Superando os desafios para sintetizar iro

Os cientistas desenvolvem um protocolo eficiente de um único recipiente para a síntese livre de células de proteínas complexas de ferro-enxofre

Instituto de Tecnologia de Tóquio

imagem: Este diagrama mostra as duas etapas principais envolvidas no protocolo de síntese proposto. A etapa 1 mostra a cascata química usada para criar um ambiente livre de oxigênio, juntamente com o sistema PURE usado para sintetizar as proteínas “imaturas” (apo). A etapa 2 mostra a implementação da maquinaria SUF, que adiciona o cluster [4Fe –4S] às proteínas apo, produzindo proteínas [4Fe –4S] funcionais e maduras.Veja mais

Crédito: Reproduzido de Wang e Nishikawa et al. 2023 Biologia Sintética ACS

Os aglomerados de Fe-S, que fazem parte das proteínas Fe-S, são encontrados em todas as formas de vida. Eles desempenham um papel significativo como cofatores biológicos – moléculas auxiliares que auxiliam essas proteínas em diferentes transformações bioquímicas – que estão envolvidas na respiração e no metabolismo. Esses clusters são de grande interesse de pesquisa, uma vez que são considerados uma parte crítica da evolução. Eles servem como um elo entre a química pré-biótica (processos químicos que existiam antes do surgimento das formas de vida) e os complexos sistemas moleculares e biológicos que conhecemos hoje. Simplificando, podem ser um dos catalisadores primitivos que levaram ao surgimento da vida na Terra. Assim, ter métodos convenientes para sintetizar proteínas Fe-S irá, esperançosamente, avançar na nossa compreensão da biologia da Terra jovem e ajudar-nos a responder à questão final da origem da vida.

No entanto, apesar da sua prevalência, a síntese de proteínas Fe-S maduras fora da célula tem provado ser um desafio. Eles não apenas requerem maquinaria celular complexa para síntese, mas também se degradam facilmente em contato com o oxigênio devido à sua reação com seus aglomerados de Fe-S. Portanto, os cientistas foram forçados a seguir o caminho complicado de primeiro produzir e extrair uma proteína incompleta (ou 'apo'), seguida pela sua maturação (adição do cofator Fe-S) sob condições estritamente privadas de oxigênio. Mas o que torna este processo ainda mais difícil é a presença de proteínas contaminantes contendo ferro no extrato final.

Em um estudo recente, uma equipe de pesquisadores, incluindo os professores associados Kosuke Fujishima e Shawn McGlynn do Earth-Life Science Institute (ELSI), Instituto de Tecnologia de Tóquio e o professor assistente Po-Hsiang Wang da National Central University desenvolveram um novo protocolo para produzindo proteínas maduras [4Fe-4S] nas quais o aglomerado Fe-S é colocado dentro de uma estrutura semelhante a um cubo. A equipe desenvolveu uma via especializada do sistema de proteína de montagem Fe-S que funcionaria em um ambiente livre de oxigênio devido à presença de um sistema de eliminação de oxigênio para fornecer proteínas Fe-S maduras.

Os pesquisadores primeiro procuraram montar o que é conhecido como sistema de formação de enxofre (SUF). Nas bactérias, este sistema multiproteico contém todo o maquinário necessário para produzir aglomerados [4Fe-4S]. Possui maior tolerância ao oxigênio quando comparado a outras vias com funções semelhantes (como a fixação de nitrogênio e seu sistema de cluster on-enxofre). A equipe de pesquisa criou uma via SUF recombinante que consiste em seis subunidades proteicas com capacidade de funcionar em um ambiente livre de células.

Para manter um ambiente livre de oxigênio dentro do tubo de ensaio, os pesquisadores introduziram então uma cascata de três enzimas (um conjunto de três reações enzimáticas que ocorrem em sequência) que serve como um sistema de eliminação de oxigênio. Embora este sistema de eliminação remova o oxigênio do meio ambiente, ele também melhora a eficiência do sistema. Isso é conseguido produzindo dinucleotídeo de flavina adenina reduzido (FADH2), um transportador de elétrons necessário para a síntese do cluster Fe-S pelo sistema SUF.

Finalmente, para a síntese da proteína apo, a equipe adotou um método especializado livre de células que permite a produção in vitro de proteínas usando a síntese de proteínas livres de células reconstituídas, conhecido como sistema PURE. Com a adição de material genético (DNA ou mRNA) e das fontes de energia necessárias, o sistema PURE atua essencialmente como uma fábrica artificial de proteínas.