O corpo humano depende fortemente de cargas elétricas. Pulsos de energia semelhantes a raios voam pelo cérebro e pelos nervos, e a maioria dos processos biológicos depende de íons elétricos que viajam pelas membranas de cada célula do nosso corpo.
Esses sinais elétricos são possíveis, em parte, devido a um desequilíbrio nas cargas elétricas existentes em ambos os lados da membrana celular. Até recentemente, os pesquisadores acreditavam que a membrana era um componente essencial para criar esse desequilíbrio. Mas esse pensamento mudou quando pesquisadores da Universidade de Stanford descobriram que cargas elétricas desequilibradas semelhantes podem existir entre microgotículas de água e ar.
Agora, pesquisadores da Duke University descobriram que esses tipos de campos elétricos também existem dentro e ao redor de outro tipo de estrutura celular chamada condensados biológicos. Como gotas de óleo flutuando na água, essas estruturas existem devido a diferenças de densidade. Eles formam compartimentos dentro da célula sem precisar do limite físico de uma membrana.
Inspirados por pesquisas anteriores que demonstraram que microgotículas de água interagindo com o ar ou superfícies sólidas criam pequenos desequilíbrios elétricos, os pesquisadores decidiram ver se o mesmo acontecia com pequenos condensados biológicos. Eles também queriam ver se esses desequilíbrios provocavam oxigênio reativo, “redox”, reações como esses outros sistemas.
Aparecendo em 28 de abril na revista Chem , sua descoberta fundamental pode mudar a maneira como os pesquisadores pensam sobre a química biológica . Também poderia fornecer uma pista de como a primeira vida na Terra aproveitou a energia necessária para surgir.
“Em um ambiente prebiótico sem enzimas para catalisar reações, de onde viria a energia?” perguntou Yifan Dai, pesquisador de pós-doutorado da Duke que trabalha no laboratório de Ashutosh Chilkoti, professor distinto de engenharia biomédica Alan L. Kaganov e Lingchong You, professor distinto de engenharia biomédica James L. Meriam.
“Esta descoberta fornece uma explicação plausível de onde a energia de reação poderia ter vindo, assim como a energia potencial que é transmitida a uma carga pontual colocada em um campo elétrico”, disse Dai.
Quando cargas elétricas saltam entre um material e outro, elas podem produzir fragmentos moleculares que podem se emparelhar e formar radicais hidroxila, que possuem a fórmula química OH. Estes podem emparelhar novamente para formar peróxido de hidrogênio (H2O2) em quantidades minúsculas, mas detectáveis.
“Mas as interfaces raramente foram estudadas em regimes biológicos além da membrana celular, que é uma das partes mais essenciais da biologia”, disse Dai. “Então, estávamos nos perguntando o que poderia estar acontecendo na interface dos condensados biológicos, ou seja, se também é um sistema assimétrico”.
As células podem construir condensados biológicos para separar ou aprisionar certas proteínas e moléculas, dificultando ou promovendo sua atividade. Os pesquisadores estão apenas começando a entender como os condensados funcionam e para que podem ser usados.
Como o laboratório de Chilkoti é especializado na criação de versões sintéticas de condensados biológicos de ocorrência natural, os pesquisadores conseguiram facilmente criar uma base de teste para sua teoria. Depois de combinar a fórmula certa de blocos de construção para criar condensados minúsculos, com a ajuda do pós-doutorando Marco Messina em? O grupo de Christopher J. Chang na Universidade da Califórnia em Berkeley adicionou um corante ao sistema que brilha na presença de espécies reativas de oxigênio.
O palpite deles estava certo. Quando as condições ambientais estavam certas, um brilho sólido começou nas bordas dos condensados, confirmando que um fenômeno anteriormente desconhecido estava em ação. Em seguida, Dai conversou com Richard Zare, o professor de química Marguerite Blake Wilbur em Stanford, cujo grupo estabeleceu o comportamento elétrico das gotículas de água. Zare ficou entusiasmado ao ouvir sobre o novo comportamento em sistemas biológicos e começou a trabalhar com o grupo no mecanismo subjacente.
“Inspirados por trabalhos anteriores sobre gotículas de água, meu aluno de pós-graduação, Christian Chamberlayne, e eu pensamos que os mesmos princípios físicos poderiam ser aplicados e promover a química redox, como a formação de moléculas de peróxido de hidrogênio”, disse Zare. “Essas descobertas sugerem por que os condensados são tão importantes no funcionamento das células.”
“A maioria dos trabalhos anteriores sobre condensados biomoleculares se concentrou em suas entranhas”, disse Chilkoti. “A descoberta de Yifan de que os condensados biomoleculares parecem ser universalmente redox-ativos sugere que os condensados não evoluíram simplesmente para realizar funções biológicas específicas, como é comumente entendido, mas também são dotados de uma função química crítica essencial para as células”.
Embora as implicações biológicas dessa reação contínua dentro de nossas células não sejam conhecidas, Dai aponta para um exemplo prebiótico de como seus efeitos podem ser poderosos. As usinas de força de nossas células, chamadas mitocôndrias, criam energia para todas as funções de nossa vida por meio do mesmo processo químico básico. Mas antes que as mitocôndrias ou mesmo as células mais simples existissem, algo tinha que fornecer energia para que a primeira das funções da vida começasse a funcionar.
Pesquisadores propuseram que a energia era fornecida por fontes termais nos oceanos ou fontes termais. Outros sugeriram que essa mesma reação redox que ocorre em microgotículas de água foi criada pelo borrifo das ondas do mar.
Mas por que não condensados?
“A mágica pode acontecer quando as substâncias ficam minúsculas e o volume interfacial se torna enorme em comparação com o seu volume”, disse Dai. “Acho que as implicações são importantes para muitos campos diferentes.”
Mais informações: Yifan Dai et al, Interface de condensados biomoleculares modula reações redox, Chem (2023). DOI: 10.1016/j.chempr.2023.04.001
Informações do jornal: Chem
Ken Kingery, Duke University