Através de uma nova abordagem usando sonificação de dados, os pesquisadores descobriram como as ligações de hidrogênio influenciam o enovelamento de proteínas. Este método auditivo revelou padrões e transições importantes no processo de dobramento, oferecendo insights que ultrapassam a análise de dados visuais e melhorando a compreensão de doenças ligadas ao dobramento incorreto de proteínas. Crédito: SciTechDaily.com
Os pesquisadores usaram o som para revelar padrões ocultos no enovelamento das proteínas, enfatizando o papel das ligações de hidrogênio e das moléculas de água na formação das estruturas das proteínas.
Os cientistas transformaram os seus dados em sons para descobrir como as ligações de hidrogénio contribuem para as rotações extremamente rápidas que transformam uma série de aminoácidos para se dobrar em uma proteína funcional. Seu estudo, publicado no Anais da Academia Nacional de Ciências, oferece uma visão sem precedentes da sequência de eventos de ligação de hidrogênio que ocorrem quando uma proteína se transforma de um estado desdobrado para um estado dobrado.
“Uma proteína deve se dobrar adequadamente para se tornar uma enzima ou molécula sinalizadora ou qualquer que seja sua função – todas as muitas coisas que as proteínas fazem em nossos corpos”, disse Martin Gruebele, professor de química da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, que liderou a nova pesquisa com compositora e desenvolvedora de software Carla Scaletti.
A compositora e desenvolvedora de software Carla Scaletti e o professor de química Martin Gruebele usaram o som para investigar a dinâmica das ligações de hidrogênio durante o processo de dobramento de proteínas. Crédito: Fred Zwicky
Proteínas mal dobradas contribuem para Alzheimer doença, doença de Parkinson, fibrose cística e outras doenças. Para compreender melhor como este processo dá errado, os cientistas devem primeiro determinar como uma cadeia de aminoácidos muda para a sua forma final no ambiente aquoso da célula. As transformações reais ocorrem muito rapidamente, “algo entre 70 nanossegundos e dois microssegundos”, disse Gruebele.
Sonificação e animação de uma máquina de estado baseada em um modelo de rede simples usado por Martin Gruebele para ensinar conceitos de dinâmica de enovelamento de proteínas.
As ligações de hidrogênio são atrações relativamente fracas que alinham átomos localizados em diferentes aminoácidos da proteína. Uma proteína dobrável formará uma série de ligações de hidrogênio internamente e com as moléculas de água que a cercam. No processo, a proteína se move em inúmeras conformações intermediárias potenciais, às vezes chegando a um beco sem saída e retrocedendo até encontrar um caminho diferente.
Sonificação e animação de uma máquina de estado baseada em um modelo de rede simples usado por Martin Gruebele para ensinar conceitos de dinâmica de enovelamento de proteínas.
Os pesquisadores queriam mapear a sequência temporal das ligações de hidrogênio que ocorrem à medida que a proteína se dobra. Mas as suas visualizações não conseguiram capturar estes eventos complexos.
“Existem literalmente dezenas de milhares dessas interações com moléculas de água durante a curta passagem entre o estado desdobrado e dobrado”, disse Gruebele.
Assim, os investigadores recorreram à sonificação de dados, um método para converter os seus dados moleculares em sons para que pudessem “ouvir” a formação das ligações de hidrogénio. Para conseguir isso, Scaletti escreveu um programa de software que atribuiu a cada ligação de hidrogênio um passo único. Simulações moleculares geraram os dados essenciais, mostrando onde e quando dois átomos estavam na posição correta no espaço – e próximos o suficiente um do outro – para formar ligações de hidrogênio. Se as condições corretas para a ligação ocorressem, o programa de software tocava um tom correspondente a essa ligação. Ao todo, o programa rastreou centenas de milhares de eventos individuais de ligações de hidrogênio em sequência.
Resumo do vídeo da pesquisa “A heterogeneidade da ligação de hidrogênio se correlaciona com o tempo de passagem do estado de transição de dobramento de proteínas conforme revelado pela sonificação de dados” publicada em PNAS em 21 de maio de 2024 vol. 121 não. 21, DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2319094121
Numerosos estudos sugerem que o áudio é processado aproximadamente duas vezes mais rápido que os dados visuais no cérebro humano, e os humanos são mais capazes de detectar e lembrar diferenças sutis em uma sequência de sons do que se a mesma sequência fosse representada visualmente, disse Scaletti.
“Em nosso sistema auditivo, estamos realmente muito sintonizados com pequenas diferenças de frequência”, disse ela. “Usamos frequências e combinações de frequências para entender a fala, por exemplo.”
Uma proteína passa a maior parte do tempo no estado dobrado, por isso os investigadores também criaram uma função de “raridade” para identificar quando ocorreram os momentos raros e fugazes de dobramento ou desdobramento.
Os sons resultantes deram-lhes uma visão do processo, revelando como algumas ligações de hidrogénio parecem acelerar o dobramento, enquanto outras parecem retardá-lo. Eles caracterizaram essas transições, chamando a mais rápida de “rodovia”, a mais lenta de “meandro” e as intermediárias de “ambíguas”.
Incluir as moléculas de água nas simulações e na análise das ligações de hidrogênio foi essencial para a compreensão do processo, disse Gruebele.
“Metade da energia de uma reação de dobramento de proteínas vem da água e não da proteína”, disse ele. “Aprendemos realmente, ao fazer a sonificação, como as moléculas de água se acomodam no lugar certo na proteína e como elas ajudam a mudar a conformação da proteína para que ela finalmente se enrole.”
Embora as ligações de hidrogénio não sejam o único factor que contribui para o enovelamento das proteínas, estas ligações muitas vezes estabilizam a transição de um estado dobrado para outro, disse Gruebele. Outras ligações de hidrogênio podem impedir temporariamente o dobramento adequado. Por exemplo, uma proteína pode ficar presa num laço repetitivo que envolve a formação, quebra e formação de uma ou mais ligações de hidrogénio – até que a proteína eventualmente escape deste beco sem saída para continuar a sua viagem até ao seu estado dobrado mais estável.
“Ao contrário da visualização, que parece uma bagunça totalmente aleatória, você realmente ouve padrões quando ouve isso”, disse Gruebele. “Isso é algo impossível de visualizar, mas é fácil de ouvir.”
Referência: “A heterogeneidade da ligação de hidrogênio se correlaciona com o tempo de passagem do estado de transição de dobramento de proteínas, conforme revelado pela sonificação de dados” 20 de maio de 2024, Anais da Academia Nacional de Ciências.
DOI: 10.1073/pnas.2319094121
A Fundação Nacional de Ciência, Instituto Nacional de Saúde e a Symbolic Sound Corporation apoiaram esta pesquisa.
Gruebele também é professor do Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada e afiliado do Instituto Carl R. Woese de Biologia Genômica da U. of I.
