Em nossos relógios celulares, ela encontrou uma vida inteira de descobertas | Revista Quanta

Esta manhã, quando o sol nasceu, milhares de milhões de humanos abriram os olhos e admitiram nos seus corpos um raio de luz vindo do espaço. Quando o fluxo de fótons atingiu a retina, os neurônios dispararam. E em todos os órgãos, em quase todas as células, uma maquinaria elaborada agitou-se. O relógio circadiano de cada célula, um complexo de proteínas cujos níveis aumentam e diminuem com o sol, entrou em ação.

Esse relógio sincroniza os nossos corpos com o ciclo claro-escuro do planeta, controlando a expressão de mais de 40% do nosso genoma. Genes para sinais imunológicos, mensageiros cerebrais e enzimas hepáticas, para citar apenas alguns, são todos transcritos para produzir proteínas quando o relógio diz que é hora.

Isso significa que você não é, bioquimicamente, às 10h a mesma pessoa que é às 10h. Significa que as noites são um horário mais perigoso para tomar grandes doses do analgésico acetaminofeno: as enzimas hepáticas que protegem contra overdose tornam-se escassas. Significa que as vacinas administradas de manhã e à noite trabalhar diferente, e que os trabalhadores do turno da noite, que desobedecem cronicamente aos seus relógios, apresentam taxas mais elevadas de doenças cardíacas e diabetes. Pessoas cujos relógios andam rápido ou devagar ficam presas num estado hediondo de jet lag perpétuo.

“Estamos ligados a este dia de uma forma que acho que as pessoas simplesmente rejeitam”, disse-me a bioquímica Carrie Partch. Se compreendermos melhor o relógio, argumentou ela, poderemos acertá-lo. Com essas informações, poderemos moldar o tratamento de doenças, desde diabetes até câncer.

Durante mais de um quarto de século, Partch viveu entre os orquestradores do relógio circadiano, as proteínas cuja ascensão e queda controlam o seu funcionamento. Como pós-doutora, ela produziu a primeira visualização do par de proteínas ligado em seu coração, CLOCK e BMAL1. Desde então, ela continuou a tornar visíveis as espirais e reviravoltas dessas e de outras proteínas do relógio, ao mesmo tempo em que mapeava como as mudanças em sua estrutura adicionam ou subtraem o tempo do dia. Suas conquistas na busca por esse conhecimento lhe renderam algumas das mais altas honrarias neste campo da ciência: o Prêmio Margaret Oakley Dayhoff da Sociedade Biofísica em 2018, e o Prêmio da Academia Nacional de Ciências em Biologia Molecular em 2022.

Enquanto Partch fala, sua percepção da implacabilidade do tempo – o fato de que ele nos muda, quer queiramos ou não – sombreia sua voz com uma urgência silenciosa. Sua própria jornada tomou um rumo inesperado; no auge de sua carreira, ela precisa se afastar da bancada do laboratório. Em 2020, aos 47 anos, foi diagnosticada com esclerose lateral amiotrófica, também conhecida como doença de Lou Gehrig. Em média, as pessoas vivem de três a cinco anos após serem diagnosticadas com ELA.

Mas isso não a impediu de pensar nas proteínas do relógio.

Ela os considera, com a cabeça inclinada, a luz brilhando em seus óculos, enquanto estamos sentados em sua sala de estar nas colinas perto de Santa Cruz, Califórnia. É meio-dia, cerca de seis horas desde que os fótons do Sol impulsionaram CLOCK e BMAL1 em ​​ação em suas células e nas células de todos os humanos na Costa Oeste.

Em sua mente, ela consegue ver as proteínas, cada uma delas uma fita de aminoácidos enrolada em torno de si mesma. BMAL1 tem uma espécie de cintura que o CLOCK aperta como uma dançarina. A cada amanhecer, a dupla se posiciona na massa densamente enrolada do genoma e convoca as enzimas que transcrevem o DNA. Ao longo do dia, fazem com que outras proteínas saiam da maquinaria da célula, incluindo várias que eventualmente eclipsam o seu poder. Três proteínas encontram apoio em CLOCK e BMAL1 por volta das 10h, silenciando-os e retirando-os do genoma. A maré da transcrição do DNA muda. Finalmente, no meio da noite, uma quarta proteína prende uma etiqueta na extremidade do BMAL1 e impede qualquer ativação adicional.

Os segundos se transformam em minutos, os minutos em horas. O tempo passa. Gradualmente, o quarteto repressivo de proteínas decai. Na madrugada, CLOCK e BMAL1 estão mais uma vez sendo feitos para renovar o ciclo.

Todos os dias da sua vida, este sistema liga a biologia fundamental do corpo ao movimento do planeta. Todos os dias da sua vida, enquanto durar. Ninguém entende isso mais profundamente do que Partch.

Química e Relógios

No verão antes da quinta série, quando Partch tinha 10 anos, seu pai, que era carpinteiro, quebrou o pulso jogando futebol. Enquanto esperava a cura, ele fez química na faculdade comunitária local. Ele mostrou a ela como equilibrar uma equação química em seu quintal nos arredores de Seattle, em um quadro-negro encostado em uma árvore. Essa foi sua introdução à química.

“Ainda me lembro de pensar como a precisão matemática da química era tão legal – muito diferente da biologia que aprendíamos na escola naquela idade”, disse ela.

Quando ela relembra seus anos de faculdade na Universidade de Washington, ela admite com uma risada irônica que algumas das coisas que saltam à tona são as lembranças de assistir a shows – dirigir até Olympia para shows do Sleater-Kinney, ver Mudhoney e Nirvana – e seu prazer em livros de autores como Ursula Le Guin. Mas ela também ficou fascinada por uma aula sobre química dos sistemas vivos. Após a formatura, ela foi trabalhar como técnica na Oregon Health and Science University, em Portland. A cada dia ela se apaixonava mais pela pesquisa. Em 2000, ela e o namorado, James, músico e designer gráfico, mudaram-se para a Universidade da Carolina do Norte, em Chapel Hill, para que ela pudesse iniciar seu doutorado.

Logo depois de chegar, ela conheceu a pessoa que iria apresentá-la ao relógio. Ela teve aula com o biólogo molecular Aziz Sancar, conhecido por seu trabalho no reparo do DNA. “Fiquei impressionada com a bela precisão com que ele nos ensinou conceitos científicos básicos”, disse ela. “Eu estava tipo, 'Cara, esse cara é tão inteligente.'” Sancar, que diria ganhar um prêmio Nobel em 2015, estudava uma classe de proteínas chamadas criptocromos, que inclui as proteínas do relógio CRY1 e CRY2. Cada organismo, desde cianobactérias até sequoias, tem um relógio, mas as proteínas que conduzem cada sistema são diferentes. Nos mamíferos, as proteínas mais importantes além de CLOCK e BMAL1 são formas de PER e CRY.

Como estudante de graduação no laboratório de Sancar, Partch descobriu que o CRY1 tinha uma cauda misteriosa e não estruturada. Ninguém sabia o que aquela secção da proteína fazia, mas, novamente, ninguém sabia realmente como é que qualquer uma das espirais e fitas das proteínas do relógio conduziam aos seus efeitos notáveis. E para surpresa de Partch, ninguém parecia se importar muito também. José Takahashi e seus colegas da Northwestern University identificaram os genes para CLOCK e BMAL1 com grande aclamação apenas alguns anos antes; a suposição tácita entre muitos cientistas era que o trabalho pesado estava feito.

Nem sequer ficou sem ser dito. Numa conferência em 2002, Partch partilhou com alguns colegas que queria compreender a estrutura das proteínas. "Por que?" foi a resposta deles: Já sabemos tudo. Partch, educadamente, mas enfaticamente, discordou.

Quando se formou, foi trabalhar no Southwestern Medical Center da Universidade do Texas como pós-doutoranda no laboratório de Kevin Gardner, bioquímico e biólogo estrutural agora no Centro de Pesquisa Científica Avançada do Centro de Pós-Graduação da City University of New York. Lá ela esperava poder ver as proteínas do relógio com mais clareza, aprendendo a usar duas técnicas complicadas, mas poderosas.

Um Poeta das Sombras

“Proteína circular toca proteína quadrada é igual a magia”: É assim que Gardner resume a imprecisão sobre a estrutura molecular que, na sua experiência, muitos biólogos se contentam em aceitar, uma vez que ninguém pode concentrar-se em todos os aspectos de cada sistema. Mas em Partch ele reconheceu uma alma gêmea, alguém motivado a desmontar proteínas e compreendê-las, e dotado de uma memória quase enciclopédica para a literatura sobre o relógio circadiano.

Trabalhando com ele, Partch aprendeu cristalografia de proteínas: como misturar soluções a partir das quais uma proteína purificada cristalizaria; como fazer brilhar raios X através dessa rede cristalina; como deduzir a forma da proteína a partir das nuances sutis no padrão de difração. Um cristalógrafo é como um poeta das sombras – Rosalind Franklin, cujas imagens permitiram a Watson e Crick inferir a estrutura do DNA, era uma cristalógrafa. Para Partch, as imagens cinzentas e nebulosas da cristalografia prometiam uma espiada nas estruturas que ela planejava seguir durante toda a vida.

No entanto, a cristalografia tem limites. Ele só pode revelar as formas de proteínas estáveis ​​o suficiente para cristalizar e fornece apenas um instantâneo dessas estruturas congeladas. Partch sabia que as formas estáticas que representavam proteínas nos diagramas dos livros obscureciam a verdade. Uma proteína pode dobrar suas pernas, torcer-se como uma catraca ou desenrolar-se e dobrar-se em uma forma nova e estranha. Algumas proteínas também são altamente desordenadas, com longos e flexíveis filamentos espaguete de aminoácidos conectando suas regiões mais ordenadas.

É por isso que a espectroscopia de ressonância magnética nuclear, ou RMN, também figurou no plano de Partch. Na RMN, soluções altamente purificadas de proteínas são colocadas dentro de um ímã e atingidas por ondas de rádio. As perturbações magnéticas resultantes de seus núcleos atômicos, compiladas e exibidas por software, podem revelar a disposição dos átomos de uma proteína a um olhar mais atento. Se as condições de medição estiverem corretas, é possível inferir como uma proteína se move ao se ligar a um parceiro, como sofre uma mudança de temperatura ou como muda de um estado para outro. Quando Partch olha para um arco-íris de dados de RMN em um gráfico XY, ela vê os movimentos rápidos de grupos de ligação de metal e o lento dobramento de uma proteína.

Quando seu departamento no UT Southwestern Medical Center recrutou Takahashi, o geneticista que identificou os genes para CLOCK e BMAL1, “é melhor você acreditar que eu me insinuei”, disse ela alegremente. Quando ela deixou a universidade, ela, Takahashi e seus colegas haviam produzido uma imagem do complexo CLOCK-BMAL1 por meio de cristalografia.

Em 2011, quando Partch se mudou com James e seu filho para começar o laboratório dela na Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, ela estava começando do zero. Ela não tinha projetos de pós-doutorado para continuar. Ela tinha apenas a singularidade de sua visão para entender o relógio e, por fim, as ferramentas para realizá-lo.

O relógio das proteínas

Do lado de fora da janela do escritório de Partch na UCSC, raios de luz filtram-se pelas folhas de sequoia. O prédio de ciências físicas está situado em uma floresta, onde fungos viscosos florescem e as árvores inclinam suas folhas em obediência a seus próprios relógios circadianos. Dentro dos estudantes e caminhantes que cruzam o chão coberto de musgo da floresta, CLOCK, BMAL1 e suas moléculas companheiras estão ocupadas produzindo o coquetel de proteínas do corpo durante a tarde. Foi aqui que Partch teve a oportunidade de examinar mais profundamente a biomecânica do tempo.

Desde o início, ela estava caminhando para um território desconhecido. “Carrie é extremamente única”, disse Brian Zoltowski da Southern Methodist University, que fez pós-doutorado no laboratório de Gardner com ela. Ele pode contar por um lado com os laboratórios que se concentram na biologia estrutural do relógio dos mamíferos. As habilidades exigidas são esotéricas e o risco de gastar anos de esforço com pouco progresso é grande.

Mesmo assim, Partch avançou rumo ao desconhecido e começou a enviar despachos. Com seu aluno Chelsea Gustavo e Hai Yan Xu da Universidade de Memphis, ela descobriu que o CRY1 silencia o BMAL1 ao se ligar competitivamente ao seu cauda contorcida e desordenada; se a cauda sofrer mutação, o relógio desvia o ritmo ou até se desintegra completamente. Com seu aluno Alicia Miguel, ela descobriu que CLOCK se aninha em CRY1 encadeando um laço em um bolso nele; se uma mutação destruir o bolso, os dois não se unirão. Uma mutação em PER2 faz com que ele se ajuste menos bem aos seus parceiros de ligação e o torna vulnerável à degradação; esse defeito adianta o relógio uma hora e meia. A orientação de uma ligação simples na cauda do BMAL1 pode encurtar o dia. As peças do relógio estavam começando a emergir da escuridão.

Ela se tornou conhecida como colecionadora de todas as mudanças que podem acelerar o relógio, desacelerá-lo ou silenciá-lo completamente. “Carrie está tentando se aprofundar no nível de compreensão de quais são os movimentos individuais das proteínas”, disse Zoltowski. Quanto mais tempo Partch passava com as proteínas do relógio em transformação, melhor ela poderia vê-las em sua mente e entender como elas poderiam responder a uma droga ou a uma mutação.

Suas descobertas deram à cronobiologia uma nova visão de como funcionam as proteínas do relógio. “O que Carrie descobriu repetidamente é que grande parte da biologia importante vem de partes das proteínas que são não estruturadas, altamente flexíveis e dinâmicas”, disse Andy LiWang da Universidade da Califórnia, Merced, biólogo estrutural que estuda o relógio em cianobactérias. “O que ela está fazendo com a RMN é heróico.”

Em 2018, Partch ganhou prêmios e reuniu um portfólio formidável de doações. Ela fez parte dos conselhos de sociedades científicas. Ela teve um segundo filho e recrutou um grupo de estudantes e pós-doutorandos inspirados por sua visão. Priya Crosby, uma pós-doutorada recente em seu laboratório, lembra-se de ter conhecido Partch em uma festa e de ter ficado impressionada. A paixão de Partch por entender o relógio era palpável e ela parecia ter todos os dados sobre ele ao seu alcance.

Foi nessa época que suas mãos começaram a travar.

Uma Chave nas Obras

No começo eram pequenas coisas. “Minhas mãos congelavam por um segundo”, disse ela. “Você sabe que isso não está certo.” Os médicos sugeriram que era estresse. Foi só em junho de 2020, quando ela voltou ao seu laboratório depois de meses de confinamento devido à pandemia de Covid-19 e descobriu que as escadas a deixavam exausta, que ela pressionou por uma resposta melhor. Quase seis meses depois, ela teve um diagnóstico: ELA, ou esclerose lateral amiotrófica.

ALS mata neurônios motores e destrói a capacidade de controlar movimentos. As habilidades motoras finas vêm primeiro, seguidas pela capacidade de andar e falar. Eventualmente, os neurônios que controlam a respiração desaparecem. Após um diagnóstico, as pessoas tendem a viver apenas alguns anos.

Partch adorava trabalhar na bancada do laboratório. Entre seus alunos, ela era conhecida por realizar sozinha experimentos preliminares para ver se uma ideia tinha potencial. Ela era uma visão familiar no laboratório, movimentada com baldes de gelo repletos de tubos de proteína.

“Minha última preparação de proteína foi em janeiro, há cerca de dois anos”, lembrou ela. "Que em papel Natureza — tínhamos a estrutura inicial. Estávamos tentando fazer mutações para ver se retinha água. … Eu superei metade dos mutantes e pensei, 'Oh meu Deus.'” O balde de gelo parecia chumbo em seus braços.

Partch agora usa uma cadeira de rodas motorizada. Botões foram instalados no prédio do laboratório para ela abrir portas, e James a leva para o trabalho. Ela ainda trabalha em tempo integral – reunindo-se com alunos, enviando e-mails, imaginando novos experimentos. Falar tornou-se mais difícil, mas sua mente não foi afetada. Às vezes, o desconhecido parece surgir e a dor ameaça dominá-la, mas ela deixa esses momentos passarem. “Estou tentando viver”, disse ela.

Ainda existe hoje. E hoje e hoje e hoje, enquanto o ciclo puder se repetir.

Verdades Universais do Tempo

É uma manhã nublada de maio, cerca de quatro horas de dança de CLOCK e BMAL1. No escritório de Partch, ela e Diksha Sharma, um estudante de pós-graduação no laboratório, estão discutindo sua paixão pelos segmentos de proteínas dobradas chamados domínios PAS. “Somos como duas ervilhas numa vagem”, diz Partch. Sharma está testando se os domínios PAS em CLOCK e BMAL1 podem ser direcionados por uma biblioteca de medicamentos para controle XNUMX horas por dia. “É factível, pensamos”, diz Partch.

No espaço do laboratório, um grupo de estudantes e pós-doutorandos trabalha. Rafael Robles acena e sorri de uma bancada onde está preparando tubos para uma preparação de proteína. Há menos alunos de graduação do que antes, talvez porque Partch não esteja mais lecionando. Seu aluno de pós-graduação Megan Torgrimson, que assistiu às aulas de Partch na faculdade, relembra seu magnetismo como palestrante. Mas embora Partch gostasse de ter pupilos mais jovens por perto, ela raciocina que mais espaço para todos trabalharem não é uma coisa ruim. “Estou muito entusiasmada com cada projeto em laboratório agora”, diz ela.

Nos últimos três anos, muitos projetos de longa data se concretizaram. Em uma tela do laboratório, o pós-doutorado Jon Philpott puxa uma figura do grupo novo papel in Célula Molecular, sobre uma mutação no PER2 associada ao distúrbio familiar da fase do sono, uma condição que encurta o ciclo diário em impressionantes quatro horas. Ele aponta na figura como PER2 é uma massa de regiões em sua maioria desordenadas. “São regiões extremamente importantes”, afirma. Até Partch mostrar o contrário, “a maioria das pessoas costumava pensar que a desordem eram as partes não funcionais”.

Numa reunião de laboratório, os cientistas mais jovens lideram a discussão de novos dados. Partch fica sentado em sua cadeira de rodas ouvindo, ocasionalmente intervindo. “O laboratório tem sido excelente ao lidar com a incerteza” do diagnóstico, ela me diz. Agora que ela não pode mais fazer experimentos sozinha, ela concentra grande parte de sua energia em orientá-los na direção certa.

Partch está pensando cada vez mais hoje em dia sobre o que é universal na medição do tempo na vida. Há alguns anos, LiWang a convidou para trabalhar com ele no relógio de cianobactérias, que não tem partes em comum com o relógio humano. Consiste em apenas três proteínas chamadas KaiA, KaiB e KaiC, cuja atividade aumenta e diminui num ritmo de 24 horas, e os seus dois parceiros de ligação, que impulsionam a tradução dos genes. Em 2017 a equipe liderada por LiWang e Partch lançou estruturas detalhadas de cada um dos complexos, revelando as dobras e torções que permitem a sua ligação entre si. Mais tarde, o grupo mostrou que poderia colocar as proteínas do relógio em um tubo de ensaio e fazê-las circular durante dias, até meses.

Eles estavam profundamente concentrados em registrar como esse ciclo era conduzido quando Partch reconheceu algo que vira enquanto estudava o relógio humano: a competição. A pequena etiqueta onde o CRY1 se liga ao BMAL1 é também onde um dos ativadores mais fortes do BMAL1 se liga. Se o CRY1 superar esse ativador, ocupando seu lugar na etiqueta, o relógio só poderá avançar. Ele fica preso nesse processo, esperando os minutos e as horas até que a ligação da proteína CRY1 se desintegre e o ciclo do relógio comece novamente.

No relógio das cianobactérias, percebeu Partch, a competição entre os componentes funciona da mesma maneira. Também surge nos relógios de organismos como vermes e fungos. “Este parece ser um princípio conservado em relógios muito, muito diferentes”, disse ela. Ela questiona se isso reflecte uma verdade biofísica fundamental sobre como a natureza faz máquinas que avançam no tempo, seguindo um caminho do qual não podem desviar-se.

O momento para a vida em Marte

Mais uma madrugada. A luz do sol irradia através dos confins frios do espaço, até a Terra, até os olhos azuis de porcelana de Carrie Partch. CLOCK e BMAL1 começam sua dança. Ela vai ao trabalho. Ela sai com os meninos, de 13 e 18 anos. O mais novo, que gosta de mergulhar nas tocas do YouTube sobre química, insiste que eles assistam juntos a um vídeo maravilhosamente bobo de uma hora sobre como isolar vanilina de luvas de borracha e transformá-la em molho picante. Ela pensa nas fitas e espirais das proteínas do relógio. Algumas pessoas que enfrentam seu diagnóstico podem decidir que é hora de fazer algo diferente, mas Partch nunca pensou em se afastar do relógio. Ela quer saber o final de muitas histórias.

Quando ela imagina um futuro onde realmente entenderemos a biologia circadiana, ela imagina saber o que o relógio de alguém está fazendo a qualquer momento do dia. Em resposta a um convite à apresentação de propostas da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA), ela e seus colegas tiveram a ideia de uma sonda nasal que pudesse avaliar o estado do seu relógio, transmitir dados sobre ele e talvez até alterá-lo. A DARPA é notoriamente favorável a propostas exageradas, mas Partch brinca que eles superaram a DARPA, já que não receberam o dinheiro. Ela ainda pensa no potencial desse dispositivo.

De todos os planetas giratórios do sistema solar, foi este, com o seu dia de 24 horas, que nos moldou. Por essa razão, existem questões significativas sobre como os humanos permanecerão saudáveis ​​se algum dia tentarmos viver em outros planetas. Como um carrossel cuja rotação parece suave até que você tente sair, os ciclos terrestres enraizados em nossas células podem nos atrair perigosamente. “Eles realmente nos ligam à Terra”, disse Partch.

Mas ela imagina ser capaz de ajustar a dinâmica do CLOCK, do BMAL1 ou de um de seus muitos parceiros para que os viajantes espaciais não adoeçam devido a relógios danificados. A natureza oferece alguma inspiração: uma mutação no CRY1 descoberta no laboratório de Michael Young na Universidade Rockefeller estende o ciclo circadiano dos humanos em cerca de 40 minutos, condenando seus portadores a um ciclo de sono perpetuamente incompatível na Terra. Partch observa que seria o momento perfeito para viver em Marte.

Partch descobre que sua voz está falhando ainda mais atualmente. Ela está satisfeita com um clone de sua voz gerado por IA que obteve, mas ainda reduziu as aparições e as viagens. Sua ausência nas reuniões do relógio circadiano chama a atenção de colegas, admiradores e amigos. A cronobiologia moderna baseia-se nas contribuições científicas de vencedores do Prémio Nobel e de outros pioneiros famosos, mas também nos detalhes estruturais que ela trouxe à luz. “Há um mundo muito mais rico lá”, disse Gardner. “E Carrie Partch foi quem nos deu isso.”

Na sala de estar de Partch, enquanto a neblina se espalha para dar as boas-vindas à noite, ela e eu conversamos sobre a escritora Ursula Le Guin, cuja ficção sempre se preocupou com o tempo. Em seu romance Os Despossuídos, Le Guin escreveu sobre como ter o tempo a seu lado - sobre como organizar sua vida de modo que sua passagem o leve na direção de sua escolha. “A questão de trabalhar com o tempo, em vez de contra ele”, escreveu ela, “é que não é desperdiçado. Até a dor conta.”

“Você está tendo tempo a seu favor?” Eu pergunto.

“Sim”, diz Partch. "Acho que sim."