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Pesquisadores desenvolveram novas ferramentas matemáticas para medir as taxas de degradação de proteínas, fornecendo insights mais profundos sobre os mecanismos de envelhecimento e doenças, e contribuindo para um legado de pesquisa sobre proteínas.
Pesquisadores desenvolveram ferramentas matemáticas para quantificar a rapidez com que as proteínas celulares se degradam, oferecendo novos insights sobre envelhecimento e doenças. Seu estudo categoriza proteínas em três grupos de taxas de degradação e explora as implicações para o desenvolvimento muscular, fome e doenças neurodegenerativas. Este método avança nossa compreensão dos processos celulares.
Novos métodos matemáticos que mostram a taxa de degradação das proteínas celulares podem oferecer insights mais profundos sobre o processo de envelhecimento, de acordo com um estudo recente coautorado por um pesquisador da Mississippi State juntamente com colegas da Harvard Medical School e da Universidade de Cambridge.
Galen Collins, professor assistente do Departamento de Bioquímica, Biologia Molecular, Entomologia e Patologia Vegetal da MSU, foi coautor do artigo inovador publicado no Anais da Academia Nacional de Ciênciasem abril.
“Nós já entendemos o quão rápido as proteínas são feitas, o que pode acontecer em questão de minutos”, disse Collins, que também é cientista na Estação Experimental Agrícola e Florestal do Mississippi. “Até agora, tínhamos uma compreensão muito pobre de quanto tempo elas levam para se decompor.”
Galen Collins. Crédito: Grace Cockrell
O artigo em matemática aplicada apresenta as novas ferramentas que quantificam as taxas de degradação das proteínas celulares — a rapidez com que se decompõem — ajudando-nos a entender como as células crescem e morrem e como envelhecemos. Proteínas — moléculas complexas feitas de várias combinações de aminoácidos—carregam a maior parte da carga de trabalho dentro de uma célula, fornecendo sua estrutura, respondendo a mensagens de fora da célula e removendo desperdícios.
Novas descobertas sobre as taxas de degradação de proteínas
Os resultados provaram que nem todas as proteínas se degradam no mesmo ritmo, mas, em vez disso, caem em uma das três categorias, quebrando ao longo de minutos, horas ou dias. Embora pesquisas anteriores tenham examinado a quebra de proteínas celulares, este estudo foi o primeiro a quantificar matematicamente as taxas de degradação de todas as moléculas de proteínas celulares, usando uma técnica chamada entropia máxima.
“Para certos tipos de questões científicas, experimentos podem frequentemente revelar infinitas respostas possíveis; no entanto, elas não são todas igualmente plausíveis”, disse o autor principal Alexander Dear, pesquisador em matemática aplicada na Universidade Harvard. “O princípio da entropia máxima é uma lei matemática que nos mostra como calcular precisamente a plausibilidade de cada resposta — sua 'entropia' — para que possamos escolher a que é mais provável.”
“Esse tipo de matemática é como uma câmera que dá zoom na sua placa de carro de longe e descobre quais devem ser os números”, disse Collins. “A entropia máxima nos dá uma imagem clara e precisa de como a degradação de proteínas ocorre nas células.”
Implicações da degradação de proteínas
Além disso, a equipe usou essas ferramentas para estudar algumas implicações específicas da degradação de proteínas para humanos e animais. Por um lado, eles examinaram como essas taxas mudam conforme os músculos se desenvolvem e se adaptam à fome.
“Descobrimos que a fome teve o maior impacto no grupo intermediário de proteínas em células musculares, que têm uma meia-vida de algumas horas, fazendo com que a quebra mudasse e acelerasse”, disse Collins. “Essa descoberta pode ter implicações para pacientes com câncer que sofrem de caquexia, ou perda de massa muscular devido à doença e seus tratamentos.”
Eles também exploraram como uma mudança na degradação de certas proteínas celulares contribui para doenças neurodegenerativas.
“Essas doenças ocorrem quando proteínas residuais, que geralmente se decompõem rapidamente, vivem mais do que deveriam”, disse Collins. “O cérebro se torna como o quarto de um adolescente, acumulando lixo, e quando você não o limpa, ele se torna inabitável.”
Dear afirmou que o valor do estudo não está apenas no que ele revelou sobre a degeneração de proteínas celulares, mas também em fornecer aos cientistas um novo método para investigar a atividade celular com precisão.
“Nosso trabalho fornece um novo método experimental poderoso para quantificar o metabolismo de proteínas em células”, ele disse. “Sua simplicidade e rapidez o tornam particularmente adequado para estudar mudanças metabólicas.”
O orientador de pós-doutorado de Collins em Harvard e coautor do artigo, o falecido Alfred Goldberg, foi um pioneiro no estudo da vida e morte de proteínas. Collins observou que este estudo foi construído em quase cinco décadas de pesquisa de Goldberg e sua colaboração no final da carreira com matemáticos da Universidade de Cambridge. Depois de vir para a MSU há um ano, Collins continuou colaborando com seus colegas para concluir o artigo.
“É uma honra incrível ser publicado em PNASmas também foi muito divertido fazer parte desta equipe”, disse Collins. “E é muito significativo ver o corpo de trabalho do meu antigo mentor finalizado e publicado.”
Referência: “Determinação máxima de entropia da dinâmica do proteoma de mamíferos” por Alexander J. Dear, Gonzalo A. Garcia, Georg Meisl, Galen A. Collins, Tuomas PJ Knowles e Alfred L. Goldberg, 23 de abril de 2024, Anais da Academia Nacional de Ciências.
DOI: 10.1073/pnas.2313107121
O estudo foi financiado pelo Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais, o Cure Alzheimer Fundo, a Bolsa Lindemann Trust, a English-Speaking Union, a Bolsa de Estudos da Fundação George e Lillian Schiff, a Bolsa de Curto Prazo EMBO e a Bolsa de Pesquisa Júnior do Sidney Sussex College Cambridge.