Proteínas tardígradas retardam o envelhecimento das células humanas

Os pesquisadores descobriram que as proteínas tardígradas, quando expressas nas células humanas, podem desacelerar seu metabolismo e melhorar a sobrevivência. Esse processo reversível desencadeia a formação de um gel dentro das células e desencadeia a biostase. Essas proteínas podem abrir caminho para novas estratégias antienvelhecimento e ajudar a melhorar as técnicas de preservação celular.

Os tardígrados (ou ursos d'água) são alguns dos organismos mais resistentes da Terra. Com uma média de menos de meio milímetro de comprimento, eles têm uma incrível capacidade de sobreviver em condições extremas. Por exemplo, eles podem suportar temperaturas que variam de alguns graus acima do zero absoluto a 150 °C, bem como níveis de radiação que praticamente nenhum organismo vivo pode suportar, muito menos incrível estabilidade no vácuo do espaço.

Semelhante aos tardígrados, vários outros organismos também são resistentes à dessecação. Em um ambiente desprovido de água, eles caem em um estado de biostase (cessação temporária das funções vitais) chamado anidrobiose. Nesse estado, eles suspendem completamente seu metabolismo até serem reidratados. Os organismos anidrobióticos protegem suas células dos danos causados pela dessecação, acumulando açúcares não redutores, como a sacarose.

No entanto, a maneira pela qual os tardígrados sobrevivem à dessecação é particularmente intrigante. Eles acumulam muito pouco, ou nenhum, açúcar. Em vez disso, eles dependem de uma ampla gama de proteínas desordenadas que fornecem proteção adaptativa contra a desidratação. Estas incluem as chamadas proteínas "citoplasmáticas abundantes solúveis em calor" (CAHS).

No entanto, como essas proteínas desencadeiam a biostase em tardígrados permanece em grande parte obscura. Em seu novo estudo, publicado na revista Protein Science, cientistas da Universidade de Wyoming (EUA) continuaram a estudar os processos causados por essas proteínas, estudando seus efeitos nas células humanas. "Nossas descobertas abrem caminho para o desenvolvimento de tecnologias destinadas a induzir biostase em células e até organismos inteiros para retardar o envelhecimento e melhorar a preservação e a estabilidade", explicaram em um comunicado à imprensa.

Gel que induz biostasia reversível

No novo estudo, os pesquisadores se concentraram em CAHS D, uma proteína CAHS usada pelo tardígrado Hypsibius exemplaris para anidrobiose. Outros estudos já demonstraram que, quando expressa em leveduras e bactérias, essa proteína tem efeito protetor contra danos causados pela secagem.

No processo que leva à anidrobiose, a CAHS D muda de um estado de solução para um estado de gel sólido. Tem sido sugerido que tal gelificação pode desempenhar um papel na capacidade protetora das proteínas CAHS. No entanto, os mecanismos moleculares subjacentes a esta gelificação não são totalmente compreendidos. A relação entre a gelificação da HACA e sua capacidade protetora é em grande parte hipotética, e ainda não foram realizados estudos práticos nessa área.

Para explorar essa questão, pesquisadores da Universidade de Wyoming analisaram a estrutura dos hidrogéis CAHS D usando microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espalhamento de raios X a baixos ângulos (MRRL), uma técnica analítica que mede a intensidade dos raios X espalhados por uma amostra em função do ângulo de espalhamento. Para analisar as interações moleculares que levam ao gelling, os pesquisadores combinaram abordagens computacionais e biofísicas.

Eles descobriram que os hidrogéis CAHS D consistem em uma rede entrelaçada de fibras com cerca de 10 nanômetros de comprimento. A transição para um estado semelhante a um gel é causada por uma mudança na concentração do meio líquido e na temperatura. Isso causa estresse osmótico, após o qual a proteína se acumula em aglomerados fibrosos cada vez mais densos até formar um nódulo semelhante ao citoesqueleto. A gelificação de proteínas restringe o movimento de moléculas, bem como de materiais biológicos sensíveis à desidratação.

A proteína CAHS D forma um gel que imobiliza e estabiliza o material biológico in vitro. (a) Concentração e dependência da temperatura da gelificação CAHS D. (b) Desnaturação térmica e resfriamento da estrutura da proteína CAHS D. (c) A diluição de 10 g/L (0,4 mM) de gel CAHS D em tampão Tris 20 mM resulta em um resolução de aproximadamente 2 minutos a 55 °C. (d) Imagens SEM de lisozima (uma enzima), gelatina e CAHS D. Os géis reticulares CAHS D são semelhantes à proteína gelatina, mas diferentes da lisozima, uma proteína não gel. (e) A sondagem de géis CAHS D em diferentes concentrações revelou o aparecimento de uma estrutura com cerca de 9,5 nm de tamanho. A imagem SEM ampliada na região de assinatura vermelha mostra uma fibra com largura de cerca de 10 nm, que corresponde bem ao pico que aparece com o aumento da concentração no gráfico MPRL (mostrado pela seta vermelha e linha pontilhada preta). A seta verde destaca a mudança no espaço vazio interno dentro de uma única fibra.

Em testes em células humanas, verificou-se que a fibrila CAHS D induz proteção contra o estresse osmótico por induzir resistência a mudanças de volume e retardar o metabolismo. "Surpreendentemente, quando introduzimos essas proteínas nas células humanas, elas formam um gel e desaceleram o metabolismo, assim como nos tardígrados", explica Silvia Sanchez-Martinez, da Universidade de Wyoming, principal autora do estudo. "Além disso, como os tardígrados, as células humanas que contêm essas proteínas na biostase se tornam mais resistentes ao estresse, dotando algumas das habilidades dos tardígrados", acrescenta.

A desaceleração do metabolismo causada pela gelificação da CAHS D foi fortemente correlacionada com a melhora da sobrevivência celular. Além disso, a condensação proteica, bem como os efeitos induzidos, são reversíveis após o retorno às condições osmóticas normais. "Quando o estresse é aliviado, os géis tardígrados se dissolvem e as células humanas retomam o metabolismo normal", explica Thomas Boothby, um dos autores do estudo e pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Wyoming.

Esses resultados são muito promissores para aplicações de proteínas tardígradas, como estratégias para retardar o envelhecimento e armazenamento de células-tronco para terapia celular. Estudos anteriores da mesma equipe mostraram que versões naturais e artificiais de proteínas tardígradas podem ser usadas para estabilizar um composto essencial para tratar a hemofilia sem a necessidade de refrigeração.