Cientistas desvendam o ritmo circadiano em cianobactérias

proteína kaiC

Os cientistas querem aumentar sua compreensão dos ritmos circadianos, aqueles ciclos internos do relógio biológico de 24 horas de sono e vigília que ocorrem em organismos, desde humanos a plantas, fungos e bactérias. Uma equipe de pesquisa examinou o complexo funcionamento das cianobactérias e agora pode compreender melhor o que impulsiona seu relógio circadiano.

A equipe, liderada por pesquisadores do Institute for Molecular Science, National Institutes of Natural Sciences em Okazaki, Japão, publicou suas descobertas em 15 de abril de 2022 na Science Advances .

A equipe concentrou sua pesquisa em KaiC, a proteína do relógio que regula o ritmo circadiano em cianobactérias, um tipo de bactéria que vive em todos os tipos de água e é frequentemente encontrada em algas verde-azuladas. Esses relógios biológicos em organismos são compostos de proteínas (Figura 1, painel superior direito). O relógio circadiano cianobacteriano é o relógio circadiano mais simples no que diz respeito ao número de seus componentes, mas ainda é um sistema muito complexo que pode fornecer aos cientistas pistas sobre o funcionamento de todos os relógios circadianos. As cianobactérias azuladas são microrganismos que podem ser encontrados em ambientes que vão desde águas salgadas e doces até solos e rochas. A equipe examinou a base estrutural da alosteria, as mudanças complexas que ocorrem na forma e na atividade da proteína KaiC nas cianobactérias. Alosteria impulsiona o relógio circadiano cianobacteriano.

A equipe estudou as estruturas atômicas da proteína do relógio KaiC, examinando milhares de condições de cristalização. Este estudo detalhado das estruturas atômicas permitiu cobrir todo o ciclo de fosforilação, aquele processo em que um fosfato é transferido para a proteína (Figura 2, painel inferior). A fosforilação coopera com outro ciclo de reação, a hidrólise de ATP, que é o evento consumidor de energia que determina a velocidade do relógio (Figura 2, painel superior). O sistema de hidrólise fosforilação-ATP funciona como um regulador da atividade celular. Para ajudá-los a entender a base da alosteria, eles cristalizaram a proteína KaiC em oito estados distintos, permitindo observar a cooperação entre o ciclo de fosforilação e o ciclo de hidrólise do ATP funcionando como duas engrenagens (Figura 2).

No passado, os cientistas estudaram o ciclo do fósforo da proteína KaiC in vivo , in vitro e in silico . No entanto, pouco se sabia sobre como a alosteria regula o ciclo do fósforo em KaiC.

Ao estudar o KaiC nos oito estados distintos, a equipe conseguiu observar um acoplamento que ocorre no ciclo do fósforo e no ciclo de hidrólise da ATPase. Este acoplamento das duas engrenagens aciona o relógio circadiano cianobacteriano.

Como as proteínas são compostas por um grande número de átomos, não é fácil entender os mecanismos de suas funções complicadas, mas ordenadas. Precisamos rastrear as mudanças estruturais das proteínas pacientemente.”

Yoshihiko Furuike, professor assistente do Institute for Molecular Science, National Institutes of Natural Sciences

A proteína KaiC ativa e inativa ritmicamente os ciclos de reação de forma autônoma para regular os estados de montagem de outras proteínas relacionadas ao relógio. Então, pensando em seus próximos passos, a equipe pode usar a biologia estrutural para revelar os mecanismos atômicos de aceleração e desaceleração das rotações das engrenagens. “Nosso objetivo é ver todas as proteínas do relógio de cianobactérias durante a oscilação em nível atômico e descrever o momento em que o ritmo ordenado surge da dinâmica atômica caótica”, disse Furuike.

Seu trabalho pode servir como uma ferramenta de pesquisa, ajudando os cientistas a entender melhor os mecanismos em funcionamento no ciclo do relógio circadiano. Olhando para o futuro, a equipe de pesquisa pode ver suas descobertas tendo aplicações mais amplas. Mamíferos, insetos, plantas e bactérias têm suas próprias proteínas de relógio com sequências e estruturas distintas. “No entanto, a lógica por trás da relação entre a dinâmica KaiC e as funções do relógio pode ser aplicada a outros estudos em vários organismos”, disse Furuike.Fonte:

Referência do jornal:

Furuike, Y., et ai. (2022) Elucidação da alosteria mestre essencial para a oscilação do relógio circadiano em cianobactérias. Avanços da Ciência. 

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