Toda a vida é composta de células várias magnitudes menores que um grão de sal. Suas estruturas aparentemente simples mascaram a intrincada e complexa atividade molecular que lhes permite realizar as funções que sustentam a vida.
Os pesquisadores estão começando a visualizar essa atividade com um nível de detalhe que não eram capazes antes.
As estruturas biológicas podem ser visualizadas começando no nível de todo o organismo e trabalhando para baixo, ou começando no nível de átomos individuais e trabalhando para cima.
No entanto, tem havido uma lacuna de resolução entre as menores estruturas de uma célula, como o citoesqueleto que suporta a forma da célula, e suas maiores estruturas, como os ribossomos que produzem proteínas nas células.
Por analogia com o Google Maps, embora os cientistas tenham conseguido ver cidades inteiras e casas individuais, eles não tinham as ferramentas para ver como as casas se juntavam para formar bairros.
Ver esses detalhes no nível da vizinhança é essencial para entender como os componentes individuais funcionam juntos no ambiente de uma célula.
Novas ferramentas estão constantemente preenchendo essa lacuna. E o desenvolvimento contínuo de uma técnica específica, tomografia crioeletrônica, ou crio-ET, tem o potencial de aprofundar como os pesquisadores estudam e compreendem como as células funcionam na saúde e na doença.
Como ex-editor-chefe da revista Science e pesquisador que estudou estruturas de proteínas grandes e difíceis de visualizar por décadas, testemunhei um progresso impressionante no desenvolvimento de ferramentas que podem determinar estruturas biológicas em detalhes.
Assim como fica mais fácil entender como sistemas complicados funcionam quando você sabe como eles se parecem, entender como as estruturas biológicas se encaixam em uma célula é a chave para entender como os organismos funcionam.
Uma breve história da microscopia
No século 17, a microscopia de luz revelou pela primeira vez a existência de células. No século 20, a microscopia eletrônica ofereceu ainda mais detalhes, revelando as elaboradas estruturas dentro das células, incluindo organelas como o retículo endoplasmático, uma complexa rede de membranas que desempenham papéis fundamentais na síntese e transporte de proteínas.
Da década de 1940 a 1960, os bioquímicos trabalharam para separar as células em seus componentes moleculares e aprender como determinar as estruturas 3D de proteínas e outras macromoléculas em ou perto da resolução atômica. Isso foi feito pela primeira vez usando cristalografia de raios-X para visualizar a estrutura da mioglobina, uma proteína que fornece oxigênio aos músculos.
Na última década, técnicas baseadas em ressonância magnética nuclear, que produz imagens com base em como os átomos interagem em um campo magnético, e microscopia crioeletrônica aumentaram rapidamente o número e a complexidade das estruturas que os cientistas podem visualizar.
O que é crio-EM e crio-ET?
A microscopia crioeletrônica, ou crio-EM, usa uma câmera para detectar como um feixe de elétrons é desviado à medida que os elétrons passam por uma amostra para visualizar estruturas no nível molecular.
As amostras são rapidamente congeladas para protegê-las dos danos causados pela radiação. Modelos detalhados da estrutura de interesse são feitos tomando várias imagens de moléculas individuais e calculando a média delas em uma estrutura 3D.
Cryo-ET compartilha componentes semelhantes com cryo-EM, mas usa métodos diferentes. Como a maioria das células é muito espessa para ser visualizada com clareza, uma região de interesse em uma célula é primeiro diluída usando um feixe de íons.
A amostra é então inclinada para tirar várias fotos dela em diferentes ângulos, de forma análoga a uma tomografia computadorizada de uma parte do corpo – embora neste caso o próprio sistema de imagem seja inclinado, e não o paciente. Essas imagens são então combinadas por um computador para produzir uma imagem 3D de uma parte da célula.
A resolução dessa imagem é alta o suficiente para que pesquisadores – ou programas de computador – possam identificar os componentes individuais de diferentes estruturas em uma célula. Os pesquisadores usaram essa abordagem, por exemplo, para mostrar como as proteínas se movem e são degradadas dentro de uma célula de alga.
Muitas das etapas que os pesquisadores precisavam executar manualmente para determinar as estruturas das células estão se tornando automatizadas, permitindo que os cientistas identifiquem novas estruturas em velocidades muito mais altas.
Por exemplo, combinar cryo-EM com programas de inteligência artificial como o AlphaFold pode facilitar a interpretação de imagens ao prever estruturas de proteínas que ainda não foram caracterizadas.
Entendendo a estrutura e função das células
À medida que os métodos de imagem e os fluxos de trabalho melhoram, os pesquisadores poderão abordar algumas questões-chave na biologia celular com diferentes estratégias.
O primeiro passo é decidir quais células e quais regiões dentro dessas células estudar. Outra técnica de visualização chamada microscopia eletrônica e de luz correlacionada, ou CLEM, usa marcadores fluorescentes para ajudar a localizar regiões onde processos interessantes estão ocorrendo em células vivas.
Comparar a diferença genética entre as células pode fornecer informações adicionais. Os cientistas podem observar células incapazes de realizar funções específicas e ver como isso se reflete em sua estrutura. Essa abordagem também pode ajudar os pesquisadores a estudar como as células interagem umas com as outras.
É provável que o Cryo-ET continue sendo uma ferramenta especializada por algum tempo. Mas desenvolvimentos tecnológicos adicionais e acessibilidade crescente permitirão à comunidade científica examinar a ligação entre a estrutura celular e a função em níveis de detalhe anteriormente inacessíveis.
Prevejo ver novas teorias sobre como entendemos as células, passando de sacos desorganizados de moléculas para sistemas intrincadamente organizados e dinâmicos.
Jeremy Berg, Professor de Biologia Computacional e de Sistemas, Vice-Chanceler Sênior Associado para Estratégia e Planejamento Científico, Universidade de Pittsburgh
Publicado em 15/01/2023 09h55
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