As proteínas que permitem o sentido do tato em humanos têm um primo evolucionário que ajuda as plantas a desenvolverem seus sistemas radiculares

A descoberta, publicada na revista, aponta para uma origem evolucionária milenar das proteínas PIEZO, que até agora haviam sido caracterizadas principalmente em animais. Este avanço na biologia básica também pode levar a novas estratégias para melhorar o rendimento das safras, dizem os pesquisadores.

“Nossa descoberta de que as proteínas PIEZO funcionam como transdutores de forças mecânicas em plantas e também em animais sugere a grande importância dessas proteínas para os organismos vivos na Terra”, disse o autor principal Seyed Ali Reza Mousavi, PhD, pesquisador. Associado de pós-doutorado em Ardem Patapoutian’s Scripps Laboratório de Pesquisa, PhD.

“É notável que a evolução tenha usado o mesmo tipo de molécula para que possamos sentir o toque e para que as raízes das plantas detectem a dureza do solo”, diz Patapoutian, professor e professor presidencial de neurobiologia da Scripps Research e pesquisador do HHMI.

Patapoutian, o principal autor do estudo, tem o crédito de descobrir as proteínas PIEZO há cerca de uma década, uma conquista que lhe rendeu o Prêmio Kavli de Neurociência 2020 e muitos outros prêmios. A descoberta levou a uma série de descobertas adicionais que lançaram luz sobre uma variedade de condições médicas, de insuficiência cardíaca a dores crônicas.

Sentindo a força física

As proteínas PIEZO têm pouca semelhança com qualquer outra família de proteínas biológicas. Nos mamíferos, a única grande classe de animais estudada extensivamente, eles formam estruturas semelhantes a hélices nas membranas externas das células.

Quando esticadas ou pressionadas além de um limiar, essas estruturas permitem que moléculas carregadas, chamadas de íons, entrem ou saiam de suas células hospedeiras.

As duas proteínas PIEZO em mamíferos, PIEZO1 e PIEZO2, são a base de uma ampla variedade de funções que requerem esta conversão de força mecânica em sinais celulares, funções que incluem o sentido do tato, o sentido do corpo e as posições dos membros que permitem o equilíbrio, a sensação de plenitude da bexiga e a regulação da pressão arterial.

O laboratório de Patapoutian e outros encontraram proteínas do tipo PIEZO, com funções sensoriais mecânicas aparentes, em outros animais, incluindo a mosca-das-frutas Drosophila.

Um papel importante no reino vegetal

Quando, na longa história da vida na Terra, essas proteínas únicas e versáteis evoluíram? Para ajudar a resolver essa questão, Mousavi e outros membros da equipe patapoutiana examinaram Arabidopsis thaliana, uma planta daninha da planta de mostarda que é um modelo de laboratório padrão para pesquisas em biologia vegetal. O genoma de Arabidopsis inclui um gene que codifica uma proteína semelhante a PIEZO, sugerindo que essas proteínas também funcionam como mecanossensores no reino vegetal.

Os cientistas examinaram primeiro os locais da planta onde a proteína PZO1 é produzida e descobriram que ela estava concentrada nas pontas das raízes. Ao remover o gene PZO1, eles observaram que as plantas de Arabidopsis tinham raízes mais curtas. Em um extenso conjunto de experimentos adicionais, eles descobriram que o PZO1 nas células da ponta da raiz responde a estímulos mecânicos com fluxos de íons, estabelecendo-o como um mecanismo sensorial como seus equivalentes mamíferos.

Exatamente como as habilidades de detecção mecânica do PZO1 ajudam as raízes a crescer permanece um mistério. Mas Mousavi, Patapoutian e seus colegas suspeitam que ajuda as células da ponta da raiz a detectar e se ajustar às forças mecânicas potencialmente fortes que encontram quando a raiz tenta penetrar em solos, especialmente em solos mais secos e duros.

“Se a atividade do PZO1 aumentar, isso pode ajudar as plantas a expandir seus sistemas radiculares em condições secas e ter melhor acesso à água”, diz Mousavi. Se for esse o caso, o aumento da atividade do PZO1 pode ser uma forma de aumentar o rendimento das safras em condições de solo difíceis, diz ele.

Mousavi está agora tentando esclarecer a função precisa do PZO1 em Arabidopsis com experimentos em condições do mundo real. Ele também espera estudar o papel das proteínas do tipo PIEZO em plantações de alimentos, incluindo milho e arroz.

O apoio à pesquisa foi fornecido pela Swiss National Science Foundation (P300PA_164695, P2LAP3_151727), os National Institutes of Health (GM114660, R01HL143297), HHMI e o China Scholarship Council.