COMPREENSÃO BÁSICA DAS PLANTAS: SISTEMA DE CONTROLE DE DANO CELULAR AJUDA PLANTAS A PROSPERAR

Enquanto a demanda por alimentos aumenta a níveis sem precedentes, fazendeiros estão em uma corrida contra o tempo para criar plantas que possam resistir a desafios ambientais – infestações, mudanças climáticas e outros fatores. Agora, uma nova pesquisa do Instituto Salk, publicada na Science de 23 de Outubro de 2015, revela em detalhes um mecanismo fundamental como as plantas controlam sua energia armazenada, que pode potencialmente ser aproveitada para melhorar seu crescimento.

Nas plantas, cloroplastos pode acumular altos níveis de oxigénio atómico tóxico, uma espécie de oxigênio reativo formado durante a fotossíntese. Nestas células, a maior parte dos cloroplastos (organelos verdes) e das mitocôndrias (organelas vermelho) parecem saudáveis. No entanto, o cloroplasto no canto superior esquerdo da imagem está sendo degradada seletivamente e está interagindo com o vacúolo central (azul). Salk cientistas revelam como esta estratégia para degradar cloroplastos danificados pelo oxigénio atómico pode ajudar uma célula de evitar mais danos oxidativos durante a fotossíntese. Crédito: Instituto Salk

Nas plantas, cloroplastos podem acumular altos níveis de oxigênio atômico tóxico, uma espécie de oxigênio reativo formado durante a fotossíntese. Nestas células, a maior parte dos cloroplastos (organelas verdes) e das mitocôndrias (organelas vermelhas) parecem saudáveis. No entanto, o cloroplasto no canto superior (verde mais escuro) da imagem está sendo degradado seletivamente e está interagindo com o vacúolo central (azul). Cientistas da Salk revelam como esta estratégia para degradar cloroplastos danificados pelo oxigênio atômico pode ajudar uma célula de evitar mais danos oxidativos durante a fotossíntese. Crédito: Instituto Salk

“As plantas são únicas visto que eles estão fixas no mesmo lugar onde germinam, então elas precisam usar vários mecanismos para lidar com os desafios ambientais” diz Joanne Chory, autora sênior do estudo e diretora do Laboratório de Biologia Molecular e Celular Vegetal do Instituto Salk. “Entender as técnicas que as plantas utilizam para lidar com o estresse pode nos ajudar a projetar plantações mais fortes com melhor crescimento para enfrentar a crescente escassez de alimentos.”

As plantas têm organelas celulares semelhantes a painéis solares minúsculos em cada folha. Estas estruturas microscópicas, chamadas cloroplastos, convertem a luz solar em energia química para permitir que a planta cresça. O centro da célula de comando, o núcleo, ocasionalmente envia sinais para destruir todos os 50-100 cloroplastos na célula, como no outono, quando as folhas ficam marrons e caem. No entanto, a equipe de Salk descobriu como o núcleo da planta começa a degradar e reutilizar os cloroplastos com defeito selecionados – um mecanismo que se suspeitava existir, mas nunca fora mostrado até então.

“Nós descobrimos uma nova via que permite uma célula fazer uma verificação de controle de qualidade nos cloroplastos”, diz Jesse Woodson, cientista da equipe de Salk e primeiro autor do artigo. Cloroplastos estão cheios de enzimas, proteínas e outros materiais que a planta pode utilizar de outra forma, se o cloroplasto está defeituoso (por exemplo, criando materiais tóxicos), ou é desnecessário.

Enquanto estudava uma versão mutante da planta Arabidopsis, a equipe observou que a planta estava formando cloroplastos defeituosos que criaram uma molécula reativa, tóxica, chamado oxigênio “singlet”, que se acumulou nas células. A equipe notou que as células estavam marcando os cloroplastos danificados a ser degradados com uma proteína chamada ubiquitina, que é usado em organismos, desde leveduras até seres humanos, para modificar a função de uma proteína.

Sob uma investigação mais aprofundada, a equipe observou que uma proteína chamada PUB4 estava realizando a marcação.

“Cloroplastos danificados estavam sendo revestidos nesta proteína ubiquitina”, diz Woodson. “Nós pensamos que esta é fundamentalmente diferente do sinal que abrange toda a célula, porque a célula quer continuar fazendo fotossíntese, mas tem alguns cloroplastos ruins para almejar e remover.”

Apesar da PUB4 já ter sido ligada à morte celular em outro trabalho, a equipe de Salk mostrou que esta proteína inicia a degradação dos cloroplastos colocando etiquetas de ubiquitina para marcar a organela celular para reciclagem. Este processo, diz Woodson, é como rotular painéis solares defeituosos para discriminá-las de outros materiais.

“Entender a biologia básica das plantas como a degradação seletiva do cloroplasto nos leva um passo adiante de aprender a controlar cloroplastos e desenvolver plantações mais resistentes quando submetidas a fatores de stress”, diz Chory, que também é pesquisador titular do Instituto Médico Howard Hughes e Presidente da Maryam R. Newman de Biologia Vegetal. Por exemplo, se uma planta está crescendo num ambiente relativamente favorável, há a possibilidade de reduzir a degradação dos cloroplastos para aumentar o crescimento da planta. Ou, se o ambiente continha uma grande quantidade de sol, estimulando o colapso e a regeneração dos cloroplastos poderia ajudar a planta a prosperar.

Curiosamente, os cloroplastos poderiam nos ajudar a entender o nosso cérebro também. Os neurônios têm organelas geradoras de energia semelhantes aos cloroplastos chamadas mitocôndrias. “Recentemente tornou-se aparente que as mitocôndrias são degradadas seletivamente na célula e que a acumulação de mitocôndrias defeituosas poderiam levar a doenças como Parkinson e talvez, Alzheimer”, diz Woodson. “As células, seja de plantas ou de animais, aprendem a degradar seletivamente as organelas de energia mortas, para poderem sobreviver.”

Através de uma melhor compreensão deste processo nos cloroplastos, a equipe de Salk pode ser capaz de também conceber uma visão sobre como lidar com as células mitocondriais com mau funcionamento. “Até agora parece que poderia ser um processo paralelo”, acrescenta Woodson. “Nós estamos esperando que com as nossas ferramentas moleculares e genéticas disponíveis, podemos continuar a descobrir conceitos gerais sobre a maneira como as células fazem estas verificações de controle de qualidade em organelas, e também aprender algo sobre doenças neurodegenerativas”

Jornal de Referência: Jesse D. Woodson, Matthew S. Joens, Andrew B. Sinson, Jonathan Gilkerson, Patrice A. Salomé, Detlef Weigel, James A. Fitzpatrick, and Joanne Chory. Ubiquitin facilitates a quality-control pathway that removes damaged chloroplasts. Science, 23 October 2015: 450-454 DOI: 10.1126/science.aac7444

Por: Maria Fernanda Cirotto

Fonte: Science Daily

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