Pesquisadores propõem novo modelo para o estudo de membranas celulares

Inovação permite mimetizar essa estrutura celular humana com maior fidelidade e estudar mais a fundo suas propriedades e funções, abrindo caminho para novas descobertas

Julia Moióli | Agência FAPESP – Pesquisadores das universidades de São Paulo (USP), Cornell e Texas Tech (ambas nos Estados Unidos) desenvolveram um novo modelo de membrana lipídica capaz de mimetizar em laboratório a estrutura das membranas celulares humanas com maior precisão e, assim, ampliar as investigações de suas propriedades e funções. Os resultados foram publicados em artigo de destaque no Journal of the American Chemical Society.

As membranas biológicas são barreiras físicas fundamentais para as células: são elas que controlam a entrada de nutrientes e também protegem o conteúdo interno de tudo que está localizado no lado de fora – é o caso, por exemplo, dos vírus.

Essas estruturas são compostas por uma bicamada de lipídios, que são diferentes entre si (ou, no jargão científico, têm composição assimétrica): parte dos lipídios é voltada para o exterior e parte para o interior das células, respondendo especificamente às adversidades de cada um desses ambientes. Ainda assim, de alguma maneira ainda não totalmente compreendida, essa bicamada lipídica se mantém acoplada. Há mais de 70 anos, no entanto, os modelos criados em laboratório utilizados para estudar as membranas biológicas e entender seu funcionamento eram formados por bicamadas lipídicas simétricas.

De acordo com o novo método proposto pelos pesquisadores para fabricar membranas lipídicas assimétricas, mais semelhantes às biológicas e que permitem que mais interações sejam estudadas, a monocamada voltada para o exterior das células tem domínios nos quais fases diferentes coexistem.

Observa-se que cada fase é ordenada juntamente com outra desordenada, podendo cada uma atrair proteínas específicas, por exemplo. Por outro lado, a monocamada imediatamente em contato com ela formaria uma fase fluida simples (provavelmente por causa dos lipídios poli-insaturados ali presentes).

As novas evidências têm intrigado os cientistas para entender como essas monocamadas, diferentes em composições lipídicas e em comportamento de fases, poderiam estar acopladas. Essa é a linha de pesquisa desenvolvida no estudo financiado pela FAPESP (projetos 23/11908-5, 23/05540-5 e 22/04046-4).

Uma das primeiras descobertas com o novo modelo diz respeito à distribuição, nas membranas, do colesterol, que possui papel fundamental em muitos processos celulares.

“Quando montamos essas bicamadas lipídicas assimétricas, observamos que há uma redistribuição de colesterol”, afirma Thais Azevedo Enoki, pesquisadora do Instituto de Física da USP e do Departamento de Biologia Molecular e Genética da Universidade Cornell (Estados Unidos).

"Ainda mais interessante: esse fenômeno ocorre quando esses domínios ordenados são induzidos na monocamada fluida. Eles passam a ter ordem semelhante aos domínios da monocamada oposta, em que ambas monocamadas estão conectadas formando a bicamada lipídica."

Diagrama de fases

No trabalho seguinte, cujos resultados foram publicados no jornal científico PNAS, Enoki e Frederick A. Heberle, professor da Universidade de Tennessee (Estados Unidos), contrapuseram um modelo teórico com experimentos e desvendaram um diagrama de fases para bicamadas lipídicas assimétricas. Esse modelo simplificado das membranas celulares, com interações relevantes minimizadas a interações entre moléculas (intramonocamadas e entremonocamadas), pode permitir a criação de modelos mais precisos em laboratório, como, por exemplo, modelos para membranas de células cancerígenas, que teriam o potencial de trazer muitos avanços científicos.

No trabalho, os cientistas explicam em termos energéticos evidências experimentais anteriores de diversos grupos de pesquisa, que mostram que, havendo uma monocamada com separação de fases acoplada a outra monocamada fluida (sem separação de fases), ora o comportamento de fase da bicamada como um todo é dominado pela que tem separação de fases, ora pela oposta de fase simples. Essa evidência experimental foi apelidada de leaflet dominance (dominância de folheto, em tradução livre).

Segundo os cientistas, o próximo passo é estender a teoria e os experimentos para misturas mais complexas de lipídios.

O artigo An Unexpected Driving Force for Lipid Order Appears in Asymmetric Lipid Bilayers pode ser lido em: https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/jacs.3c05081.

Já o estudo Experimentally determined leaflet-leaflet phase diagram of an asymmetric lipid bilayer está disponível em: www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2308723120.