Magnetite nos dentes: sequenciamento de transcriptomas do tecido da radula do molusco concha

Segundo as estatísticas, os médicos mais terríveis são dentistas. Esses adeptos de uma broca e de um gás hilariante estão prontos para fazer qualquer coisa para se fazer contas dos dentes. Pelo menos é o que as pessoas com dentofobia pensam. De fato, o trabalho dos dentistas é importante e necessário. Mas quem não precisa de dentista é quitões - moluscos de casca. Seus dentes são tão fortes que a frase "roer o granito da ciência" assume um significado literal. Os dentes do rádio da túnica são cobertos com mineral magnetita, que esses habitantes marinhos produzem independentemente. Então, os cientistas decidiram estudar esse processo com mais detalhes, na esperança de obter novas informações que possam ajudar na criação de novos materiais ultra-fortes. Como os cientistas conduziram suas pesquisas sobre os "sorrisos" das túnicas, o que eles conseguiram descobrir e como suas descobertas podem ajudar as pessoas - as respostas para essas perguntas estão no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Malacology

Chitons ou moluscos de concha são uma classe de moluscos marinhos cobertos de concha. Aqui está uma tautologia. No momento, existem cerca de 1.500 espécies vivendo em uma ampla variedade de regiões geográficas e camadas de água (de águas rasas a profundidades de 2500 m). O primeiro recurso que chama sua atenção é a carapaça. Consiste em 8 placas interconectadas de maneira bastante móvel, o que permite que as túnicas colapsem em uma bola em caso de perigo.


Chiton da espécie Cryptochiton stelleri.

Se dissermos que a genealogia das túnicas é muito antiga, isso será um eufemismo, porque alguns restos dos ancestrais das túnicas (fósseis) são de cerca de 400 milhões de anos. Ao mesmo tempo, esses habitantes marinhos eram reclusos - as primeiras descrições das túnicas datam de 1758, após a autoria do cientista sueco Karl Linnaeus.


Túnica de radula.

O pesadelo de qualquer dentista é uma boca de túnica, equipada com uma rádula com várias fileiras de dentes de 17 peças cada. Mais uma vez, agradecemos à evolução que essas criaturas crescem até um máximo de 35 cm e se alimentam de algas microscópicas, e não de seres humanos. Cada um dos dentes é revestido com magnetita, o que os ajuda a raspar seus alimentos de qualquer superfície.

E é precisamente esse recurso que interessa aos cientistas. Como os quitons produzem magnetita, tornando seus dentes um dos mais fortes da natureza?


Magnetita

A magnetita (Fe ₃ O ₄ / óxido de ferro), como você pode imaginar, tem fortes propriedades magnéticas; além disso, é um semicondutor. Você não pode chamar esse mineral de raro, mas uma coisa é extraí-lo em algumas montanhas e outra é desenvolvê-lo com seu próprio corpo para dar força aos dentes.

Então, nos familiarizamos um pouco com o protagonista deste estudo e sua “superpotência”. Agora é hora de aprofundar o estudo em si e seus resultados.

Base de estudo

Os cientistas sabem há muito tempo que alguns organismos podem produzir magnetita. Entre esses organismos, existem bactérias, abelhas, salmão e até pombos. No entanto, desde a descoberta de tal característica nos chitons em 1962, o mecanismo de produção de magnetita não foi totalmente descrito. Os cientistas observam que o interesse em quitões aumentou muitas vezes depois que a magnetita produzida por Cryptochiton stelleri (um tipo de quitons) foi reconhecida como um dos biominais mais duráveis.

Outra característica importante dos quitons é a substituição de vários dentes desgastados por novos formados no interior do rádio, o que nos permite analisar todo o processo de mineralização. As primeiras 8 a 12 fileiras de dentes de C. stelleri são transparentes e não possuem magnetita, mas consistem mais de α-quitina e proteínas. Após 2-5 filas de dentes, escurecem para uma cor marrom-avermelhada, que corresponde visualmente à mineralização parcial por meio de óxido de ferro nanocristalino amorfo (ferri-hidrita). E as fileiras mais recentes de dentes já apresentam saliências negras acentuadas, o que indica a conclusão do processo de mineralização, ou seja, a transição de ferriidrita para magnetita.

Uma nuance importante - a superfície do rádio e a base dos dentes consistem principalmente de α-quitina, mas a ponta dos dentes já consiste em um mineral. E isso significa que existem várias proteínas que determinam as especificidades da formação de óxido de ferro e a maior cobertura dessa área em particular com magnetita.

Para estudar esses processos, os cientistas realizaram uma série de observações que permitiram recriar com uma transcrição dos rádios teciduais do chiton C. stelleri de ambas as áreas - com e sem mineralização.

Resultados


Imagem Nº 1

Os dentes do molusco são formados dentro dos tecidos do rádio, onde são circundados por células epiteliais ( 1a ). Portanto, as proteínas necessárias para sua formação são produzidas nas mesmas células.

Os cientistas isolaram o RNA dos tecidos dos rádios para construir uma série de sequências expressas nesses tecidos (transcrição).

Os tecidos de três locais ( 1a ) serviram como amostras para o isolamento do RNA: as primeiras 8 a 12 filas de dentes (sem mineralização), 2 a 5 filas (mineralização parcial) e 5 a 6 fileiras (mineralização total). Em seguida, foi realizado o seqüenciamento de RNA, ou seja, a determinação da estrutura primária do RNA. Dados de locais mineralizados e não mineralizados foram coletados em 187980 transcrições. O comprimento médio de um transcrito foi de 705 pb (bases emparelhadas / pares de nucleotídeos) e o máximo atingiu 16738 pb.

A Figura 1b mostra esquematicamente um dente de chiton: uma membrana de radula na base, depois a parte principal e o ápice afiado do dente (parte externa).


Resultados de Sequenciação de RNA Tabela C. stelleri.

Entre os 20 transcritos mais expressos na região dentária não mineralizada, cinco transcritos são isoformas da proteína Cs17717 | c0_g1 . Também foram revelados 2 transcritos de proteínas do tipo peritrofina - Cs79475 | c0_g1_i1 e Cs70642 | c0_g2_i1 que possui um domínio de ligação à quitina. Também é importante observar que Cs25220 | c1_g1_i1 é semelhante à proteína Pif, que está associada à biomineralização do carbonato de cálcio em moluscos. Assim, as proteínas acima têm um domínio de ligação à quitina do tipo 2.

Um quadro diferente foi observado nos vinte transcritos expressos na região mineralizada dos dentes. 35% deles eram enzimas da cadeia respiratória mitocondrial. A proteína Cs12250 | c0_g1_i1 envolvida na ligação à quitina também foi detectada. Curiosamente, essa proteína foi encontrada anteriormente no bico da lula. Cerca de 25% dos transcritos são isoformas da proteína Cs22243 | c0_g7 , cujas funções ainda não foram estudadas.

Os cientistas identificaram várias proteínas importantes em sua opinião envolvidas no processo de mineralização. Mas eles consideram a ferritina a mais importante, necessária para o armazenamento e a transferência de ferro. A ferritina forma uma célula protéica - um tipo de armadilha na qual até 4.500 átomos de ferro são colocados na forma de um mineral à base de óxido de ferro.


Tabela de todas as proteínas associadas à mineralização dentária C. stelleri.

E como os genes da ferritina foram encontrados nos tecidos dos rádios dos moluscos de teste, os cientistas sugeriram ousadamente que ele estava envolvido no processo de mineralização dos dentes.

Os cientistas analisaram 134.993 transcrições quanto a sinais de homologia (semelhança genética) com genes de ferritina. Como resultado, foram isoladas 4 sequências de transcrição de aminoácidos.

Uma análise dos quatro mostrou que Cs90734 | c0_g1_i1 possui homologia com ferritinas segregadas e os três restantes ( Cs22563 | c0_g1_i1 , Cs75144 | c0_g1_i1 e Cs17042 | c0_g1_i1 ) são mais semelhantes às ferritinas citoplasmáticas.

Os cientistas também apontam que a ferritina Cs90734 | c0_g1_i1 , ao contrário de seus "colegas", possui algumas propriedades estruturais inerentes às ferritinas do tipo secretado, e não citoplasmáticas.

Em primeiro lugar, ele tem uma inserção de aproximadamente 40 resíduos de aminoácidos (aminoácidos fora da sequência peptídica). Em segundo lugar, os resíduos de ligação de metal são substituídos por outros aminoácidos. A única coisa que Cs90734 | c0_g1_i1 não possui das ferritinas do tipo segregadas são as seqüências de sinal.

A maior taxa de expressão foi para uma ferritina específica - Cs75144 | c0_g1_i1 , que é interessante, mais pronunciada na região não mineralizada dos dentes. Isso indica sua importância no processo de mineralização.

Foram identificadas 31 proteínas da base dentária e da membrana do rádio. Desses, 22 foram identificados durante a primeira etapa da análise usando espectrometria de massa em tandem. Esta técnica também tornou possível entender que as seqüências peptídicas das áreas mineralizadas do dente correspondem a 232 transcritos, e as seqüências peptídicas da base e membrana do dente a 114 transcritos.

Foram identificadas 77 proteínas na área das pontas dos dentes (61 na primeira análise e 54 na segunda), dentre as quais: mioglobina, actina, fator de alongamento 1 alfa e arginina quinase ( Cs77196 | c0_g2_i1 , Cs47470 | c2_g3_i1 , Cs24354 | c0_ g1_i Cs82664 | c0_g1_i1 , respectivamente). Todos eles são representados pelos vinte transcritos mais expressos na área não mineralizada dos dentes.

Durante a busca pelos responsáveis ​​pela mineralização de proteínas, foi utilizado o software Mascot, trabalhando com base em dados de espectrometria de massa e determinando proteínas por sequências peptídicas. Entre as proteínas estudadas, foi dada atenção especial à proteína Cs68435 | c0_g1_i1 , não identificada anteriormente, que não apresentava características comuns às seqüências de outras proteínas. Os cientistas deram o nome de RTMP1 (proteína da matriz dos dentes radiais 1).

A sequência peptídica da proteína Cs68435 | c0_g1_i1 contém resíduos de glicina e serina. Uma vez que o cinco-prime (5 ') desta proteína foi reduzido, o comprimento total da sequência foi determinado usando 5'-RACE.

O RACE (amplificação rápida das extremidades de cDNA) é um método para a produção de regiões finais de cDNA de fita dupla homólogas às extremidades 3 'ou 5' de moléculas específicas de mRNA.

A sequência completa de aminoácidos da nova proteína RTMP1.

O quadro geral da sequência é o seguinte: locais enriquecidos em glicina e serina (GS), depois locais com triptofano e fenilalanina (WF) e locais ricos em histidina (H).

Os cientistas também descobriram que o alinhamento das sequências WF dos domínios de ligação à quitina RTMP1 de quatro quitinases bacterianas (enzimas que ativam a degradação da quitina) mostrou que três em cada cinco resíduos putativos que interagem com a quitina nos domínios de ligação à quitina também estão presentes no RTMP1.

Os cientistas determinaram o perfil de expressão dos transcritos associados às proteínas de mineralização em diferentes períodos de mineralização. O nível de expressão de alguns transcritos (por exemplo, proteínas semelhantes a neuroglobina, superóxido dismutase, peroxiredoxina-6 etc.) difere cerca de 4 vezes nas áreas dentárias com e sem mineralização. O nível de expressão varia dependendo do curso do processo de mineralização. Em outras palavras, quanto mais próximo do local da mineralização, menor a expressão de alguns transcritos e maior a expressão de outros (por exemplo, proteína RTMP1).

Para um conhecimento mais detalhado do estudo, recomendo fortemente que você analise o relatório do grupo de pesquisa e materiais adicionais .

Epílogo

Este estudo foi o primeiro a demonstrar uma transcrição do tecido radônio quiton. Os cientistas foram capazes de descobrir que os transcritos mais expressos em áreas não mineralizadas contêm genes de ferritina e em genes mineralizados - enzimas da cadeia respiratória mitocondrial.

Os pesquisadores também isolaram 22 proteínas na área mineralizada, entre as quais uma completamente nova foi descoberta - o RTMP1. São essas proteínas que serão testadas em estudos adicionais sobre a mineralização do óxido de ferro nas túnicas.

Este trabalho é o primeiro passo para entender como os minerais são realmente formados nos sistemas biológicos. Tais casos não são incomuns, mas foram estudados extremamente superficialmente no momento. No futuro, esse conhecimento poderá ajudar na criação de novos métodos de cultivo de certos materiais, dotando-os de propriedades muito úteis (resistência, condutividade elétrica, magnetização, etc.).

Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma ótima semana de trabalho, pessoal.

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