RNA em ação: filmar a auto-montagem de uma ribozima
Os investigadores visualizaram, com um pormenor sem precedentes, a forma como uma grande molécula de ARN se monta numa máquina funcional
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O ARN é uma molécula biológica central, atualmente muito utilizada na medicina e na nanotecnologia. Tal como as proteínas, o ARN obtém frequentemente a sua função a partir da sua estrutura tridimensional. Um estudo recente na revista Nature Communications registou, pela primeira vez, uma ribozima em movimento - quase quadro a quadro. Os investigadores registaram a forma como esta minúscula máquina de ARN se dobra, flexiona e monta, revelando a sua intrincada coreografia com um detalhe sem precedentes.
Utilizando técnicas de ponta - microscopia crio-eletrónica (cryo-EM), dispersão de raios X a baixo ângulo (SAXS), bioquímica e enzimologia do ARN, processamento de imagem e simulações moleculares - os cientistas observaram a montagem de uma ribozima de auto-splicing - uma molécula de ARN que pode "cortar e colar" a sua própria sequência, essencialmente editando a si própria para se tornar operacional. Captaram o processo dinâmico dos "bastidores" através do qual a ribozima de auto-splicing se dobra na sua estrutura funcional. A investigação foi conduzida pela equipa de Marco Marcia , antigo líder do grupo EMBL e atualmente Professor Associado e líder do grupo SciLifeLab na Universidade de Uppsala, Suécia.
Esta descoberta foi possível graças às instalações de ponta e aos serviços especializados do EMBL Grenoble, que permitiram a integração de métodos avançados de biologia estrutural com a bioquímica e a enzimologia do ARN. O grupo de Marcia também beneficiou de uma estreita colaboração com o Centro de Biologia de Sistemas Estruturais (CSSB) de Hamburgo, onde foram desenvolvidas abordagens inovadoras de processamento de imagens cryo-EM adaptadas a este projeto específico, e com o Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), que forneceu conhecimentos de alto nível em simulação molecular.
"A determinação das estruturas de ARN é uma tarefa difícil - a flexibilidade inerente e a carga negativa fazem do ARN um alvo notoriamente difícil para estudos estruturais", afirmou Shekhar Jadhav, antigo bolseiro de pré-doutoramento no EMBL Grenoble, atualmente pós-doutorado na Universidade de Uppsala, na Suécia. "Esforços persistentes e uma extensa análise em microscópios electrónicos acabaram por nos levar a visualizar a dinâmica elusiva do ARN."
A imagem representa mapas de densidade crio-EM para os dois estados conformacionais extremos que o intrão do grupo II adquire durante a dobragem, através de um movimento dinâmico contínuo dos seus motivos helicoidais estruturados.
Shekhar Jadhav/EMBL
Como um domínio orquestra o enredo do ARN
No centro desta produção está o Domínio 1 (D1), o andaime central da ribozima e, ao que parece, o seu diretor. Este domínio actua como um portão molecular, dando indicações aos outros domínios (D2, D3, D4) para entrarem precisamente no momento certo durante o processo de dobragem.
Movimentos subtis em partes importantes da molécula D1 levam uma das suas secções a abrir-se e a dar lugar à seguinte. Cada domínio entra em cena apenas quando o anterior está corretamente colocado, criando uma sequência perfeita de coreografia molecular que evita erros estruturais e garante um final impecável: a formação de uma estrutura que pode catalisar uma reação química, essencial para a função da ribozima.
Capturar as tomadas ocultas
Ao analisar centenas de milhares de partículas individuais de ARN, a equipa reconstruiu "takes" intermédios que eram invisíveis nas estruturas cristalinas estáticas. Estas imagens fugazes mostram como o ARN explora poses alternativas antes de se fixar na sua conformação final.
Representação dinâmica de mapas de densidade para os dois estados conformacionais extremos que o intrão do grupo II adquire durante a dobragem, através de um movimento dinâmico contínuo dos seus motivos helicoidais estruturados. Shekhar Jadhav/EMBL
"Para captar estes fotogramas fugazes, tivemos de desenvolver novas estratégias de processamento de imagens crio-EM", afirmou Maya Topf, líder de grupo no CSSB, professora no Centro Médico Universitário de Hamburgo-Eppendorf e colaboradora no estudo. "Este é um ótimo exemplo de como a inovação computacional e os dados crioEM de alta qualidade podem revelar as conformações ocultas das máquinas moleculares."
Os dados SAXS e as simulações de dinâmica molecular ajudaram os cientistas a aperfeiçoar cada quadro e a montar o enredo.
"Um dos principais pontos fortes deste trabalho é a sinergia entre estes novos dados estruturais de ponta sobre o ARN e as nossas simulações moleculares avançadas deste sistema exigente", afirmou Marco De Vivo , chefe do Laboratório de Modelação Molecular e Descoberta de Fármacos e diretor associado para a computação do Institu Italiano di Technologia em Génova, e um dos colaboradores neste estudo. "Esta abordagem combinada clarificou, a um nível de pormenor atomístico sem precedentes, a dinâmica que impulsiona toda a montagem desta molécula de ARN, o que abre agora novas vias para os esforços de descoberta de medicamentos dirigidos ao ARN."
Dos guiões antigos aos spin-offs modernos
Pensa-se que os intrões do grupo II, as ribozimas apresentadas neste filme molecular, são os antepassados do spliceossoma, a maquinaria complexa que edita o ARN nas células humanas. Ao revelar a forma como estas moléculas se dobram eficientemente e evitam armadilhas cinéticas, o estudo fornece uma nova perspetiva sobre a forma como a vida primitiva baseada no ARN pode ter desenvolvido as suas ferramentas de edição. Para além da tradição evolutiva, este trabalho também prepara o terreno para a conceção e engenharia do ARN - orientando a forma como as futuras biotecnologias poderão programar as moléculas de ARN para se dobrarem corretamente para utilização em terapêutica ou nanobiotecnologia.
Abrir a porta à IA do ARN
Os conjuntos de dados detalhados e os mecanismos moleculares descobertos neste estudo oferecem uma referência valiosa para treinar e testar modelos de IA. Algumas das estruturas de ARN aqui resolvidas já foram utilizadas em competições internacionais CASP - o mesmo desafio de previsão que deu origem ao AlphaFold - como recentemente descrito na revista Proteins .
"Espera-se que este trabalho desempenhe um papel fundamental na definição de abordagens de inteligência artificial para a previsão de estruturas de RNA, abrindo caminho para um novo 'AlphaFold para RNA'", disse Marcia.
Esta convergência de precisão experimental e aprendizagem automática marca uma nova fase para a biologia estrutural do ARN, em que a IA e a crio-EM podem aprender uma com a outra para prever, visualizar e compreender a dinâmica da molécula mais versátil da vida.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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