Algumas das máquinas mais elegantes da biologia são proteínas que compartilham uma origem comum, mas acabaram assumindo funções muito diferentes. Entender como essa divergência acontece é uma questão central na evolução molecular. Uma equipe que atua entre a Universidade de Kiel, o Síncrotron de Elétrons Alemão DESY e o Centro de Biologia de Sistemas Estruturais (CSSB) abordou essa questão voltando o relógio para trás. Liderados por Holger Sondermann, professor na Universidade de Kiel e chefe do grupo de Microbiologia Estrutural no DESY, os pesquisadores reconstruíram o ancestral comum de duas enzimas bacterianas, produziram no laboratório a proteína extinta há muito tempo e a usaram para rastrear como funções distintas surgiram ao longo da evolução. Os resultados, publicados em Science Advances, oferecem um raro vislumbre do passado molecular e demonstram uma estratégia poderosa para estudar a evolução de proteínas.
Duas enzimas, papéis divergentes
As duas enzimas examinadas no estudo pertencem a um grupo de proteínas conhecidas como nucleases, que degradam moléculas formadas pelas unidades químicas do material genético. Embora sejam aparentadas, elas passaram a ocupar nichos diferentes dentro da célula bacteriana.
A primeira enzima, NrnC, é uma espécie de generalista. Ela degrada pequenas moléculas formadas por dois blocos de DNA ou RNA ligados entre si. A segunda enzima, diDNase, realiza uma reação semelhante, mas tornou-se especializada: dedica-se principalmente a processar moléculas compostas por dois blocos de DNA. A diferença pode parecer sutil, mas para uma bactéria ela importa. A capacidade de degradar um tipo de ácido nucleico pequeno e não outro pode afetar a regulação gênica, o reparo do DNA e a reciclagem do material genético.
O quebra-cabeça científico, como Sondermann e colegas o formularam, não é apenas o que essas enzimas fazem hoje. É como proteínas tão próximas desenvolveram preferências tão distintas. No grande curso da evolução, uma única mudança de aminoácido pode alterar a forma, a estabilidade ou a atividade de uma enzima. Mas rastrear esse caminho é difícil quando só os descendentes modernos estão visíveis. O passado precisa ser inferido, e a maneira mais direta de testar essas inferências é recriá-lo.
Os limites de estudar enzimas vivas
O novo estudo se apoia em vários anos de pesquisa do grupo de Sondermann. A equipe começou de modo convencional: comparando proteínas de diferentes bactérias para determinar quais características foram conservadas ao longo do tempo e quais mudaram. Regiões conservadas costumam ser essenciais para a estrutura ou a função, enquanto regiões variáveis podem explicar diferenças de especificidade.
Em estudos anteriores de uma família específica de enzimas, Sofia Mortensen, cientista do grupo de Sondermann, identificou um conjunto de proteínas muito próximas de enzimas conhecidas, mas que processavam moléculas diferentes. Essa descoberta abriu caminho para investigar como ocorre a divergência funcional dentro de uma família cujas relações evolutivas já estavam claras. As proteínas eram evidentemente irmãs, mas haviam se afastado em suas preferências químicas.
A equipe inicialmente tentou explicar as diferenças entre as duas enzimas introduzindo mudanças direcionadas nas proteínas. Essa é uma abordagem comum em engenharia de proteínas: mutar um aminoácido de cada vez e ver qual substituição muda a atividade da enzima de uma função para outra. Mas, neste caso, a estratégia falhou. As proteínas modificadas perderam estabilidade ou deixaram de executar a função esperada. Mexer na superfície visível das enzimas não foi suficiente para revelar o caminho evolutivo subjacente.
Olhar para trás, não para a frente
Como as proteínas atuais resistiram à explicação, os pesquisadores decidiram seguir por outra rota. Em vez de comparar apenas as proteínas que existem hoje, olharam para trás, para sua história evolutiva. Essa é a lógica da reconstrução de sequência ancestral, um método que usa sequências de muitas proteínas relacionadas para inferir a sequência mais provável de uma proteína que existiu há milhões de anos.
A equipe primeiro construiu uma árvore evolutiva detalhada da família de enzimas, posicionando NrnC, diDNase e outros parentes de acordo com a semelhança de suas sequências de aminoácidos. Com essa árvore em mãos, puderam calcular a sequência mais provável do ancestral comum do qual ambas as enzimas descendem. Depois veio a etapa realmente ambiciosa: sintetizaram o gene, expressaram-no no laboratório e produziram a proteína antiga em uma forma que pudesse ser estudada diretamente.
Essa proteína ressuscitada é mais do que uma relíquia. Ela serve como ponto de partida para experimentos. Ao recriar um estado ancestral, a equipe pode introduzir mudanças uma a uma e observar como cada alteração empurra a proteína para uma função moderna ou outra. Na prática, a enzima antiga é uma máquina do tempo molecular, permitindo aos pesquisadores reproduzir a evolução em um tubo de ensaio.
Uma visão estrutural do passado molecular
O estudo também oferece uma perspectiva estrutural. Os pesquisadores puderam observar a estrutura tridimensional do ancestral reconstruído das enzimas diDNase. Ver a forma de uma proteína antiga ajuda a explicar por que certas mutações foram toleradas e outras não. Também esclarece como o sítio ativo, a região em que a enzima realiza sua reação química, foi remodelado ao longo do tempo para aceitar diferentes substratos.
Como a enzima ancestral precede a separação entre NrnC e diDNase, sua estrutura provavelmente representa um estado em que ambas as funções ainda eram possíveis. Ao comparar essa estrutura ancestral com as estruturas modernas de NrnC e diDNase, a equipe pode identificar as mudanças precisas que inclinaram a enzima para uma especialização ou outra. Esse tipo de informação é difícil de obter examinando apenas enzimas modernas, porque milhões de anos de evolução posterior podem obscurecer os passos iniciais que colocaram uma proteína em determinado caminho.
Implicações para a evolução fundamental e a engenharia de proteínas
Os achados fornecem insights sobre como proteínas podem evoluir funções diferentes ao longo da evolução, mas suas implicações vão além da curiosidade básica. Entender como a natureza remodela proteínas é valioso para cientistas que querem projetar enzimas personalizadas para biotecnologia, medicina ou química industrial.
A evolução natural é um processo incremental. Ela não projeta uma proteína do zero, mas modifica as existentes, muitas vezes explorando a flexibilidade de um ancestral que já tinha atividade de baixo nível em relação a vários substratos. O caso de NrnC e diDNase ilustra esse princípio com clareza incomum. A enzima ancestral era claramente capaz de dar origem a dois especialistas diferentes, cada um ajustado a um tipo distinto de pequena molécula de ácido nucleico.
Para os engenheiros de proteínas de hoje, a lição é que simplesmente mutar resíduos em uma enzima contemporânea pode não reproduzir o caminho que a natureza seguiu. Às vezes, as regras que governam a evolução de uma enzima estão enterradas profundamente em sua história. Para mudar uma proteína de maneira significativa, talvez seja necessário pensar como um paleontólogo evolutivo e considerar as formas antigas das quais as proteínas atuais surgiram.
Um roteiro para rebobinar a evolução
O estudo também oferece um roteiro metodológico para outros grupos de pesquisa. A reconstrução de sequência ancestral não é nova, mas combiná-la com biologia estrutural e ressuscitação em laboratório está começando a render percepções notáveis. A infraestrutura do CSSB e do DESY permite reunir análise evolutiva, produção de proteínas e determinação estrutural de alta resolução sob um mesmo guarda-chuva intelectual.
O sucesso da equipe também destaca o valor da persistência. Os experimentos iniciais de mutação falharam, e só ao dar um passo atrás e adotar uma visão evolutiva mais longa os pesquisadores conseguiram avançar. Na ciência, como na evolução, às vezes o caminho para frente exige voltar.
Olhando adiante
Serão necessários mais experimentos para mapear toda a trajetória do ancestral enzimático até os especialistas modernos. Agora que têm a proteína reconstruída em mãos, os pesquisadores podem começar a trocar mutações que separam as duas linhagens e observar as consequências em tempo real. Cada experimento acrescentará um novo detalhe ao quadro de como essa família evoluiu e talvez ofereça princípios gerais aplicáveis a muitas outras proteínas.
Para não especialistas, o trabalho lembra que a evolução não é apenas uma força que molda elefantes e orquídeas, mas também uma escultora das máquinas moleculares dentro de cada célula viva. Ao reviver uma proteína perdida no tempo, uma equipe de cientistas mostrou que o passado nem sempre está fora de alcance. Às vezes ele pode ser reconstruído, estudado e levado a revelar seus segredos.
Este artigo é baseado na cobertura do Phys.org. Leia o artigo original.
Originally published on phys.org
