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Apr 25, 2023

A arquitetura e o mecanismo operacional de uma organela urticante de cnidário

Volume de comunicações da natureza

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 3494 (2022) Citar este artigo

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As organelas pungentes de águas-vivas, anêmonas-do-mar e outros cnidários, conhecidas como nematocistos, são armas celulares notáveis ​​usadas tanto para predação quanto para defesa. Os nematocistos consistem em uma cápsula pressurizada contendo um fio enrolado em forma de arpão. Essas estruturas, por sua vez, são construídas dentro de células especializadas conhecidas como nematócitos. Quando acionada, a cápsula descarrega de forma explosiva, ejetando o fio enrolado que perfura o alvo e se alonga rapidamente virando do avesso em um processo chamado eversão. Devido à complexidade estrutural do fio e à extrema velocidade de descarga, a mecânica precisa do disparo do nematocisto permaneceu indefinida7. Aqui, usando uma combinação de imagens ao vivo e de super-resolução, microscopia eletrônica 3D e perturbações genéticas, definimos a sequência passo a passo da operação do nematocisto no modelo de anêmona do mar Nematostella vectensis. Esta análise revela as complexas transformações biomecânicas subjacentes ao mecanismo operacional dos nematocistos, uma das micromáquinas biológicas mais requintadas da natureza. Além disso, este estudo fornecerá informações sobre a forma e a função das organelas cnidárias relacionadas e servirá como modelo para o design de microdispositivos bioinspirados.

Nematocistos cnidários são armas subcelulares complexas com formas e funções altamente especializadas1,2. Os nematocistos são organelas intracelulares derivadas de Golgi, compostas por filamentos venenosos encerrados em uma cápsula pressurizada3,4. Ao ser acionada, a cápsula descarrega, ejetando seu fio como um arpão que penetra nos alvos, liberando um coquetel de neurotoxinas5,6,7,8,9,10. No nível celular, a descarga de nematocistos está entre os processos mecânicos mais rápidos da natureza, conhecidos por serem concluídos em 3 milissegundos em nematocistos Hydra11,12. Medições realizadas em vídeo de alta velocidade de estenotelas Hydra revelam que a fase inicial da explosão da cápsula acionada por pressão e a subsequente ejeção do fio ocorrem em até 700 nanossegundos12. Esse estágio inicial de descarga explosiva é comparável a outros sistemas de projéteis ultrarrápidos encontrados na natureza, como descarga de esporos fúngicos, ejeção de pólen e descarga de organelas balísticas de dinoflagelados13,14.

Estudos anteriores indicam que a alta velocidade de descarga do nematocisto é impulsionada pelo acúmulo de pressão osmótica dentro da cápsula por uma matriz de polímeros de poli-γ-glutamato (PGs) de ligação catiônica e a parede da cápsula esticada elasticamente liberando energia por uma poderosa mola mecanismo semelhante durante a descarga2,12,15,16. Ao acionar, mas antes da descarga, a cápsula aproximadamente dobra de volume devido ao rápido influxo de água17. Isso faz com que a matriz inche osmoticamente e distenda a parede da cápsula2,18. Essa energia é posteriormente utilizada para ejetar o fio com alta velocidade, que impacta e penetra no tecido alvo. As fases posteriores da descarga do nematocisto envolvem o alongamento do fio, que ocorre em uma escala de tempo mais lenta e é concluída em milissegundos11. Nessa fase, o fio do nematocisto sofre uma transformação de forma, virando do avesso por meio de um processo chamado de eversão, causado pela liberação tanto da pressão gerada osmoticamente quanto da energia elástica armazenada no fio17,19,20. Assim, o nematocisto opera em fases distintas que envolvem uma fase inicial de perfuração do alvo e fases posteriores de eversão para formar um lúmen.

As características dos nematocistos variam significativamente entre diferentes espécies de cnidários, exibindo diversidade no tamanho da cápsula e na morfologia do filamento, mas todos mantêm um mecanismo de operação semelhante envolvendo um túbulo eversível conduzido por ejeção explosiva2,21,22,23. Para explorar a biologia do nematocisto em um sistema geneticamente tratável, aqui nós interrogamos a operação do fio do nematocisto na anêmona-do-mar Nematostella vectensis. Nematostella abriga dois tipos de nematocistos: os p-mastigóforos microbásicos e as isorrizas basítricas, tendo estas últimas variedades curtas e longas24,25. Nas anêmonas-do-mar, as cápsulas dos nematocistos são seladas por três abas apicais conectadas ao fio urticante26,27,28. Esse fio é composto por duas subestruturas distintas: uma haste curta, rígida e fibrosa e um túbulo longo e fino decorado com farpas17,22. A haste é composta por três filamentos enrolados helicoidalmente, sendo inicialmente ejetada como um projétil comprimido, perfurando o alvo, e posteriormente evertida para formar um lúmen por onde é liberado o restante do fio, o túbulo17. Embora se saiba que a eversão do eixo envolve uma transformação geométrica de uma bobina fortemente comprimida em uma seringa oca, os mecanismos que conduzem esse processo são pouco compreendidos. Além disso, a eversão do túbulo difere significativamente daquela do eixo da tripla hélice, pois o túbulo everte virando do avesso na ausência de filamentos helicoidais26,29. A liberação de pressão e energia elástica armazenada na cápsula é teoricamente suficiente para conduzir a ejeção inicial e a penetração da haste, no entanto, fontes adicionais de energia provavelmente serão necessárias para maior alongamento da rosca5,19,20. Devido à velocidade e complexidade desses eventos, os estágios precisos de descarga e eversão até agora permaneceram indefinidos.