Jacques Dubochet, Joachim Frank e Richard Henderson
foram agraciados por terem desenvolvido a técnica que permite visões sem
precedentes de biomoléculas
importantes.
Por Stu Broman, C&EN, October, 04 2017.
Chamada algumas vezes de "blobologia"
devido às limitações de resolução, a microscopia crio-eletrônica agora pode
revelar proteínas como a glutamato desidrogenase com resolução atômica. O maior
responsável pelas melhorias de resolução foi a nova tecnologia de detectores
introduzida em 2013.
Crédito: Martin
Högbom / The Royal Swedish Academy©
O Prêmio Nobel de Química de 2017
foi concedido a Jacques Dubochet da Universidade de Lausanne; Joachim Frank da
Columbia University e Richard Henderson do Laboratório de Biologia Molecular MRC,
em Cambridge. Receberão o prêmio "pelo desenvolvimento da microscopia
crio-eletrônica (crio-EM) para a determinação de estruturas, em alta resolução,
de biomoléculas em solução”. Os cientistas dividirão um prêmio de
aproximadamente US$ 1,11 milhão de dólares americanos.
Na cryo-EM, um feixe de elétrons é passada
através de uma amostra molecular que foi congelada, geralmente com etano
líquido. O material desvia os elétrons de forma a permitir que os pesquisadores
determinem a estrutura da amostra. Os feixes de elétrons danificam fisicamente
as biomoléculas, mas congelando-as, a parte "cryo" do cryo-EM,
protege-as do dano eletrônico e também evita que elas se desidratem na câmara
de vácuo do microscópio eletrônico.
Dubochet, Frank e Henderson
As estruturas obtidas a partir da crio-EM
e outras técnicas estruturais são de fundamental importância para a compreensão
da química da vida e ajudam os cientistas a desenvolver novos fármacos,
explicando a maneira como estes interagem com as biomoléculas.
"As proteínas estão em todos os
seres vivos – humanos, plantas, animais, bactérias", diz Allison A.
Campbell, presidente da American Chemical Society. O prêmio de hoje
"destaca o papel que a química desempenha em todos os aspectos de nossas
vidas. Dos medicamentos que ingerimos às plantas que cultivamos, a compreensão
das proteínas – e a química dessas proteínas – é fundamental".
Tradicionalmente, os cientistas sempre
utilizaram a cristalografia de raios-X e a espectroscopia de ressonância
magnética nuclear (RMN) para obtenção das estruturas biomoleculares. A Cryo-EM,
no entanto, pode resolver algumas estruturas de cristalografia que a RMN não resolve.
Por exemplo, elimina a necessidade de cristalizar as biomoléculas, necessárias
na cristalografia de raios X e pode ser extremamente difícil de realizar em
alguns casos.
A Cryo-EM também pode lidar com
estruturas muito maiores do que é possível com a RMN ou mesmo com cristalografia
de raios-X: a especialista em Cryo-EM, Sarah Butcher da Universidade de
Helsinque estima que a técnica pode analisar estruturalmente objetos 100 vezes
maiores do que a cristalografia pode manipular, incluindo vírus inteiros e até
células congeladas. Isso torna "muito, muito mais adaptável a muitos tipos
diferentes de questões biológicas do que a RMN ou a cristalografia de raios-X",
diz ela.
Henderson estabeleceu as bases para a
cryo-EM quando, em 1975, quando usou a microscopia eletrônica para determinar
um modelo tridimensional da bacteriorodopsina, com a média das imagens
múltiplas obtidas com feixes fracos de elétrons. Este estudo mostrou que o
microscópio eletrônico poderia obter imagens tão detalhadas quanto às obtidas
pela cristalografia de raios-X, que era uma técnica inerentemente de maior
resolução naquela época. Durante a próxima década, Frank, então no Departamento
de Saúde do Estado de Nova York, desenvolveu tecnologia de processamento de
imagem para converter imagens convencionais de microscopia eletrônica bidimensional
em estruturas 3-D. Henderson também ajudou a avançar as técnicas de
processamento de imagens.
No início da década de 1980,
Dubochet desenvolveu métodos para congelar rapidamente amostras biomoleculares
para que fossem protegidos contra elétrons prejudiciais e ficassem hidratados,
mesmo no vácuo, mantendo suas formas moleculares nativas. Em 1990, a tecnologia
melhorou de tal maneira que Henderson conseguiu obter a primeira estrutura
crio-EM com resolução atômica. Seu alvo, a bacteriorodopsina, apresentavuma
estrutura bem ordenada que tornou alta resolução mais fácil de alcançar do que
seria o caso de muitas outras biomoléculas.
Na última década, os avanços na
tecnologia de detecção de elétrons, em particular o desenvolvimento de
detectores de elétrons diretos, melhoraram significativamente as capacidades de resolução do cryo-EM.
Os detectores de elétrons diretos, agora comercialmente disponíveis, juntamente
com outras melhorias recentes nas técnicas de tratamento de dados,
"causaram uma grande revolução na qualidade dos dados do cryo-EM",
diz Butcher". Agora, isso significa que podemos recuperar toda a
informação e ir para a resolução atômica, o que é o que os cristalográficos
fazem. Mas podemos fazê-lo sem ter que fazer cristais, e os cristais são uma dor
".
