Volte mentalmente àquela aula básica de biologia do ensino médio. Provavelmente foi ali que você ouviu falar das organelas, pequenos “órgãos” dentro das células que criam compartimentos com funções próprias.
As mitocôndrias, por exemplo, geram energia; os lisossomos reaproveitam resíduos; e o núcleo guarda o DNA. Apesar de cada organela cumprir um papel diferente, elas têm algo em comum: todas ficam envoltas por uma membrana.
Por muito tempo, as organelas delimitadas por membrana foram o modelo padrão dos livros para explicar como as células se organizavam - até que, em meados dos anos 2000, os cientistas perceberam que certas organelas não precisam dessa “embalagem” membranosa.
De lá para cá, pesquisadores identificaram muitas outras organelas sem membrana, o que alterou de maneira significativa a forma como biólogos pensam sobre a química e as origens da vida.
Eu mesmo só fui apresentado a essas organelas sem membrana - chamadas formalmente de condensados biomoleculares - há alguns anos, quando estudantes do meu laboratório notaram uns aglomerados incomuns dentro do núcleo de uma célula.
Sem que eu soubesse, nós já vínhamos investigando condensados biomoleculares havia anos. Aquilo que finalmente enxerguei naquelas “bolhas” abriu, para mim, uma porta para um universo novo na biologia celular.
Como uma luminária de lava
Para visualizar o aspecto de um condensado biomoleculares, pense em uma luminária de lava: as porções de cera se juntam, se separam e se juntam novamente. Os condensados se formam de modo parecido - só que não são feitos de cera. Em vez disso, um conjunto de proteínas e material genético, em especial moléculas de RNA, se concentra e vira gotículas com aparência de gel dentro da célula.
Isso acontece porque certas proteínas e RNAs tendem a interagir mais entre si do que com o ambiente ao redor - de forma semelhante ao que ocorre quando as bolhas de cera da luminária se misturam entre si, mas não com o líquido ao redor. Ao surgir, o condensado cria um microambiente que atrai ainda mais proteínas e moléculas de RNA, estabelecendo um compartimento bioquímico particular dentro das células.
Até 2022, os pesquisadores haviam identificado cerca de 30 tipos desses condensados biomoleculares sem membrana. Em comparação, existem por volta de uma dúzia de organelas tradicionais conhecidas que são delimitadas por membrana.
Depois que você sabe o que procurar, eles até ficam fáceis de reconhecer - o problema é entender com precisão o que fazem. Alguns têm funções bem definidas, como participar da formação de células reprodutivas, dos grânulos de estresse e dos ribossomos que produzem proteínas. Muitos outros, porém, ainda não têm um papel claro.
É possível que as organelas sem membrana desempenhem funções mais numerosas e variadas do que as organelas com membrana. Desvendar essas funções desconhecidas já está mexendo com a compreensão mais básica que os cientistas têm sobre o funcionamento das células.
Estrutura e função das proteínas
Os condensados biomoleculares estão colocando em xeque algumas ideias antigas da química de proteínas.
Desde que os cientistas conseguiram observar com clareza a estrutura da proteína mioglobina, na década de 1950, ficou evidente que sua forma é decisiva para que ela consiga transportar oxigênio nos músculos. A partir daí, consolidou-se um mantra na bioquímica: a estrutura de uma proteína determina sua função. Em termos simples, proteínas adotam formatos específicos que lhes permitem realizar suas tarefas.
As proteínas que dão origem aos condensados biomoleculares quebram essa regra, ao menos em parte, porque contêm regiões desordenadas - isto é, trechos que não apresentam uma forma bem definida. Quando essas chamadas proteínas intrinsecamente desordenadas, ou IDPs, foram descobertas no início dos anos 1980, muitos pesquisadores ficaram intrigados: como algo sem uma estrutura “firme” poderia, ainda assim, exercer funções específicas?
Mais tarde, descobriu-se que as IDPs têm tendência a formar condensados. Como acontece com frequência na ciência, essa descoberta esclareceu um mistério - o papel dessas proteínas “rebeldes” e sem estrutura na célula - e, ao mesmo tempo, levantou uma pergunta ainda mais profunda sobre o que, afinal, são os condensados biomoleculares.
Células bacterianas
Os pesquisadores também encontraram condensados biomoleculares em células procarióticas, isto é, bacterianas - que tradicionalmente eram definidas justamente por não conterem organelas. Essa constatação pode ter efeitos profundos sobre como se entende a biologia das células procarióticas.
Apenas cerca de 6 percent das proteínas bacterianas possuem regiões desordenadas sem estrutura, enquanto entre 30 percent e 40 percent das proteínas eucarióticas (não bacterianas) têm esse tipo de trecho. Ainda assim, os cientistas já identificaram vários condensados biomoleculares em procariontes, associados a diversas funções celulares, incluindo produzir e degradar RNAs.
A existência de condensados biomoleculares em bactérias indica que esses microrganismos não são meros “sacos” simples de proteínas e ácidos nucleicos; na realidade, são mais complexos do que se reconhecia anteriormente.
Origens da vida
Os condensados biomoleculares também estão transformando a forma como os cientistas pensam sobre as origens da vida na Terra.
Há evidências robustas de que nucleotídeos - os blocos de construção de RNA e DNA - podem, de modo bastante plausível, ser produzidos a partir de substâncias químicas comuns, como cianeto de hidrogênio e água, na presença de fontes de energia igualmente comuns, como luz ultravioleta ou altas temperaturas, sobre minerais amplamente encontrados, como sílica e argila rica em ferro.
Também há indícios de que nucleotídeos individuais conseguem se reunir espontaneamente em cadeias, formando RNA. Esse é um passo essencial para a hipótese do mundo de RNA, que propõe que as primeiras “formas de vida” na Terra foram fitas de RNA.
Uma grande questão é entender como essas moléculas de RNA poderiam ter desenvolvido mecanismos para se replicar e se organizar em uma protocélula. Como toda vida conhecida é envolvida por membranas, a pesquisa sobre a origem da vida por muito tempo presumiu que essas membranas também precisariam encapsular os RNAs.
Para isso, seria necessário sintetizar lipídios, ou gorduras, que formam as membranas. Só que os materiais necessários para produzir lipídios provavelmente não existiam na Terra primitiva.
Com a descoberta de que RNAs podem formar espontaneamente condensados biomoleculares, não seria preciso recorrer a lipídios para criar protocélulas. Se os RNAs conseguissem se agrupar sozinhos em condensados biomoleculares, torna-se ainda mais plausível que moléculas vivas tenham surgido, na Terra, a partir de substâncias químicas não vivas.
Novos tratamentos
Para mim - e para outros cientistas que estudam condensados biomoleculares - é empolgante imaginar como essas entidades que desafiam regras podem mudar nossa perspectiva sobre o funcionamento da biologia. Os condensados já estão influenciando o modo como pensamos sobre doenças humanas como Alzheimer's, Huntington's e Lou Gehrig's.
Com esse objetivo, pesquisadores vêm desenvolvendo novas estratégias para manipular condensados com fins médicos, como a criação de fármacos capazes de estimular a formação de condensados ou de dissolvê-los. Ainda não está claro se essa abordagem recente de tratamento realmente vai se mostrar eficaz.
No longo prazo, eu não ficaria surpreso se cada condensado biomolecular acabasse recebendo uma função específica. Se isso acontecer, pode apostar que os alunos do ensino médio terão ainda mais coisas para aprender - ou para reclamar - nas aulas introdutórias de biologia.
Allan Albig, Professor Associado de Ciências Biológicas, Boise State University
Este artigo foi republicado de The Conversation sob licença Creative Commons. Leia o artigo original.
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