Microscopia Crioeletrônica - Decifrando o Nobel de Química

O prêmio Nobel de Química de 2017 foi concedido a três pesquisadores, Jacques Dubochet, Joachim Frank e Richard Henderson. A laureação dos cientistas deveu-se à sua contribuição no desenvolvimento de uma técnica que permite obter imagens de moléculas biológicas em alta resolução, a microscopia crioeletrônica.

A forma das biomoléculas está diretamente relacionada aos efeitos fisiológicos que promovem nos organismos, assim, a elucidação do aspecto tridimensional dessas moléculas pode levar à maior compreensão de seus mecanismos de funcionamento. Como exemplo, pode-se citar as proteínas reguladoras dos ciclos biológicos e as formadoras da estrutura do Zika vírus, responsável pela recente epidemia de nascimentos de bebês com microcefalia no Brasil.

Fonte da imagem: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/popular-chemistryprize2017.pdf

Vejamos a seguir a principal contribuição de cada um dos cientistas premiados.

 Richard Henderson

O cientista Richard Henderson obteve seu doutorado, na Universidade de Cambridge, através do estudo da estrutura de proteínas utilizando cristalografia de raio-X. Essa técnica consiste basicamente na incidência de raio-x sobre uma amostra (proteína) a ser analisada. Através do padrão de difração e espalhamento da radiação, pode-se, por meio de softwares especializados, compor o que seria a "imagem" da proteína e, portanto, uma proposição de um modelo para a sua estrutura.

Fonte: https://www.quora.com/What-is-the-difference-between-determining-a-proteins-structure-via-NMR-and-determining-it-by-X-ray-crystallography

A limitação dessa técnica é que ela depende de compostos que, ao serem solidificados, apresentem um arranjo regular, ou seja, formam estruturas cristalinas.

Ao tentar estudar a estrutura de algumas proteínas de membrana celular, Henderson percebeu que, ao serem isoladas da membrana, perdiam a sua conformação original, de modo que a sua estrutura não poderia ser determinada pela cristalografia de raio-x.

Para contornar esse problema, o cientista considerou utilizar a microscopia eletrônica, na qual a amostra é analisada pela incidência de um feixe de elétrons altamente energético.

Na prática, porém, o procedimento mostrou-se inicialmente inviável. O feixe de elétrons de alta energia acabava por decompor a amostra orgânica termicamente. Além disso, a necessidade de submeter o composto a ser estudado ao vácuo contribuía para a sua degradação, devido à desidratação pela vaporização da água, presente nos meios celulares, e parcialmente responsável pela manutenção da estrutura original das biomoléculas.

A solução encontrada por Henderson foi analisar, no microscópio eletrônico, as proteínas associadas à própria membrana. Essa composição permitiu a "visualização" das moléculas, mas a resolução das imagens obtidas era baixa.

Joachim  Frank

A contribuição do cientista Joachim Frank foi uma técnica para se obter imagens de alta resolução através da microscopia eletrônica.

Basicamente, o cientista desenvolveu um método no qual, através da composição de várias imagens bidimensionais (2D), um software especializado consegue gerar uma imagem tridimensional (3D), possibilitando obter imagens de alta resolução para servir de modelo para a determinação da estrutura das biomoléculas.

 Fonte:  https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/popular-chemistryprize2017.pdf 

Jacques Dubochet

Como mencionado, uma das limitações da aplicação da técnica de microscopia eletrônica consistia da necessidade do vácuo, que provocava a evaporação das moléculas de água e consequentemente mudança do arranjo das biomoléculas.

Para contornar essa situação, uma possibilidade considerada pelos cientistas foi congelar as amostras, uma vez que a passagem do gelo para o estado de vapor ocorre mais lentamente do que quando comparado à água líquida. No entanto, devido ao arranjo cristalino das moléculas de água no gelo, não foi possível obter um contraste significativo com o arranjo das biomoléculas.

A solução encontrada por Dubochet foi solidificar a água rapidamente, de modo que não houvesse tempo para formar o retículo cristalino do gelo, e assim as moléculas de água acabassem formando um arranjo vitrificado, ou seja aleatório e amorfo.

Fonte:  https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/popular-chemistryprize2017.pdf

A técnica consiste no resfriamento de uma fina película de água (filme) em contato com etano super-resfriado com nitrogênio líquido, como representado pela imagem acima.

Dessa maneira, pode-se obter um maior contraste entre os cristais das biomoléculas e o arranjo amorfo da água, permitindo assim, através da  microscopia eletrônica, a obtenção de imagens de alta resolução (resolução em nível atômico).

A associação da microscopia eletrônica com o modo de preparo das amostras desenvolvido por Dubochet é atualmente denominada microscopia crioeletrônica.

É previsto que a aplicação da  microscopia  crioeletrônica permitirá avanços significativos principalmente no campo da bioquímica, devido a possibilidade de elucidação estrutural da  maior parte das biomoléculas, possibilitando uma melhor compreensão do funcionamento das mesmas.

A microscopia crioeletrônica  é considerada revolucionária no campo científico, permitindo desde a análise da estrutura de proteínas de membrana até biomoléculas maiores e mais complexas, abrindo assim vastos campos de estudo nas áreas médicas e farmacêuticas.

Referências Bibliográficas:

https://brasil.elpais.com/brasil/2017/10/04/ciencia/1507101567_361365.html

https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/popular.html

https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/popular-chemistryprize2017.pdf