Uma equipe de pesquisadores liderada pelo Dr. Mike Sleutel do VIB-VUB Center for Structural Biology em colaboração com cientistas do Institute for Complex Molecular Systems da Eindhoven University of Technology, e o CNRS em Grenoble, descobriram pela primeira vez os detalhes moleculares da nucleação do cristal de proteína, um processo de grande relevância médica e científica. A equipe também desenvolveu uma nova metodologia para estudar uma ampla classe de sistemas que permaneceram indefinidos até o momento. Seus resultados são publicados em Natureza .

Dr. Mike Sleutel (VIB-VUB):"Será emocionante ver esta nova técnica sendo aplicada no futuro para seguir os processos de automontagem de proteínas que estão implicados em uma série de distúrbios patológicos, tais como separação de fase líquido-líquido na formação de catarata ocular ou a formação de fibras amilóides associadas a uma variedade de distúrbios neurológicos. "

Os cristais de proteínas têm grande relevância médica e científica. Por décadas, eles têm sido essenciais para os biólogos estruturais resolverem as estruturas tridimensionais das proteínas, mas os cristais de proteína também são usados ​​como agentes de entrega biofarmacêuticos. As suspensões cristalinas são formulações atraentes para armazenar e administrar compostos farmacêuticos ativos por causa de sua vida útil de longo prazo, baixa viscosidade de solvente, e taxa de dissolução lenta. Talvez o exemplo mais conhecido seja a insulina:as injeções de insulina compreendem a injeção subcutânea de uma suspensão de microcristais de insulina que se dissolvem lentamente para produzir uma aplicação estável e sustentada ao longo do tempo. Apesar de seu enorme potencial, Existem dois fatores que limitam o uso de cristais de proteína em uma ampla gama de aplicações.

Desafios no desenvolvimento de cristais de proteína

Primeiro, crescimento de cristais de proteína, como muitos biólogos moleculares dirão, é mais uma arte do que uma ciência. Na verdade, para muitas proteínas, a cristalização pode ser terrivelmente difícil. Isso se deve em parte ao fato de que os cientistas não entendem os estágios iniciais da formação do cristal de proteína. Qualquer cristal se origina de um núcleo, uma pequena semente cristalina, que se forma pelo agrupamento espontâneo de algumas moléculas em solução que devem adotar uma organização regular em três dimensões. Como as moléculas realizam essa façanha improvável permaneceu um mistério até este ponto.

Em segundo lugar, uma única proteína pode se cristalizar em várias formas de cristal diferentes, isso é conhecido como polimorfismo. Diferentes polimorfos de cristal têm características diferentes, com os mais notáveis ​​o poder de difratar os raios X (crucial para a determinação da estrutura 3D), e a taxa na qual ele se dissolve (crucial para a entrega do medicamento). Por enquanto, é muito difícil guiar o processo de cristalização ao polimorfo de sua preferência. Os cientistas acreditam que a seleção de polimorfos ocorre na fase de nucleação, mas ninguém sabe exatamente como o mecanismo funciona.

Uma nova maneira de olhar para a automontagem de macromoléculas

O grupo de cientistas liderado pelo Dr. Mike Sleutel usou microscopia eletrônica de crio-transmissão de última geração (Cryo-TEM) para capturar o nascimento de um cristal de proteína, visualizando o processo de nucleação em resolução molecular.

Dr. Heiner Friedrich explica:"Como o processo acontece tão rapidamente, e em uma escala de comprimento tão pequena, precisamos parar criogenicamente a amostra em vários estágios do processo. Uma vez congelado no tempo, usamos um microscópio eletrônico muito sensível para visualizar as proteínas e como elas se agrupam para formar um núcleo e, finalmente, o cristal da proteína. "

Ao analisar as imagens Cryo-TEM obtidas de uma série de amostras em intervalos de tempo constantes, eles poderiam começar a confundir a série de colisões moleculares que precisam ocorrer para formar um núcleo cristalino. O Dr. Mike Sleutel continua:"Ficamos impressionados com a complexidade inesperada do processo, que provou ser muito mais complexo do que os modelos de trabalho que nós e outros no campo tínhamos antes dessas observações. Para a proteína que usamos em nosso estudo, descobrimos um processo hierárquico de automontagem que envolve três estágios subsequentes de automontagem em escalas de comprimento cada vez maiores. "Essas observações são as primeiras desse tipo e fornecem uma nova maneira de olhar para o processos de automontagem de macromoléculas em estruturas maiores.

Mas a equipe deu um passo além, e comparou as vias de nucleação de múltiplos polimorfos. Eles mostraram que a seleção polimórfica é ditada pela arquitetura dos menores fragmentos possíveis formados nos primeiros momentos. Uma vez que essas estruturas são formadas, a fé do sistema está definida. O Dr. Alexander Van Driessche explica:"Ao analisar e compreender as diferenças na estrutura dos vários núcleos, desenvolvemos estratégias para orientar o processo de seleção de polimorfos. Conseguimos isso ajustando suavemente os diferentes modos de interação que existem entre as moléculas, direcionando o processo de nucleação na direção de nossa escolha. ”A equipe acredita que os novos insights e metodologia irão avançar significativamente no desenvolvimento de cristais de proteína para determinação de estrutura 3D e aplicações médicas.