Desvendando o relógio biológico de seres unicelulares

O biólogo Takao Kondo, da Universidade de Nagoya

Os processos biológicos da maior parte dos seres vivos são regidos pelo chamado relógio circadiano, uma espécie de cronômetro natural que ajusta os ritmos vitais internos aos ritmos ambientais externos, regulando a atividade metabólica celular de acordo com os ciclos claro/escuro. Sincronizado com o período temporal de 24 horas, esse relógio é o que leva uma pessoa a sentir sono à noite e a ficar desperta de dia ou a ter jet lag quando atravessa fusos horários numa viagem.

Embora o funcionamento do relógio circadiano em seres complexos, de estrutura pluricelular, seja objeto de pesquisas há muito tempo, os estudos sobre os ritmos biológicos de microrganismos ainda é recente. Em conferência da Intercontinental Academia (ICA) sobre o eixo temático "tempo", no dia 22 de abril, Takao Kondo falou sobre os progressos que vem fazendo na área a partir de experimentos com procariontes — organismos unicelulares desprovidos de algumas organelas e de membrana nuclear.

Kondo é professor de ciências biológicas da Universidade de Nagoya, no Japão, e membro do Comitê Científico do Instituto de Pesquisa Avançada (IAR, na sigla em inglês) para a ICA. Ele é conhecido por ter sido o primeiro cientista a reconstituir um relógio circadiano in vitro, lançando as bases para inúmeras descobertas sobre a base molecular dos ritmos biológicos.

Na conferência, Kondo apresentou os resultados dos experimentos que conduziu para demonstrar a ocorrência de relógios circadianos na cianobactéria Synechococcus elongatus — bactéria fotossintética unicelular, semelhante a uma alga azul-esverdeada, que está na base da cadeia alimentar em ambientes marinhos. De acordo com o professor, "as cianobactérias são os organismos mais simples que possuem ritmos circadianos".

QUESTÃO DE GENÉTICA

O grande passo de Kondo foi identificar um grupo de genes, conhecido por kaiABC, que controla o relógio circadiano da Synechococcus. O professor explicou que os ciclos de fosforilação e desfosforilação do trio de proteínas codificadas pelos genes Kai — KaiA, KaiB e KaiC — atuam como reguladores do mecanismo bioquímico de cronometragem dos ritmos diários da cianobactéria.

Fosforilação é o processo metabólico de adição de um grupo fosfato, doado por um ATP (molécula responsável pelo armazenamento de energia), a uma proteína. A desfosforilação, por sua vez, consiste na remoção de um grupo fosfato.

Essa dinâmica de adição e remoção de fosfato, catalisada pelas enzimas fosfatase e quinase, inibe ou ativa a expressão de um gene, isto é, sua codificação em uma proteína. Por isso, constitui um dos principais mecanismos de regulação proteica.

A descoberta do papel dos genes Kai no metabolismo da Synechococcus abriu caminho para a reconstituição do relógio circadiano da cianobactéria in vitro. Para isso, Kondo misturou o trio de proteínas Kai com uma molécula de ATP num tubo de ensaio.

A incubação comprovou a hipótese de que, na presença desses quatro elementos, os ciclos de 24 horas da cianobactéria ocorrem autonomamente, mesmo na ausência de "pistas temporais" externas, como é o caso da alternação luz/escuro.

O experimento demonstrou que os processos de fosforilação e desfosforilação das três proteínas Kai estão interligados e geram um ciclo encadeado de ativação e inativação proteica. Kondo observou que a oscilação da expressão gênica dessas proteínas atua como o marcador temporal do relógio circadiano da Synechococcus, sendo "o estado de fosforilação da KaiC o componente central desse sistema".

Segundo o professor, os ritmos circadianos gerados pela oscilação da KaiC atuam como um temporizador molecular, regulando todo o metabolismo da cianobactéria.

RELÓGIO MECÂNICO

Kondo comparou os ciclos circadianos da Synechococcu a um sistema de cronometragem mecânico: "O relógio de proteína Kai é desenhado como um relógio de pêndulo".

De acordo com ele, a oscilação entre o ciclo de fosforilação da KaiC e a expressão gênica de KaiA e KaiB assemelha-se ao mecanismo de um pêndulo: assim como o escapo transmite a marcação de tempo aos ponteiros, os pulsos gerados pelas proteínas Kai transmitem os sinais temporais para a célula, fazendo o ajuste fino dos processos vitais que dependem da sincronização com fatores externos.

Ele chamou atenção para a precisão dos ritmos biológicos da cianobactéria. "A Natureza imita a arte. O relógio circadiano de proteína Kai parece feito por um relojoeiro", concluiu.

Foto: Leonor Calazans/IEA-USP