A imagem mostra um modelo 3D de alta resolução da RNA polimerase vegetal PEP, que desempenha um papel central na fotossíntese. Crédito: Paula Favoretti Vital do Prado e Johannes Pauly / MPI-NAT, UMG
Pesquisadores de Hannover e Göttingen criaram com sucesso visualizações tridimensionais de máquinas copiadoras de cloroplastos.
Para a sobrevivência da vida na Terra, o processo em que as plantas atuam fotossíntese gerar oxigênio e energia química usando a luz solar é crucial. Cientistas de Göttingen e Hannover alcançaram agora um avanço ao criar uma visualização 3D de alta resolução do mecanismo de cópia dos cloroplastos, o ARN polimerase PEP, pela primeira vez. Esta estrutura intrincada oferece novas perspectivas sobre o funcionamento e a história evolutiva deste aparelho celular vital, fundamental na interpretação dos planos genéticos das proteínas envolvidas na fotossíntese.
Sem fotossíntese, não haveria ar para respirar – é a base de toda a vida na Terra. Este processo complexo permite que as plantas convertam dióxido de carbono e água em energia química e oxigênio usando a energia luminosa do sol. A conversão ocorre nos cloroplastos, o coração da fotossíntese. Os cloroplastos se desenvolveram no curso da evolução, quando os ancestrais das células vegetais de hoje absorveram uma cianobactéria fotossintética. Com o tempo, a bactéria tornou-se cada vez mais dependente da sua “célula hospedeira”, mas manteve algumas funções significativas, como a fotossíntese e partes do genoma bacteriano. O cloroplasto, portanto, ainda tem seu próprio ADNque contém os projetos de proteínas cruciais da “máquina de fotossíntese”.
Com PEP para energia
“Uma máquina copiadora molecular única, uma RNA polimerase chamada PEP, lê as instruções genéticas do material genético dos cloroplastos”, explica o Prof. Hauke Hillen, líder do grupo de pesquisa do Instituto Max Planck (MPI) de Ciências Multidisciplinares, professor em o Centro Médico Universitário de Göttingen e membro do Cluster de Excelência de Göttingen “Bioimagem Multiescala” (MBExC). É essencial para ativar os genes necessários à fotossíntese, enfatiza Hillen. Sem um PEP funcional, as plantas não conseguem fotossintetizar e permanecem brancas em vez de ficarem verdes.
Não só o processo de cópia é complexo, mas também a própria máquina copiadora: consiste num complexo central de múltiplas subunidades, cujas partes proteicas são codificadas no genoma do cloroplasto, e pelo menos doze proteínas associadas, chamadas PAPs. O genoma nuclear da célula vegetal fornece o modelo para isso. “Até agora, conseguimos caracterizar estrutural e bioquimicamente algumas partes individuais da máquina copiadora de cloroplastos, mas não tínhamos uma visão precisa de sua estrutura geral e das funções de cada PAP”, diz o Prof. no Instituto de Botânica da Universidade Leibniz de Hannover.
Instantâneo detalhado em 3D
Em estreita colaboração, investigadores liderados por Hauke Hillen e Thomas Pfannschmidt conseguiram pela primeira vez visualizar um complexo PEP de 19 subunidades em 3D com uma resolução de 3,5 angstroms – 35 milhões de vezes menor que um milímetro.
“Isolamos PEPs intactos da mostarda branca, uma planta modelo típica na pesquisa de plantas”, descreve Frederik Ahrens, membro da equipe de Pfannschmidt e um dos primeiros autores do estudo agora publicado na revista. Célula Molecular. Usando microscopia crioeletrônica, os cientistas criaram um modelo 3D detalhado do complexo PEP de 19 partes. Para isso, as amostras foram congeladas ultrarrápidas. Os pesquisadores então fotografaram a máquina copiadora milhares de vezes até o nível atômico de vários ângulos e os combinaram em uma imagem geral usando complicados cálculos de computador.
“O instantâneo estrutural mostrou que o núcleo do PEP é semelhante aos de outras RNA polimerases, como nas bactérias ou no núcleo celular de células superiores. No entanto, contém características específicas do cloroplasto que medeiam as interações com os PAPs. Estas últimas só encontramos em plantas e são únicas em sua estrutura”, explica Paula Favoretti Vital do Prado, doutoranda do MPI, membro do Hertha Sponer College do MBExC e também primeira autora do estudo. Os cientistas já tinham assumido que os PAPs cumprem funções individuais na leitura dos genes da fotossíntese. “Como pudemos mostrar, as proteínas se organizam de maneira especial em torno do núcleo da RNA polimerase. Com base na sua estrutura, é provável que os PAPs interajam com o complexo central de várias maneiras e estejam envolvidos no processo de leitura do gene”, acrescenta Hillen.
Compreendendo a evolução da fotossíntese
A colaboração de pesquisa também utilizou bancos de dados para procurar pistas evolutivas. Eles queriam descobrir se a arquitetura observada da máquina copiadora é semelhante em outras fábricas. “Nossos resultados indicam que a estrutura do complexo PEP é a mesma em todas as plantas terrestres”, diz Pfannschmidt. As novas descobertas sobre o processo de cópia do DNA do cloroplasto nos ajudam a compreender melhor os mecanismos fundamentais da biogênese da maquinaria da fotossíntese. Eles também poderão ser valiosos para aplicações biotecnológicas no futuro.
Referência: “Estrutura da RNA polimerase do cloroplasto multi-subunidade” por Paula FV do Prado, Frederik M. Ahrens, Monique Liebers, Noah Ditz, Hans-Peter Braun, Thomas Pfannschmidt e Hauke S. Hillen, 29 de fevereiro de 2024, Célula Molecular.
DOI: 10.1016/j.molcel.2024.02.003
O estudo foi financiado pela Fundação Alemã de Pesquisa (FOR2848, SFB1565, PF323-7 e SPP 2237 MadLand (PF323-9)) e no âmbito da Estratégia de Excelência (EXC 2067/1 – 390729940) através do Cluster de Excelência “Multiscale Bioimagem: De Máquinas Moleculares a Redes de Células Excitáveis” (MBExC), bem como pelo Conselho Europeu de Pesquisa (ERC) no âmbito do programa Horizonte 2020 da UE com o ERC Starting Grant MitoRNA (acordo de subvenção nº 101116869).
