acordo com um novo estudo da Nature Communications.

Pesquisadores da Universidade de Toronto acharam “muito surpreendente” que o motorista da ambulância seja a conhecida proteína motora cinesina-14 (veja nossa animação da cinesina em ação abaixo [áudio original em inglês]).

▪️ Funcionários do Hospital

Notícias do MD Anderson Cancer Center da Universidade do Texas apresentam alguns dos especialistas do hospital de reparo de DNA: fumarase, uma enzima metabólica; DNA-PK, uma proteína quinase; e enzimas de metilação de histonas que regulam o processo de reparo.

Esses médicos qualificados realizam cirurgias restauradoras para “quebras de fita dupla de DNA (DSBs)”, que “são a pior forma possível de mau funcionamento genético que pode causar câncer e resistência à terapia”.

▪️ Equipe de limpeza

As células investem muita energia em seus ribossomos, as organelas que traduzem o DNA. Os ribossomos são montados a partir de domínios de proteína e RNA. O que acontece com as sobras? Um item da Universidade de Heidelberg descreve máquinas moleculares que codificam os fragmentos em código de barras para serem entregues a um triturador em forma de barril chamado exossomo.

Embora não sejam descritos em termos militares, os agentes estão sob ordens estritas e obrigados a passar por postos de controle.

De acordo com o Prof. Hurt, a produção de ribossomos é um processo extremamente complexo que segue um esquema rígido com vários pontos de controle de qualidade .

As fábricas de proteínas são feitas de inúmeras proteínas ribossômicas (r-proteínas) e ácido ribonucleico ribossômico (rRNA).

Mais de 200 proteínas auxiliares, conhecidas como fatores de biogênese do ribossomo, são necessárias nas células eucarióticas para montar corretamente as proteínas-r e os diferentes rRNAs. Três do total de quatro rRNAs diferentes são fabricados a partir de um grande RNA precursor. Eles precisam ser “aparados” em pontos específicos durante o processo de fabricação, e as peças supérfluas são descartadas.

“Como esses processos são irreversíveis , é necessária uma verificação especial ”, explica Ed Hurt.

O número de pessoas das “forças armadas” envolvidas na defesa do DNA e no controle de qualidade das células é surpreendente. Está além de uma orquestra bem conduzida. É como uma operação militar, com protocolos rígidos, estrutura de comando hierárquica e especialistas treinados. Esses sistemas são orientados a objetivos: eles existem para proteger o genoma. Eles estão de plantão inspecionando componentes mesmo quando nada está errado. E quando as coisas dão errado, eles sabem exatamente o que fazer, como se estivessem bem treinados em seguir ordens.

Não estamos surpresos ao notar que esses artigos não dizem nada sobre evolução. Por quê? Porque todos sabemos pela nossa experiência que os fenómenos caracterizados por sistemas de comando e controle hierárquicos com procedimentos documentados e agentes qualificados são sempre concebidos de forma inteligente.

Este artigo foi publicado originalmente em 2015.

DNA É Gerenciado Como A Corda Dos Alpinistas Para Ajudar A Manter Emaranhados Afastados

Por Universidade de Edimburgo | Science Daily

22 de abril de 2019

Um processo que as células usam para desvendar filamentos de DNA nodosos – assemelhando-se a um método usado para controlar cordas de escalada – foi descoberto por cientistas.

As descobertas ajudam a explicar como cerca de 2 metros de DNA podem ser empacotados Ordenadamente em cada uma de nossas células, em um espaço que tem aproximadamente a largura de um fio de cabelo.

Os cientistas identificaram dois conjuntos de proteínas nas células que trabalham juntas PARA manter os fios soltos, evitando emaranhados que dificultariam processos biológicos vitais.

Essas proteínas são encontradas em muitos organismos, e os cientistas acreditam que seu papel no GERENCIAMENTO do DNA pode ser comum em toda a natureza.

Uma família de proteínas – conhecida como SMC – atua como um dispositivo de segurança usado por alpinistas, que passa cordas por uma série de laços.

Descobriu-se que essas proteínas funcionam ao lado de outro conjunto, conhecido como TopoII, que anteriormente pensava-se ser para ajudar a RESOLVER emaranhados, mas de uma maneira que não era bem compreendida.

Pesquisadores das Universidades de Edimburgo e Pádua, na Itália, estudaram o processo criando modelos de computador de DNA com nós e links.

Eles descobriram que o SMC age como um segurança, deslizando para frente e para trás para aumentar ou reduzir as alças em segmentos ligados de DNA. Os nós são primeiro espremidos e comprimidos pelo SMC e, posteriormente, são facilmente DETECTADOS e RESOLVIDOS pelo TopoII.

Seu estudo é o primeiro a explicar como as duas famílias de proteínas MANTÊM o DNA livre de emaranhados sob as condições confinadas e lotadas da célula.

A pesquisa, publicada na revista Proceedings of the National Academy of Science, foi apoiada pelo Conselho Europeu de Pesquisa.

Davide Michieletto, da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Edimburgo, que liderou o estudo, disse: “Pode-se esperar que os longos fios de DNA fiquem HORRIVELMENTE emaranhados – um pouco como tirar fones de ouvido com nós do bolso. Mas, em vez disso, a natureza CRIOU essas MÁQUINAS INCRÍVEIS para RESOLVER esse PROBLEMA de Maneira Notável, aparentemente em muitas espécies.”

[Ênfase adicionada]

Referência do Jornal:

Enzo Orlandini, Davide Marenduzzo, Davide Michieletto. Synergy of topoisomerase and structural-maintenance-of-chromosomes proteins creates a universal pathway to simplify genome topology. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019; 201815394 DOI: 10.1073/pnas.1815394116

[Obs: o artigo original não possui imagem didática, ficou por conta desse blog]

Equipe De Pesquisa Descobre Que As Células Têm As Ferramentas Para Curar Huntington E ELA, Mas Não Conseguem Usá-las

Por Technion – Instituto de Tecnologia de Israel | Medical Xpress

16 | Fev | 22

Uma montagem de três imagens de neurônios estriados únicos transfectados com uma versão associada à doença de huntingtina, a proteína que causa a doença de Huntington. Núcleos de neurônios não transfectados são vistos no fundo (azul). O neurônio no centro (amarelo) contém um acúmulo intracelular anormal de huntingtina chamado corpo de inclusão (laranja). Crédito: Wikipedia/ Creative Commons Attribution 3.0 Licença não portada.

Huntington, Alzheimer, ELA e várias outras doenças neurodegenerativas compartilham uma semelhança: todas são caracterizadas por proteínas (diferentes para cada doença) que se agregam em neurônios dentro do cérebro e do sistema nervoso. Agora, cientistas do Technion Israel Institute of Technology descobriram que as células têm os mecanismos para limpar esses agregados – eles simplesmente não conseguem ativá-los. Seu estudo foi publicado recentemente na Nature Communications.

As proteínas são os blocos de construção e as unidades de funcionamento do nosso corpo.

Sempre que o corpo precisa que algo seja feito, proteínas específicas são geradas para realizá-lo. Para fazer isso, o código para a proteína em particular é lido a partir do DNA, e a proteína é construída a partir de subunidades chamadas aminoácidos.

É então dobrado na forma 3D que precisa assumir. Outras proteínas, chamadas “chaperonas”, auxiliam nesse processo de dobramento.

Os agregados se formam quando certas proteínas se formam incorretamente. Em vez de executar a função que deveriam desempenhar, eles se unem, criando clusters consideráveis que não apenas são inúteis, mas também interrompem a funcionalidade normal das células.

A estudante Ph.D Kinneret Rozales e a estudante MD/Ph.D. Amal Younis, trabalhando como parte do grupo de pesquisa do professor Reut Shalgi, examinaram como as células respondem aos agregados que se acumulam dentro delas.

Como podemos saber como uma célula se sente? Não podemos perguntar se está feliz ou com dor.

Mas podemos examinar quais genes a célula expressa. Sabemos que a célula ativa certos genes quando sente estresse. Por outro lado, se tudo estiver bem, esses genes não seriam ativados.

Parte do que a célula faz em resposta ao estresse é ativar chaperonas específicas, na tentativa de corrigir ou remover proteínas mal dobradas.

Mas quais acompanhantes são ativados? E quais são necessários para resolver o problema? Um grande número de acompanhantes diferentes são codificados no DNA humano.

Rozales e Younis examinaram 66 deles em células com Huntington ou agregados de proteínas associados a ALS. Alguns acompanhantes, eles descobriram, só pioram as coisas.

Mas, surpreendentemente, eles também encontraram chaperonas que poderiam eliminar os agregados, curando a célula. As ferramentas para curar a doença já estão dentro de nós, codificadas pelo nosso próprio DNA.

Por que então, se existem os acompanhantes necessários, eles não curam as células dos pacientes antes que os neurônios se degenerem?

“Não é suficiente que as ferramentas existam na caixa de ferramentas da célula”, disse o Prof. Shalgi. “A célula precisa perceber que há um problema e então precisa saber qual, dentre as muitas ferramentas disponíveis, deve usar para resolver o problema.”

Infelizmente, o grupo descobriu, é aí que está o gargalo. Em células com agregados de proteína associados a Huntington, as células perceberam que havia um problema e ativaram algumas chaperonas de resposta ao estresse, mas não as corretas.

As células não sabiam o que estava causando o estresse ou o que deveriam fazer para corrigir a situação. Com agregados associados à ALS , as coisas foram ainda piores; as células não perceberam que precisavam ativar os acompanhantes e não mostraram sinais de estresse.

“A célula é um sistema complicado“, disse o Prof. Shalgi ao explicar as descobertas surpreendentes. “Pense no seu computador: quando algo está errado, às vezes você não percebe no início.

Ele apenas responde um pouco mais devagar do que costumava, talvez, ou lança uma mensagem de erro que você ignora e esquece. Quando você percebe algo errado – na forma de uma tela azul ou uma recusa em iniciar, você, ou um técnico em seu nome, tenta diagnosticar e resolver o problema.

Às vezes, a solução é encontrada imediatamente, mas outras vezes é algo que você nunca encontrou antes, e você não sabe qual driver precisa ser instalado ou peça de hardware que precisa ser substituída. É o mesmo com nossas células: elas nem sempre percebem que há um problema ou sabem como resolvê-lo, mesmo quando de fato têm as ferramentas para fazê-lo.

A boa notícia é que, como a capacidade existe, esperamos que futuros tratamentos possam ser desenvolvidos para ativá-la e empregar as próprias ferramentas do corpo para curar essas doenças neurodegenerativas debilitantes.”

[Ênfase adiciona]

Mais informações: Kinneret Rozales et al, Differential roles for DNAJ isoforms in HTT-polyQ and FUS aggregation modulation revealed by chaperone screens, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-27982-w

Cientistas Descobrem O Que Alimenta Os ‘Assassinos Naturais’ Do Sistema Imunológico

Por Science Daily

Data:
1 de junho de 2021.

Fonte:
Memorial Sloan Kettering Cancer Center.

Resumo:
Cientistas estão entendendo mais sobre as células natural killer (NK), que são suas aliadas no combate a infecções e câncer.

Parte de nosso sistema imunológico inato, que despacha essas primeiras respostas, as células NK são preparadas desde o nascimento para reconhecer e responder ao perigo.

Aprender o que alimenta as células NK é uma área ativa de pesquisa em imunologia, com importantes implicações clínicas.

“Há muito interesse agora nas células NK como um alvo potencial da imunoterapia“, disse Joseph Sun, imunologista do Instituto Sloan Kettering. “Quanto mais pudermos entender o que impulsiona essas células, melhor podemos programá-las para combater doenças.”

Apesar do nome saído de um filme de Tarantino, as células natural killer (NK) são suas aliadas no combate a infecções e câncer. Se as células T são como uma equipe de médicos especialistas em uma sala de emergência, as células NK são os paramédicos: elas chegam primeiro no local e realizam o controle de danos até a chegada de reforços.

Primeiro da Linha

Trabalhos anteriores de pesquisadores da MSK e de outros lugares mostraram que as células T dependem da glicólise aeróbica para realizar suas funções de proteção. Mas não se sabia se as células NK dependem dessa forma de metabolismo para alimentar suas próprias atividades.

Como o Dr. Sun e seus colegas estudaram as células NK em animais em vez de em um recipiente, eles puderam estabelecer que tipo de metabolismo as células NK usam e compará-lo com as células T em um ambiente natural. Eles descobriram que as células NK aumentam a glicólise aeróbica cerca de cinco dias antes de as células T responderem com seu próprio pico glicolítico.

“Isso se encaixa com a ideia de que as células NK são células imunes inatas que são realmente críticas para montar uma resposta rápida“, diz o Dr. Sheppard.

As descobertas são relevantes para os esforços contínuos para usar as células NK como imunoterapia em pessoas com câncer e outras condições. Em particular, eles têm implicações no uso de células NK como uma forma de terapia celular – quando as células são cultivadas fora de um paciente e depois infundidas de volta no sangue do paciente.

“Se você está cultivando essas células em um recipiente e as pressiona para que se dividam muito rapidamente, elas podem não ter tanto potencial para sofrer glicólise aeróbica quando você as coloca em um paciente”, diz o Dr. Sheppard.

A lição para os pesquisadores que planejam ensaios clínicos é a seguinte: eles devem encontrar um equilíbrio entre estimular as células NK a se multiplicarem e preservar sua resistência. Essas células NK são os paramédicos de nosso sistema imunológico, por isso é importante mantê-las rápidas e responsivas.

As descobertas foram relatadas em 1º de junho de 2021 na revista Cell Reports .

Esta pesquisa foi apoiada pelo Cancer Research Institute, o NCI Cancer Center Support Grant (P30CA08748), Cycle for Survival, o Ludwig Center for Cancer Immunotherapy, a American Cancer Society, o Burroughs Wellcome Fund e o NIH (concede AI100874, AI130043, AI155558). Os autores do estudo declaram não haver conflitos de interesse.

[Ênfase adicionada]

Journal Reference:

Sam Sheppard, Endi K. Santosa, Colleen M. Lau, Sara Violante, Paolo Giovanelli, Hyunu Kim, Justin R. Cross, Ming O. Li, Joseph C. Sun. Lactate dehydrogenase A-dependent aerobic glycolysis promotes natural killer cell anti-viral and anti-tumor function. Cell Reports, 2021; 35 (9): 109210 DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109210

Cientistas fornecem um mapa detalhado para compreender as células humanas

Pelo Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute | Phys Org

[Imagem] – O co-autor Christopher Go pesquisou a paisagem celular humana usando 192 marcadores para proteínas conhecidas por residirem em organelas específicas que podem “marcar” proteínas vizinhas no mesmo compartimento. Crédito: Sinai Health

Pesquisadores do Sinai Health publicaram um estudo que fornece uma visão ultra detalhada da organização de uma célula humana viva, fornecendo uma nova ferramenta que pode ajudar cientistas de todo o mundo a entender melhor o que acontece durante doenças.

O novo estudo, publicado hoje na revista Nature, foi conduzido no laboratório da Dra. Anne-Claude Gingras, pesquisadora sênior do Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute (LTRI) e professora do Departamento de Genética Molecular da Universidade de Toronto.

Os co-autores Christopher Go e Dr. James Knight pesquisaram a paisagem celular humana usando 192 marcadores para proteínas conhecidas por residirem em organelas específicas que podem ‘marcar’ proteínas vizinhas no mesmo compartimento.

“O Mapa de Células Humanas foi capaz de prever a localização de 4.000 proteínas em todos os compartimentos em células humanas vivas“, disse Go. “Nós mostramos todas as principais organelas da célula humana e usamos análises inovadoras para criar o mapa de maior resolução até o momento, com alta precisão na previsão de novas localizações para muitas proteínas não mapeadas.”

O corpo humano é composto de trilhões de células que são separadas em diferentes compartimentos com funções dedicadas, assim como uma casa tem diferentes cômodos para dormir ou preparar comida. Cada um desses compartimentos, chamados organelas, contém proteínas diferentes que realizam atividades específicas associadas ao compartimento. A mitocôndria, a chamada casa de força da célula, é um exemplo de organela.

Os cientistas disseram que saber quais proteínas residem em quais organelas é um primeiro passo importante para entender o papel de cada proteína celular. Abordagens anteriores costumavam usar métodos que primeiro matam as células antes de tentar separar as organelas umas das outras.

“Anteriormente, era como desmontar a casa para isolar cada um dos cômodos individuais”, disse Go. “Essas abordagens tendem a fornecer apenas visões grosseiras da organização de uma célula.”

O laboratório Gingras desenvolve ferramentas para detectar proteínas usando instrumentos conhecidos como espectrômetros de massa. Na nova pesquisa, eles purificaram as proteínas que são “marcadas” por marcadores de organelas e identificaram cada uma delas por espectrometria de massa. A equipe então usou ferramentas computacionais para reconstruir a célula humana.

“Por meio de nossa pesquisa, mostramos que podemos localizar precisamente milhares de proteínas por vez com relativamente pouco esforço”, disse o Dr. Knight, bioinformático do Laboratório Gingras do LTRI. “Os métodos anteriores para localizar uma proteína exigiam que cada proteína fosse investigada individualmente ou exigiam um foco limitado.”

Dada a natureza expansiva do Human Cell Map, a equipe também criou um portal de análise para permitir que pesquisadores de todo o mundo se aprofundem nos dados. Os usuários podem escanear cada um dos 192 marcadores em detalhes e comparar seus próprios dados sobre a localização de proteínas com as previsões feitas no Mapa de Células Humanas.

Knight disse que, embora este trabalho forneça uma maior compreensão da organização dentro da célula humana, também pode ser aproveitado para entender melhor o que acontece durante uma doença.

“As doenças humanas são tipicamente caracterizadas em nível molecular por proteínas com comportamento aberrante que fazem com que a célula se comporte de maneiras patológicas. Nessas situações, as proteínas frequentemente mudam onde residem na célula”, disse o Dr. Knight. “Nossa pesquisa é um primeiro passo para abordar este desafio em células normais e podemos usá-lo para comparações contra estados celulares alterados, como condições de doença, para identificar proteínas com localizações inesperadas que podem nos ajudar a entender melhor uma célula doente.”

A equipe disse que o mapa agora será usado em uma variedade de projetos para ajudar a lançar luz adicional sobre a localização de proteínas em células humanas. Os esforços futuros incluirão o uso de condições químicas, virais e de doenças para caracterizar melhor como as células se adaptam estruturalmente a esses estressores. Isso pode informar futuros esforços de pesquisa para uma compreensão mecanicista dos estados de doença e o desenvolvimento de futuras terapêuticas.

*[Ênfase adicionada]

Mais informações:

Go, C.D., Knight, J.D.R., Rajasekharan, A. et al. A proximity-dependent biotinylation map of a human cell. Nature (2021). doi.org/10.1038/s41586-021-03592-2

Diário Informarivo: Nature

Células usam extrusão em loop para manter o DNA otimizado

Por Evolution News | @DiscoveryCSC

21 de abril de 2021

A extrusão de loop é uma técnica usada em várias máquinas para reparos e manutenção. Aqui estão alguns exemplos dos primeiros dias da computação e outras tecnologias:

Os técnicos de áudio extrudiam fitas de áudio em rolos e cassetes para consertar rugas ou unir pontas quebradas.
Os datilógrafos puxavam segmentos de bobinas de tinta para endireitar dobras ou para enrolar a fita além dos pontos defeituosos.
Os operadores de computador podem girar as bobinas de fitas de computador em direções opostas para extrudar loops para inspeção ou reparo da fita, ou para realinhar a fita em torno dos postes de guia.

Essas operações podem ser feitas manualmente ou, às vezes, automatizadas. O princípio geral é que a extrusão do laço permite a inspeção e o reparo quando uma fita física apresenta um problema.

Em operações de alta velocidade com fita de computador, a extrusão de loop também era um mecanismo embutido para amortecer as diferenças de tensão entre as duas bobinas. Caso contrário, mudanças rápidas de direção quebrariam a fita. Em alguns sistemas avançados de fita de computador, os loops podem ter vários metros de comprimento. Os operadores podiam ver os loops diminuindo à medida que as bobinas paravam e começavam rapidamente.

Memórias Distantes

Esses exemplos são memórias distantes para aqueles que trabalharam em computadores e sistemas de áudio dias antes de tudo migrar para discos rígidos, SSDs, arquivos MP3 e computação em nuvem. No entanto, sempre que uma fita física precisar se mover rapidamente, a extrusão de loop é uma boa ideia. Acontece que as células já usavam a extrusão de loop muito antes que os humanos pensassem nisso.

Na Nature, Arnould et al. relatam que as células usam “Extrusão de loop como um mecanismo para a formação de focos de reparo de danos no DNA“. As quebras de fita dupla são particularmente perigosas se não forem reparadas, causando câncer e morte celular. A equipe descobriu que as máquinas moleculares se prendem ao DNA em ambos os lados dos loops de quebra e extrusão que expõem o DNA a máquinas de fosforilação necessárias para chamar outras máquinas de reparo de danos. Os loops podem ser enormes, cobrindo um milhão de pares de bases.

O reparo de quebras de fita dupla de DNA (DSBs) é essencial para salvaguardar a integridade do genoma. Quando um DSB se forma, a quinase ATM relacionada à PI3K ativa rapidamente o estabelecimento de domínios de cromatina do tamanho de uma megabase decorados com histona H2AX fosforilada (γH2AX), que agem como sementes para a formação de focos de resposta a danos no DNA. Não está claro como esses focos são rapidamente montados para estabelecer um ambiente ‘sujeito a reparos’ dentro do núcleo. Os domínios de associação topológica são uma característica fundamental da organização do genoma 3D que compartimentaliza a transcrição e a replicação, mas pouco se sabe sobre sua contribuição para os processos de reparo do DNA. Aqui, mostramos que domínios de associação topológica são unidades funcionais da resposta ao dano ao DNA e são instrumentais para o estabelecimento correto dos domínios de cromatina γH2AX-53BP1 de uma maneira que envolve a extrusão de alça mediada por coesina unilateral em ambos os lados do DSB. Propomos um modelo no qual nucleossomos contendo H2AX são rapidamente fosforilados à medida que passam ativamente pela coesina ancorada em DSB. Nosso trabalho destaca a importância da conformação cromossômica na manutenção da integridade do genoma e demonstra o estabelecimento de uma modificação da cromatina por extrusão em alça. [Enfase adicionada.]

Um princípio geral na manutenção do genoma

Na mesma edição da Nature, Leonid A. Mirny achou este caso fascinante. Isso amplifica o que ele sabia sobre a extrusão de alças na formação de cromossomos.

As células compactam ordenadamente seu espaguete de DNA de várias maneiras. Em células com núcleo, o DNA é primeiro envolvido em torno de núcleos de proteínas histonas para fazer estruturas chamadas nucleossomos, que juntas formam uma fibra de cromatina que se parece com elos em um cordão. A extrusão do loop é o processo de compactação subsequente, por meio do qual um motor molecular liga uma fibra de cromatina e a enrola pelos lados, forçando um loop progressivamente maior entre eles (Fig. 1a).

Uma olhada na Fig. 1a mostra algo muito interessante: engrenagens que fazem a extrusão. Mirny não pretende sugerir que as máquinas moleculares que fazem a extrusão de loop sejam engrenagens reais. É apenas uma maneira prática de mostrar que motores moleculares girando em direções opostas podem extrudar um loop. Aparentemente, é isso que os motores SMC fazem (“Structural Maintenance of Chromosomes”). Esta família de enzimas no núcleo, “outrora considerada como anéis passivos ou grampos – são, na verdade, motores de extrusão de loop”.

Enquanto isso, em outro lugar do Núcleo

Olhando além dos casos de reparo DSB e ação SMC, Mirny vê evidências de extrusão de alça em outra parte do núcleo. Pode até ser por um princípio geral por trás de vários processos misteriosos.

Os processos celulares costumam ser multitarefa. Então, esse mecanismo onipresente para tecer o genoma poderia ter outras funções? Durante a divisão celular, a formação de loops é a chave para compactar os cromossomos para permitir a passagem precisa do material genético para as células-filhas. Mas o papel da extrusão durante a interfase – o período durante o qual as células duplicam seu DNA e crescem em preparação para a próxima divisão – ainda não foi compreendido.

Existem várias possibilidades. Uma delas é a regulação da expressão gênica: a extrusão pode reunir elementos genômicos distantes (como potenciadores e promotores, que regulam a transcrição) que não são separados por uma barreira de CTCF. Essas barreiras também podem transformar a extrusão em rastreamento genômico. Para explicar, quando uma proteína coesina para em um CTCF, ela pode continuar enrolando DNA do outro lado, rastreando assim longas regiões genômicas ….

Revelar essa maneira inteligente de proteger os filamentos de DNA contra quebras e também de inspecioná-los rapidamente está levando a novos insights sobre os mecanismos físicos que as células usam para manter suas “fitas” genéticas. Ele observa que outro estudo mostrou bactérias capazes de se espalhar a uma taxa de 150.000 bases por minuto.

Cohesin, diz ele, não deve mais ser pensado como um anel passivo em torno do DNA. Bem poderia ser um conjunto de motores usando extrusão de loop para suas funções variadas.

Também é possível que os papéis da coesina e de outros SMCs no reparo de quebras vão além da propagação de γH2AX. A coesina há muito está envolvida no reparo do DNA, mas era considerada um anel passivo, mantendo juntos os cromossomos duplicados para reparo. As descobertas sugerem papéis mais ativos, por exemplo, em permitir a busca por uma região do DNA que pode atuar como um modelo para reparo. Além do mais, o recrutamento de SMCs para quebras e o papel central da coesina em outros processos que lidam com DSBs (como um tipo de divisão chamada meiose e regulação do gene da imunoglobulina), sugere que esses motores podem ser importantes na detecção e gerenciamento do DNA quebrado durante muitos processos celulares normais. Então, complexos SMC – tecelões mestres do genoma– pode ser responsável não apenas por fazer laços, mas também por encontrar e amarrar fibras quebradas .

Uma invenção engenhosa

Um panorama se abre para a visualização de motores no núcleo como extrusores de loop com múltiplas funções: cuidar de quebras de fita dupla, compactar o genoma, reunir promotores e realçadores e garantir a “manutenção estrutural dos cromossomos”. É difícil imaginar como qualquer célula primitiva poderia ter sobrevivido sem essas funções.

As células dominaram a extrusão de loop como uma maneira engenhosa de inspecionar, reparar e compactar o genoma. Eles dominaram a técnica de extrusão de loop muito além do que qualquer operador de computador, digitador ou engenheiro de áudio jamais imaginou. Quando se considera que o DNA não é uma fita sólida, mas uma dupla hélice com delicadas ligações de hidrogênio que mantêm os fios unidos, torna-se evidente o quão cuidadosos esses motores devem ser para realizar suas tarefas de forma rápida e perfeita quase o tempo todo.

A extrusão de loop representa outro mecanismo físico, usando motores moleculares, com os quais os humanos podem se relacionar a partir de sua própria criatividade com o manuseio de fitas – apenas os mecanismos das células são muito mais sofisticados do que qualquer coisa que os humanos já tenham feito. É mais uma maravilha que deve nos fazer admirar a inteligência e sabedoria do designer.

Pesquisadores lançam uma nova luz sobre os mistérios por trás da emissão de luz de vaga-lumes

Pela New York University | PhysOrg

Pesquisadores da NYUAD lançam uma nova luz sobre os mistérios por trás da emissão de luz de vaga-lumes — Uma fêmea de besouro brilhando com uma luz verde-amarela. Crédito: NYU Abu Dhabi

Uma equipe de pesquisadores do Laboratório de Materiais Inteligentes (SML) da NYU Abu Dhabi (NYUAD) liderada pelo Professor de Química Pance Naumov conduziu uma revisão completa da literatura científica em torno da produção natural de luz, chamada bioluminescência, e desenvolveu conclusões que ajudarão outros na área direcionarem suas pesquisas para descobrir os mistérios por trás desse fascinante fenômeno natural.

No novo estudo The Elusive Relationship Between Structure and Color Emission in Beetle Luciferases, que foi apresentado na capa da revista Nature Reviews Chemistry, Naumov e colegas forneceram a visão crítica mais abrangente do campo da bioluminescência de besouros, incluindo vaga-lumes, até a presente data.

Os pesquisadores da NYUAD, incluindo os associados de pós-doutorado do grupo Naumov César Carrasco-López e Stefan Schramm, e o estudante de graduação Nathan M. Lui, identificam os intrincados fatores estruturais que governam a cor da luz emitida pelas luciferases selvagens e mutantes, as enzimas que geram luz. Eles também demonstraram que é possível construir uma biblioteca de enzimas bioluminescentes no futuro, o que permitirá aos pesquisadores controlar a cor e a intensidade da emissão de luz por engenharia de luciferases à vontade.

“Aprender com a natureza nos fornecerá ferramentas para projetar luciferases que podem emitir cores em uma ampla gama de energias“, disse Naumov. “Isso nos ajudará a expandir a gama de aplicação dessas e de enzimas semelhantes para algumas aplicações interessantes em biologia e medicina, incluindo diagnóstico precoce e prevenção de doenças.“

Ao longo da história da humanidade, a bioluminescência tem sido uma inspiração para cientistas, artistas e leigos. Fungos brilhantes ou ostracodes têm sido usados por tribos e soldados como lanternas para guiar seu caminho pelas selvas sem a necessidade de eletricidade, e vaga-lumes eram usados pelos mineiros como luzes de segurança.

O Prêmio Nobel de Química de 2008 foi concedido pela descoberta da proteína fluorescente verde, uma proteína bioluminescente encontrada na água-viva Aequorea victoria. Hoje, a bioluminescência é a base para um grande número de métodos bioanalíticos, como imagens de células, pesquisa de câncer e controle de contaminação de alimentos, e uma forma de converter de forma eficiente a energia armazenada nas ligações químicas em luz que pode ser facilmente detectada. Por exemplo, a bioluminescência de algumas cepas bacterianas bioluminescentes é usada para monitorar a toxicidade e contaminação da água. As proteínas fluorescentes são inseridas geneticamente em células e animais para analisar aspectos importantes da dinâmica de algumas doenças.

A pesquisa mais recente da equipe Naumov da NYUAD está pronta para resolver alguns dos mistérios que cercam a quimica da bioluminescência e aproximar essa pesquisa de aplicações.

[Ênfase adicionada]

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Mais informações:

César Carrasco-López et al. The elusive relationship between structure and colour emission in beetle luciferases, Nature Reviews Chemistry (2020). DOI: 10.1038/s41570-020-00238-1

Fornecido pela New York University

Morfogênese: Codificação Para Forma

Evolution News @DiscoveryCSC

Organismos são hierarquias de formas. As bactérias formam hastes, espirais e esferas. Os eucariotos unicelulares constroem diversas organelas por dentro e assumem uma forma característica por fora (compare Stentor, Paramecium e Amoeba ). Pense em todas as variedades de formas em organismos multicelulares de Volvox(colônia de organismos unicelulares aquáticos [algas]) a eucariotos complexos – hidra, rotíferos, planários na extremidade microscópica; caranguejos, polvos e besouros na faixa intermediária inferior; castores, rosas e humanos na faixa média superior; baleias, sequóias e braquiossauros na extremidade grande. As plantas geram caules, folhas e flores. Os animais desenvolvem tecidos que se organizam em órgãos que se combinam nos planos do corpo. Como todas essas formas 3-D emergem de um código linear? Esse é o enigma da morfogênese.

Totalidades Funcionais

Os biólogos sabem sobre códigos genéticos para moléculas muito bem agora, mas onde está o software para anatomia? O modismo recente para impressão 3D é rude em comparação. Essas máquinas podem produzir uma forma a partir de um código linear, mas elas simplesmente constroem um objeto estático, uma camada de cada vez, usando material homogêneo. A morfogênese requer reunir diversos materiais para construir máquinas em movimento, como corações. Elas devem continuar funcionando em todos os níveis enquanto estão em conexão com outras máquinas móveis durante a construção. O produto final é o que Douglas Axe chama de “todo funcional” ( Inegável , p. 143).

Todos funcionais em biologia são compostos de componentes e subcomponentes funcionais organizados hierarquicamente e constituintes elementares que não funcionam apenas no espaço tridimensional, mas na quarta dimensão do tempo. Elas também possuem a notável propriedade de auto-reparo.

Michael Levin, diretor do Allen Discovery Center na Tufts University e Associate Faculty no Instituto Wyss da Harvard University, está perplexo com a origem das formas biológicas. Ele escreve em The Scientist:

Embora os genomas codifiquem previsivelmente as proteínas presentes nas células, uma lista simples de partes moleculares não nos diz o suficiente sobre o layout anatômico ou o potencial regenerativo do corpo que as células trabalharão para construir. Os genomas não são um projeto para a anatomia e a edição do genoma é fundamentalmente limitada pelo fato de que é muito difícil inferir quais genes ajustar e como atingir os resultados anatômicos complexos desejados. Da mesma forma, as células-tronco geram os blocos de construção dos órgãos, mas a capacidade de organizar tipos específicos de células em uma mão ou olho humano funcional esteve e estará além do alcance da manipulação direta por muito tempo. [Enfase adicionada.]

No filme Terminator 2, o assassino do futuro é esmagado em mil fragmentos de metal líquido e, em seguida, se reconstitui para continuar sua missão. É uma peça de efeitos especiais muito inteligente, mas quando você pensa sobre o problema, como cada fragmento poderia saber para onde ir? E, no entanto, algo assim acontece em organismos que são capazes de se regenerar, como hidras, planárias, axolotes e algumas outras espécies. Algo assim também ocorre durante o desenvolvimento embrionário.

Após várias rodadas de divisão celular de clones, começa a diversificação e a forma começa a surgir. Cada célula ganha um papel e um destino para cumprir esse papel. Veja o videoclipe da Illustra Media sobre o desenvolvimento embrionário de pintinhos:

Além do DNA

No desenvolvimento embrionário humano, algo além do DNA diz à massa em crescimento quantas células do fígado são necessárias, como elas devem se organizar na forma familiar do fígado, quantos vasos sanguíneos são necessários para suprir o fígado. Além disso, algo regula como essas formas coordenam seu crescimento desde o bebê até o adulto. O fígado sempre termina no tamanho e posição adequados sob as costelas do lado direito, com as conexões certas com outros órgãos. Todos os órgãos e sistemas seguem esse processo direcionado a um objetivo.

Alcançar esse resultado requer muito mais informações do que o código do DNA possui apenas para as enzimas hepáticas, por mais complexo que seja. Onde está o “software de biologia – as regras que permitem grande plasticidade em como os coletivos de células geram anatomias confiáveis”?

Responder à questão exigirá pesquisas interdisciplinares, ressalta Levin. Os cientistas apenas deram alguns passos de bebê para resolver esse enorme quebra-cabeça. Tudo o que eles podem fazer atualmente é tentar dividir a questão em subquestões administráveis.

Mas os pesquisadores que trabalham nas áreas de morfologia sintética e biofísica regenerativa estão começando a entender as regras que regem a plasticidade do crescimento e reparo de órgãos. Em vez de tarefas de microgerenciamento que são complexas demais para serem implementadas diretamente no nível celular ou molecular, e se resolvêssemos o mistério de como grupos de células cooperam para construir corpos multicelulares específicos durante a embriogênese e a regeneração? Talvez então pudéssemos descobrir como motivar os coletivos de células a construir quaisquer características anatômicas que desejamos.

Até agora, eles conseguiram apenas que embriões de sapo desenvolvessem estranhas formas sintéticas por meio da engenharia genética. É um começo emocionante, pensa Levin, mas o trabalho lembra crianças em um parquinho.

Essas células reiniciaram sua multicelularidade em uma nova forma, sem alterações genômicas. Isso representa uma caixa de areia extremamente emocionante na qual os bioengenheiros podem atuar, com o objetivo de decodificar a lógica do controle anatômico e comportamental, bem como compreender a plasticidade das células e a relação dos genomas com as anatomias.

Uma revolução biológica

Este trabalho pode representar o início de uma revolução biológica tão significativa quanto a revolução genômica, quando a genética passou das moléculas aos códigos. Ele representa o próximo passo: “elucidar os cálculos que as células e grupos de células realizam para orquestrar a construção de tecidos e órgãos em uma escala de corpo inteiro”. É como se os bioquímicos tivessem entendido como os instrumentos musicais são feitos e agora quisessem ver como a música é executada e como a música é derivada de uma partitura codificada por símbolos silenciosos em uma página. Mas eles estão tentando fazer tudo isso sem o protagonista: o compositor!

A próxima geração de avanços nesta área de pesquisa surgirá do fluxo de ideias entre cientistas da computação e biólogos. Desbloquear todo o potencial da medicina regenerativa exigirá que a biologia faça a jornada que a ciência da computação já percorreu , desde o foco no hardware – as proteínas e vias bioquímicas que realizam operações celulares – até o software fisiológico que permite que redes de células adquiram, armazenem e agir com base nas informações sobre a geometria do órgão e, na verdade, do corpo inteiro.

No mundo da informática, essa transição de reconectar o hardware para a reprogramação do fluxo de informações, alterando as entradas, deu origem à revolução da tecnologia da informação. Essa mudança de perspectiva pode transformar a biologia, permitindo que os cientistas alcancem as visões ainda futurísticas da medicina regenerativa.

O esforço também pode transformar a engenharia, diz ele. Os engenheiros podem aprender como os organismos constroem estruturas que ainda funcionam em ambientes ruidosos e podem permanecer resistentes a perturbações.

Mesmo quando seu grupo faz a engenharia genética de embriões de rã, diz Levin, os embriões tendem a encontrar o caminho de volta à forma desejada, como se um processo de monitoramento comparasse constantemente suas atividades com a forma ideal. Como essas informações são armazenadas e comunicadas?

O notável não é simplesmente que o crescimento começa após uma lesão e que vários tipos de células são gerados, mas que esses corpos crescerão e se remodelarão até que uma anatomia correta esteja completa, e então eles param. Como o sistema identifica a morfologia alvo correta, orquestra os comportamentos individuais das células para chegar lá e determina quando o trabalho está concluído? Como ele comunica essas informações para controlar as atividades celulares subjacentes?

Essas são questões estimulantes para a comunidade de DIs considerar. O DI compreende previsão, controle e comunicação.

O darwinismo está à altura da tarefa?

Levin tenta trazer a evolução para o cenário.

A evolução explora três modalidades para atingir essa homeostase anatômica: gradientes bioquímicos, circuitos bioelétricos e forças biofísicas. Eles interagem para permitir que a mesma forma em grande escala surja, apesar de perturbações significativas.

Mas isso não é evolução darwiniana de forma alguma! Um processo físico sem sentido e sem objetivo não se importa com o que acontece. Não pode explorar. Não pode alcançar. Não pode ativar. Essa afirmação é como colocar um adesivo de Darwin em um maquinário de design inteligente. Muito menos pode o darwinismo sinalizar, criar e operar redes elétricas, tomar decisões ou regular qualquer coisa.

Observar não é explicar. O grupo de Levin pode observar o que acontece, mas ele apela a causas inadequadas para explicá-las. A equipe pode ajustar os processos de trabalho para obter resultados modificados, mas não pode explicar seu surgimento. Eles podem imitá-los, mas não originá-los. Eles podem compará-los a computadores e softwares projetados de forma inteligente, mas não levam em conta as semelhanças apelando para causas opostas.

A imagem emergente neste campo é que o software anatômico é altamente modular – uma propriedade-chave que os cientistas da computação exploram como sub – rotinas e que muito provavelmente contribui em grande parte para a evolução biológica e a plasticidade evolutiva.

“Evolucionabilidade” e “plasticidade evolutiva” são termos altamente enganosos. O que Levin significa é a capacidade de aprender e se adaptar às circunstâncias. Isso requer design. E por que a plasticidade deve ser evolutiva?Pegue a palavra eletrônica e reconheça o conceito como robustez. Isso também é design. A tolerância a perturbações, com alguma margem de manobra para mudanças, é uma boa estratégia de projeto. As composições musicais também permitem alguma plasticidade, como quando o compositor marca “Ad lib” para uma improvisação ou dá espaço para uma cadência. As obras também podem ser modificadas para conjuntos diferentes, como quando uma obra orquestral é transcrita para orquestra de câmara ou piano.

Aqui está outro exemplo de fixação de um adesivo “Feito por Darwin” em conceitos de design:

Na biomedicina molecular, ainda estamos focados principalmente na manipulação do hardware celular – as proteínas que cada célula pode explorar. Mas a evolução garantiu que os coletivos celulares usem essa máquina versátil para processar informações de maneira flexível e implementar uma ampla gama de resultados de formato corporal em grande escala. Este é o software da biologia: a memória, a plasticidade e a reprogramação das redes de controle morfogenético.

Tal afirmação não faz sentido. A evolução não consegue entender as máquinas ou garantir que as células as usem.

Design Science está à altura da tarefa?

Somente a ciência do design tem a estrutura conceitual para entender este “novo tipo de epigenética, informação que é armazenada em um meio diferente de sequências de DNA e cromatina”. Tecnologia da Informação (TI) é design science por definição. Levin essencialmente repete a falácia de Darwin de usar a seleção artificial como um análogo da seleção natural, exceto que, na morfogênese, inferimos a atividade de uma inteligência projetada a partir de seus efeitos e de nossa experiência uniforme com a capacidade da mente de organizar componentes para atingir alvos de maneira confiável.

O progresso será lento se o DI assumir a liderança na pesquisa em morfogênese? Certamente não. Os cientistas do design podem continuar o trabalho com embriões de rã e engenharia genética. Na verdade, eles provavelmente trabalharão de forma mais produtiva, sem o peso da bagagem do antigo mito vitoriano de Darwin.

O acaso não é uma causa; inteligência é. A inteligência pode conceber um plano, exercer a previsão para identificar os requisitos e, então, executar o plano programando os componentes para cumprir o plano. Na vanguarda desta grande revolução biológica, é hora de reconhecer que o software anatômico é um design inteligente em todos os seus aspectos.

Uma Nova Pesquisa Descobriu Que As Máquinas Moleculares São Ainda Mais Surpreendentes Do Que Behe Percebeu

Evolution News | @DiscoveryCSC |EnV

29 de setembro de 2020

As imagens das máquinas moleculares que Michael Behe trouxe à atenção do público 21 anos atrás eram turvas e confusas na época, mas foram convincentes o suficiente para fazer um caso forte para a complexidade irredutível. Agora, novas técnicas de imagem, como a microscopia crioeletrônica, permitem que os cientistas vejam partes individuais das máquinas em resolução quase atômica.

ATP Sintase

Em 1997, John E. Walker compartilhou o Prêmio Nobel de Química com Paul Boyer e Jens Skou por descobrir que o ATP era sintetizado em células por um motor rotativo. Ele tinha 56 anos na época; agora, aos 79 anos, ele ainda está engajado na pesquisa sobre o mecanismo da ATP sintase (veja nossa animação ). Co-autoria de um artigo no PNAS, ¹ Walker e dois outros usaram microscopia crioeletrônica para examinar o motor em resolução mais alta do que era possível 23 anos atrás. O resumo de seu artigo apresenta notícias sobre esta maravilha rotativa:

A estrutura da ATP sintase dimérica da mitocôndria bovina determinada em três estados rotacionais por crio-microscopia eletrônica fornece evidências de que a captação de prótons da matriz mitocondrial através do meio canal de entrada de prótons prossegue através de um mecanismo de Grotthus, e um mecanismo semelhante pode operar no sair do meio canal. A estrutura forneceu informações sobre a arquitetura e constituição mecânica e propriedades do caule periférico, parte da região extrínseca da membrana do estator, e como a ação do caule periférico amortece os movimentos de balanço lado a lado que ocorrem na enzima complexo durante o ciclo catalítico. [Enfase adicionada.]

Um “mecanismo Grotthus” é uma série de transferência, algo como uma brigada de baldes. Os prótons que alimentam o rotor não fluem apenas por si próprios; eles são passados para a entrada por uma brigada de balde de moléculas de água, que pega cada próton e o passa para a próxima molécula de água.

Vários outros fatos interessantes vieram à tona no jornal. Como se costuma dizer, há um “movimento de balanço de um lado para o outro” na máquina. Este motor realmente zumbe! Como a porção F ₁ produz moléculas de ATP rapidamente em um processo de três estágios, algum balanço é inevitável. A haste periférica ajuda a amortecer esses movimentos. Isso ajuda a “aumentar a eficiência da enzima” ao manter a subunidade a no lugar – que é a subunidade conectada ao carrossel F _o rotativo no “domínio da membrana” onde F _o está ancorado. Um bom projetista não gostaria que o rotor fosse abalado por vibrações.

A haste periférica cuida disso –

Algum grau de movimento do domínio catalítico deve ser permitido para permitir a conversão eficiente do torque rotacional da haste central em mudanças conformacionais nas subunidades catalíticas, mas sem desperdiçar energia por deslocamento desnecessário da porção extrínseca da enzima. A flexibilidade da haste periférica mede efetivamente esse equilíbrio, impedindo a rotação livre do domínio catalítico, acomodando os movimentos de balanço induzidos pela haste central assimétrica e amortecendo o deslocamento do domínio da membrana ajudando a manter a subunidade a no lugar.

Sistemas Sintase

Desde 1997, os pesquisadores também descobriram que as máquinas de ATP sintase vêm em pares (dímeros). Os dímeros, além disso, são montados em fileiras nas dobras das cristas (as membranas dentro das mitocôndrias). O ângulo preciso entre os dois motores dimerizados e o espaçamento entre eles maximiza a entrada de prótons. O novo artigo diz que o ângulo entre os dímeros flexiona um pouco, amortecendo ainda mais as vibrações, graças a moléculas específicas no pivô da cunha que permitem alguma flexão, mas não muito:

Nossa estrutura de dímeros bovinos tem uma cunha feita de pequenas proteínas e lipídios específicos no domínio da membrana de cada monômero que impõe uma gama de ângulos agudos nos eixos centrais dos monômeros, e um pivô entre as cunhas acomoda os movimentos de balanço da máquina que acompanha catálise e outros movimentos que acontecem independentemente. Também esclarece como o rotor de membrana é feito para girar.

Cientistas do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria também têm trabalhado na ATP sintase. Eles se gabam de ter resolvido a estrutura da “menor turbina do mundo“, que Leonid Sazanov chama de “uma das enzimas mais importantes da Terra“. O trabalho de sua equipe concentra-se na porção rotativa da enzima (F _o ), que está oculta dentro da bicamada lipídica.

Para resolver a estrutura do domínio Fo e de todo o complexo, os pesquisadores estudaram a enzima da mitocôndria de ovelhas usando microscopia crioeletrônica. E aqui, a ATP sintase apresenta um problema especial: por girar, a ATP sintase pode parar em três posições principais, bem como em subestados. “É muito difícil distinguir entre essas posições, atribuindo uma estrutura para cada posição que a ATP sintase pode assumir. Mas conseguimos resolver isso computacionalmente para construir a primeira estrutura completa da enzima”, acrescenta Sazanov.

Eles também descobriram um plugue especial que pode parar a máquina quando a célula está morrendo. Chamado de “poro de transição de permeabilidade”, este plugue só pode ser aberto por um “aparelho de gancho” que é conectado à porção catalítica em F ₁ e ao fundo da membrana. Os sinais de cálcio acionam uma grande mudança conformacional, que puxa o gancho e abre o plugue. Os prótons vazam, desestabilizando o rotor e parando a máquina. Parece um interruptor de parada de emergência.

Flagelo Bacteriano

Mais foi descoberto também sobre um recurso de identificação familiar, o flagelo bacteriano. Cientistas europeus liderados por Vitan Blagotinsek, também publicando em PNAS , ² descobriram que “Um parceiro dependente de ATP liga a montagem do anel C flagelar com a expressão do gene”. Isso se refere ao controle de quantos flagelos as células constroem na superfície. Algumas bactérias têm um; outros têm dois ou mais. Como a célula regula o número de flagelos foi “mal compreendido” até agora.

No filme Desvendando o Mistério da Vida, Scott Minnic se referiu aos mecanismos de feedback que controlam quantas peças são enviadas para o canteiro de obras. A equipe europeia elucidou um desses comentários. O segredo para controlar quantos flagelos são construídos, eles descobriram, ocorre quando uma peça alimentada por ATP chamada FlhG vira uma chave molecular entre dois outros componentes:

Dependendo do seu estado de oligomerização dependente de ATP, FlhG interage com a proteína do anel C FliM durante a montagem flagelar ou com o regulador mestre flagelar FlrA. Essa troca de parceiro entre FliM e FlrA estabelece uma rede regulatória crítica para a regulação numérica dos flagelos, na qual a montagem física do flagelo realimenta transcricionalmente para evitar a produção de mais blocos de construção.

Novas informações também foram obtidas sobre a tampa em forma de pentágono que controla a adição ordenada de monômeros à hélice em crescimento (veja a animação “Evolução Darwiniana vs Motor de Flagelos Bacterianos e Mecanismo de Gancho” aqui de 1:00 à 2:15). Publicando na Nature Communications, ³ Al-Otaibi e seis outros no Reino Unido usaram microscopia crioeletrônica para estudar a “estrutura do complexo da capa do flagelo bacteriano” que “sugere um mecanismo molecular para o alongamento do filamento”.

A tampa pentagonal, parecendo um pouco com um banco, é composta de proteínas FliD. Esta tampa é primeiro extrudida em pedaços através do canal central do gancho. Suas subunidades se auto-montam no final, enquanto formam “um extenso conjunto de contatos em várias subunidades, que contribuem para a oligomerização FliD”. A tampa então guia as proteínas flagelinas individuais que sobem através do canal até suas posições no filamento em crescimento, conforme mostrado na animação. Este é um processo bem controlado, eles descobriram, dependente do arranjo preciso dos aminoácidos em cada proteína, de modo que os contatos funcionem como pretendido.

Uma vez fora do FliD, propomos que os resíduos hidrofóbicos expostos atuem como uma chaperona e promovam o dobramento da flagelina em seu local de inserção. A fim de acomodar a próxima subunidade da flagelina, mudanças conformacionais precisam ocorrer para abrir uma bolsa de ligação adjacente. Propomos que o dobramento do novo protômero da flagelina leva ao deslocamento do complexo de cobertura, que gira em ~ 65 ° , posicionando assim uma cavidade adjacente do complexo de cobertura próximo ao próximo local de inserção da flagelina (Fig. 5). Esta hipótese está de acordo com os mecanismos de alongamento flagelar propostos anteriormente.

Quanto à especificidade desta operação, os cientistas dizem que “interromper essas interações tem um efeito significativo na motilidade celular”. Lembramos as palavras de Michael Behe : “Se alguma dessas peças estiver faltando, ou você obtém um flagelo que não funciona, porque está faltando o gancho ou está faltando o eixo de transmissão ou qualquer outra coisa, ou nem mesmo construído dentro da célula.”

Os defensores do DI devem se sentir encorajados a ver os argumentos para a complexidade irredutível resistindo ao teste do tempo. Depois de mais de duas décadas, os evolucionistas ainda “falharam em oferecer qualquer explicação darwiniana detalhada” para um motor rotativo surgindo por seleção natural, como evidenciado pelo silêncio completo de todos os três artigos sobre essa questão-chave.

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Notas

Spikes, Montgomery e Walker, “Structure of the dimeric ATP sintase from bovine mitochondria.” PNAS 8 de setembro de 2020. https://doi.org/10.1073/pnas.2013998117.
Blagotinsek et al ., “Um interruptor de parceiro dependente de ATP liga a montagem do anel C flagelar com a expressão do gene.” PNAS 25 de agosto de 2020 117 (34) 20826-20835.https://doi.org/10.1073/pnas.2006470117.
Al-Otaibi et al ., “A estrutura crio-EM do complexo da capa do flagelo bacteriano sugere um mecanismo molecular para o alongamento do filamento.” Nature Communications, 25 de junho de 2020: 11, 3210 (2020).https://doi.org/10.1038/s41467-020-16981-4.

Remoção de Gene Pode Tornar Os Poxvírus Letais Inofensivos

pela Universidade de Surrey – Phys | Org

A remoção de um gene torna os poxvírus – uma família letal de infecções virais que se espalham de animais para humanos – inofensivos, num novo estudo publicado na revista Science Advances.

Durante este estudo inovador, cientistas do Conselho Nacional de Pesquisa da Espanha e da Universidade de Surrey investigaram a resposta imunológica das células aos poxvírus. Poxvírus, como a varíola bovina e a varíola dos macacos, podem se espalhar para humanos a partir de animais infectados, causando lesões na pele, febre, inchaço dos gânglios linfáticos e até morte.

Os vírus contêm material genético que os ajuda a superar as células hospedeiras, permitindo a replicação e a disseminação da infecção. As células do corpo são compostas por moléculas que detectam a presença de vírus, às vezes por meio do reconhecimento de seu material genético, e alertam o sistema imunológico sobre uma infecção iminente. Os poxvírus, ao contrário de outros vírus, são altamente incomuns, pois possuem grandes genomas de DNA que são replicados exclusivamente no citosol celular, uma área da célula cheia de sensores. Ainda não se sabe como os poxvírus conseguem permanecer indetectáveis.

Semelhante à varíola humana, os cientistas neste estudo usaram o vírus ectromelia (ECTV), um membro da família dos poxvírus que causa a varíola dos ratos. ECTV se espalha através do sistema linfático de camundongos para órgãos vitais, onde ocorre a replicação massiva do vírus, resultando na morte rápida do animal.

Durante suas investigações, os cientistas identificaram um gene, o viral Schlafen (vSLFN), que bloqueia a resposta celular ao genoma do vírus, tornando a infecção silenciosa para o sistema imunológico.

Surpreendentemente, a desativação desse gene tornou a infecção detectável, desencadeando uma potente resposta imunológica que protegeu os animais contra doses um milhão de vezes maiores do que a quantidade letal normal.

Após a remoção do vSLFN, verificou-se que os animais com o vírus modificado estavam protegidos da infecção subcutânea, respiratória e intravenosa e todos sobreviveram. Os cientistas também descobriram que a proteção era mediada pelo interferon, uma molécula conhecida por ter poderosas propriedades antivirais, e células assassinas naturais, que desempenham um papel importante na rejeição do hospedeiro de células infectadas por vírus.

Os pesquisadores acreditam que essas descobertas esclarecerão como combatemos as infecções microbianas e melhorarão a eficácia e a segurança das vacinas, agentes anti-cânceres e terapias genéticas baseadas em poxvírus.

O Dr. Carlos Maluquer de Motes, professor titular de Virologia Molecular na Universidade de Surrey, disse: “Os vírus, embora minúsculos, são agentes muito complexos com estratégias muito sofisticadas contidas em seu material genético. Mas é também esse mesmo material genético que faz eles serem vulneráveis ao reconhecimento de células. A remoção do gene vSLFN protegeu os animais contra a varíola dos ratos, e acreditamos que podemos ver os mesmos resultados para outros poxvírus.

“Nossos resultados revelam a importância de ativar as moléculas responsáveis pela detecção do material genético de micróbios na luta contra os vírus. Além disso, eles também sugerem que mimetizar a ação do vSLFN pode ser uma estratégia válida para prevenir doenças auto-inflamatórias e auto-imunes que são causadas quando o material genético das células é detectado pelo sistema imunológico, promovendo uma reação. “

O Dr. Antonio Alcami, do Conselho Nacional de Pesquisa da Espanha, disse: “A inibição viral do sensor de DNA impede a indução da resposta de IFN tipo I e complementa outro mecanismo viral para sequestrar IFN tipo I por meio da secreção de receptores isca de IFN solúveis. Isso destaca o importância da resposta do IFN tipo I no controle da imunidade. “

[Ênfase adicionada] | [Imagem extraída do Phys]

Mais informações: Viral cGAMP nuclease reveals the essential role of DNA sensing in protection against acute lethal virus infection” Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.abb4565

Informação do diário: Science Advances

Mutação que leva a mudanças biológicas pode desempenhar um papel no câncer

por Marie Moucarry, Universidade McGill – Medical Express

Um novo estudo do Goodman Cancer Research Center (GCRC) da McGill University revelou mudanças biológicas significativas em camundongos que expressam uma forma mutante ativada do receptor de estrogênio alfa (ER alfa), lançando uma nova luz sobre o papel deste importante gene no desenvolvimento e no câncer.

Superexpresso em cerca de 70% dos casos de câncer de mama, o receptor de estrogênio é frequentemente associado à resistência à terapia do câncer de mama quando sofre mutação e, portanto, pode contribuir para resultados ruins para os pacientes. Para entender como os efeitos biológicos das mutações ER alfa podem levar ao câncer, os pesquisadores do GCRC geraram o primeiro modelo de camundongo expressando uma dessas mutações no início do desenvolvimento, trazendo uma nova visão sobre seus efeitos no desenvolvimento dos órgãos sexuais.

A pesquisa, liderada pelo Dr. William Muller no GCRC e publicada em Genes and Development, revela defeitos dramáticos de desenvolvimento nos órgãos reprodutivos, glândulas mamárias e ossos de ratos que expressam mutações no receptor de estrogênio. A mutação não apenas causou crescimento atrofiado e desenvolvimento sexual anormal em camundongos fêmeas e machos, mas também desencadeou mudanças físicas e genéticas em camundongos machos que os fizeram fenotipicamente se assemelhar a camundongos fêmeas.

“A feminização observada dos ratos machos é consistente com a noção de longa data de que a sinalização do estrogênio é essencial na diferenciação sexual dos tratos reprodutivos em ambos os sexos“, observa o Prof. Muller. “A compreensão dos efeitos biológicos desta mutação no contexto da mama nos permitirá desenvolver melhores abordagens terapêuticas para pacientes com câncer no futuro.“

Essas novas descobertas do GCRC apóiam a ciência existente que revela mudanças críticas no desenvolvimento e no comportamento em camundongos machos com modificação genética do ER alfa. Patologicamente, os ratos machos exibem uma atrofia dramática dos testículos e vesículas seminais, bem como uma ausência das glândulas prepuciais, ambas inerentes ao comportamento sexual e de dominância em ratos (Bronson e Caroom 1971; Bronson e Marsden 1973).

Biologia do desenvolvimento lançando luz sobre o câncer?

As mudanças no desenvolvimento observadas nesses camundongos podem muito bem estar relacionadas a aspectos específicos do câncer. Curiosamente, ESR1 (o gene humano que corresponde ao ER alfa) foi encontrado para ser mutado em alguns cânceres de endométrio e hiperestrogenismo e pode ocorrer congenitamente em homens e está ligado ao câncer de próstata, bem como outros tipos de patologia. Na verdade, a biologia do desenvolvimento é importante no estudo do câncer e entender como os genes afetam o desenvolvimento de certos órgãos e pode nos dizer muito sobre como esses mesmos genes podem causar ou contribuir para o câncer.

“Nossas observações fornecem percepções críticas sobre o papel do receptor de estrogênio durante o desenvolvimento“, diz Alexandra Simond, uma estudante de graduação da Universidade McGill e primeira autora do trabalho publicado. “Nossas descobertas foram definitivamente inesperadas, mas acreditamos que ajudarão a fortalecer nossa compreensão do papel do ER alfa no desenvolvimento e no câncer, o que, em última análise, levará a um tratamento personalizado melhor para aqueles que precisam dele.“

O Prof. Muller reconhece o apoio que recebeu de agências de financiamento, incluindo os Institutos Canadenses de Pesquisa em Saúde e o Programa de Cátedras de Pesquisa do Canadá, e a inovação das principais plataformas tecnológicas do GCRC sem as quais esta pesquisa não teria sido possível.

Este estudo do GCRC não apenas fornece uma compreensão mais profunda da funcionalidade chave do receptor de estrogênio durante o desenvolvimento, mas também lança uma nova luz sobre a *evolução [ *o viés evolucionista de praxe] do fenótipo de certos ratos, o que é muito impressionante. Mais pesquisas serão necessárias para ligar mais definitivamente os fenótipos observados com aspectos específicos da mama e, potencialmente, outros cânceres em que está mutado.

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Mais informações: Alexandra M. Simond et al. Point-activated ESR1Y541S has a dramatic effect on the development of sexually dimorphic organs, Genes & Development (2020). DOI: 10.1101/gad.339424.120

Informação do diário: Genes & Development

Os cientistas estão tentando decifrar a linguagem escondida em nossos corpos

By FETFX [Jan – 2018]

Sim, o DNA tem uma linguagem própria e os cientistas querem entendê-lo para aplicar soluções terapêuticas personalizadas com base na análise dos biomarcadores genômicos do indivíduo e sua regulação.

O DNA é como uma linguagem, com seu próprio alfabeto e gramática. E os cientistas do MRG-GRammar querem desvendar suas regras.

Sobre o que estamos conversando? Um grupo de pesquisadores sob a bandeira do projeto MRG-GRammar (Massive Reverse Genomics to Decipher Gene Regulatory Grammar), um projeto europeu financiado sob Future and Emerging Technologies in Horizon 2020, está empenhado em compreender a linguagem do DNA, combinando biologia sintética com tecnologias inovadoras de impressão de DNA e bioinformática. A compreensão dessa linguagem será útil para implementar um sistema de saúde adequado às necessidades de cada pessoa, para a detecção de diferentes tipos de câncer, como o melanoma, por exemplo, e de forma mais geral para encontrar a origem de muitas doenças.

Como para qualquer outra língua, a linguagem do DNA é composta por um alfabeto e uma gramática. Quatro letras (pares de bases) constituem o alfabeto genético: A, T, G, C; e um gene nada mais é do que uma palavra, que é uma sequência daquelas letras como TCGATTAGG…

Quando o Projeto Genoma Humano terminou em 2003, os cientistas determinaram a sequência de pareamento de bases de nucleotídeos no DNA do Homo sapiens. Deu-nos um livro para ler, mas embora possamos ler as letras e reconhecer muitas palavras de seu vocabulário, não conhecemos regras gramaticais suficientes para sermos capazes de compreender o significado de todo o livro.

Compreender a regulação do gene pode ter impactos em campos além da medicina, como a agricultura. Créditos: via flickr.com.

Para administrar essa complexidade, os pesquisadores do projeto MRG-GRammar estreitaram seus interesses, focando nas regras que regulam a expressão gênica, as proteínas finais feitas pelo DNA. Na verdade, a atividade regulatória do genoma, que determina como os genes são expressos, é essencial para entender que tipo de consequências uma mutação pode trazer nas regiões regulatórias do genoma, por exemplo, um câncer de melanoma. Além da saúde, essa compreensão da regulação do gene poderia ser usada para uma melhor produção de biocombustíveis, na agricultura e em outros campos industriais.

“Se pudéssemos entender o que está errado e por quê, por exemplo, com as células, capturando e depois mudando as regras que as instruem a reagir de uma determinada forma, este seria um incrível passo à frente para a medicina”, diz Sarah Goldberg, pesquisador do Technion – Instituto de Tecnologia de Israel em Haifa, um dos cientistas envolvidos no projeto.

Em particular, a estratégia seguida pelos membros do projeto consiste em gerar novos tipos de conjuntos de dados biológicos que exploram sistematicamente todas as combinações regulatórias possíveis, construindo uma base de conhecimento a partir da qual o algoritmo regulatório pode ser derivado. Partindo desse algoritmo, seria possível não apenas decifrar o código regulatório natural existente, mas também interpretar variações que levassem a uma compreensão profundamente mais profunda das origens de muitas doenças.

O progresso promissor foi documentado por uma publicação na Nature Communications.

A equipe MRG-Grammar também colaborou com a artista Anna Dumitriu no âmbito do FEAT, um projeto FET que explora a arte como um novo canal de comunicação científica. O resultado da colaboração é a obra de Dumitiu “Make Do and Mend”, que o artista realizou editando o genoma de uma bactéria E. coli com a revolucionária técnica CRISPR. O objetivo desse esforço é aumentar a conscientização sobre a resistência aos antibióticos desenvolvida por bactérias, um dos maiores desafios da medicina moderna.

O projeto MRG-GRammar de € 4M envolveu sete parceiros e é coordenado pelo Technion – Instituto de Tecnologia de Israel em Haifa, Israel.

Imagem da capa: via pixabay.com

Variação no DNA ‘lixo’ leva a problemas

By Science Daily [Ago / 2016]

Embora as variantes estejam espalhadas por todo o genoma, os cientistas têm ignorado amplamente os trechos do código genético repetitivo, antes conhecidos com desprezo como DNA “lixo” em sua busca por diferenças que influenciam a saúde e as doenças humanas.

Um novo estudo mostra que a variação nessas regiões repetitivas negligenciadas também pode afetar a saúde humana. Essas regiões podem afetar a estabilidade do genoma e o funcionamento adequado dos cromossomos que empacotam o material genético, levando a um maior risco de câncer, defeitos congênitos e infertilidade. Os resultados aparecem online na revista Genome Research.

“A variação não é importante apenas para o funcionamento dos genes e proteínas, mas também pode ocorrer nas porções não codificantes e repetitivas do genoma“, disse Beth A. Sullivan, Ph.D. sênior, autora do estudo e professora associada de biologia molecular e microbiologia na Duke University School of Medicine.

“O que descobrimos neste estudo é provavelmente a ponta do iceberg“, disse Sullivan. “Pode haver todos os tipos de consequências funcionais em ter variação dentro da porção complexa e repetitiva do genoma que ainda não conhecemos.”

Embora a sequência do genoma humano tenha sido declarada completa há mais de uma década, ela mantém várias lacunas gritantes, especialmente nas sequências repetitivas em torno dos centrômeros, os laços tortuosos que mantêm um par de cromossomos juntos em uma forma de X flexível e coordenam seus movimentos durante a divisão celular.

Essas sequências de centrômero – chamadas de DNA de satélite – são compostas por blocos de exatamente 171 A’s, C’s, T’s e G’s, repetidos continuamente por milhões de pares de bases. Os pesquisadores certa vez acreditaram que cada cromossomo continha um único trecho desse DNA satélite, que determinava onde seu centrômero residiria. Mas, há alguns anos, o laboratório de Sullivan descobriu que muitos cromossomos humanos possuíam mais de uma dessas regiões e, dependendo do indivíduo, o centrômero poderia se formar em qualquer um dos locais.

Neste estudo, Sullivan queria ver como o cromossomo decide onde colocar seu centrômero e se um local constrói um centrômero “melhor” do que o outro. Dos 23 pares de cromossomos humanos, ela se concentrou no cromossomo 17, que é estruturalmente reorganizado ou mutado em muitos tipos de câncer e defeitos de nascença.

Primeiro, Sullivan e sua equipe combinaram ensaios moleculares e visuais, estendendo o cromossomo em longas fibras de cromatina que foram pintadas com sondas fluorescentes para mapear a variação na sequência genômica nas duas regiões diferentes do DNA satélite. Em seguida, eles examinaram cada região satélite para a presença de proteínas necessárias para construir um centrômero totalmente funcional.

Os pesquisadores descobriram que a variação genômica em uma dessas regiões de DNA satélite – seja no tamanho ou na sequência de suas unidades repetidas de 171 pares de bases – determina em última instância se o centrômero é construído no local primário ou no local alternativo.

Quando interrogaram amostras de um banco de DNA humano, eles descobriram que cerca de 70% dos humanos têm pouca variação genômica no local primário, enquanto 30% têm diferentes graus de variação. Na maioria das vezes, os centrômeros não são construídos no sítio principal se contiverem variação e, em vez disso, são montados no sítio de “backup” próximo. Mas quando isso acontece, o resultado pode ser um centrômero disfuncional que é arquitetonicamente defeituoso e um cromossomo instável que pode estar presente em muitas ou poucas cópias.

“É extremamente fascinante pensar que há tantas pessoas andando por aí que são essencialmente mosaicos de centrômero“, disse Sullivan. “Um de seus centrômeros, em um de seus cromossomos, tem o potencial de ser perigosamente instável e pode afetar sua capacidade de reprodução ou predispor ao câncer.”

No futuro, Sullivan planeja investigar quão grande é o risco que as regiões satélites variantes representam para aqueles que as carregam, e possivelmente desenvolver uma maneira de usar essas sequências como biomarcadores para os defeitos cromossômicos que podem levar à doença.

[*Obs: ênfases adicionadas]

Fonte da história:

Materials provided by Duke University. Note: Content may be edited for style and length.

Journal Reference:

Megan E Aldrup-MacDonald, Molly E Kuo, Lori L Sullivan, Kimberline Chew, Beth A Sullivan. Genomic variation within alpha satellite DNA influences centromere location on human chromosomes with metastable epialleles. Genome Research, 2016; gr.206706.116 DOI:10.1101/gr.206706.116

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21.Novembro.2023

O verme Caenorhabditis elegans tem 302 neurônios (verdes) que os pesquisadores podem estudar usando ferramentas como marcadores fluorescentes.Crédito: Heiti Paves/Science Photo Library

Os pesquisadores usaram a optogenética para estimular cada um dos neurônios de C. elegans (mostrados aqui na mira) e depois observaram como o sinal elétrico se propaga para outras células nervosas (cintilação vermelha). Crédito: Francesco Randi, Universidade de Princeton

[Ênfase adicionada]

16.Novembro.2023

[Ênfase adicionada]

04.Outubro.2023

Andaimes de tecido de bioengenharia adequados para tradução pré-clínica

Projetos de engenharia racional para criar andaimes de rede flexíveis

Comportamento mecânico dos andaimes de rede flexíveis

Validando o desempenho regenerativo dos andaimes de tecido

Panorama

30 de maio de 2023, 16h43

▪️ O Espaço da Forma é o Espaço da Função

▪️ Visualizando Alterações Funcionais Durante a Mitose

▪️ Anedota

26.Abril.2023

12.04.2023

05.01.2023

▪️ A Orquestra

▪️ As forças armadas

▪️ Vigilância e Inspeção

▪️ Primeira resposta

▪️ Operações de Combate

▪️ Médicos

▪️ Funcionários do Hospital

▪️ Equipe de limpeza

22 de abril de 2019

16 | Fev | 22

[Imagem] – O co-autor Christopher Go pesquisou a paisagem celular humana usando 192 marcadores para proteínas conhecidas por residirem em organelas específicas que podem “marcar” proteínas vizinhas no mesmo compartimento. Crédito: Sinai Health

Memórias Distantes

Um princípio geral na manutenção do genoma

Enquanto isso, em outro lugar do Núcleo

Uma invenção engenhosa

Uma fêmea de besouro brilhando com uma luz verde-amarela. Crédito: NYU Abu Dhabi

Totalidades Funcionais

Além do DNA

Uma revolução biológica

O darwinismo está à altura da tarefa?

Design Science está à altura da tarefa?

29 de setembro de 2020

ATP Sintase

Sistemas Sintase

Flagelo Bacteriano

Notas

Células T assassinas circundam uma célula cancerosa. Crédito: NIH

Compreender a regulação do gene pode ter impactos em campos além da medicina, como a agricultura. Créditos: via flickr.com.

Imagem da capa: via pixabay.com