Para o desenvolvimento de novos agentes medicinais, o conhecimento preciso dos processos biológicos do corpo é um pré-requisito. Aqui, as proteínas desempenham um papel crucial. No Instituto Paul Scherrer PSI, o laser de elétrons livres de raios-X SwissFEL tem agora, pela primeira vez, direcionou sua luz forte sobre os cristais de proteína e tornou suas estruturas visíveis. As características especiais do laser de raios X permitem experimentos completamente novos nos quais os cientistas podem observar como as proteínas se movem e mudam de forma. O novo método, que na Suíça só é possível no PSI, ajudará na descoberta futura de novos medicamentos.

Menos de dois anos após o início das operações do laser de elétrons livres de raios-X SwissFEL, Pesquisadores PSI, junto com a empresa suíça leadXpro, completaram com sucesso seu primeiro experimento usando-o para estudar moléculas biológicas. Com isso, eles alcançaram outro marco antes que este novo grande centro de pesquisa PSI se torne disponível para experimentos, no início de 2019, para todos os usuários da academia e da indústria. SwissFEL é uma das cinco instalações em todo o mundo nas quais os pesquisadores podem investigar processos biológicos em proteínas ou complexos de proteínas com luz laser de raios-X de alta energia.

"No futuro, os pulsos de luz de raios-X extremamente curtos do SwissFEL nos permitirão aqui no PSI capturar não apenas a estrutura das moléculas, mas também seu movimento, "diz o físico do PSI Karol Nass, quem conduziu o experimento. "Isso nos permitirá observar e compreender muitos processos biológicos de uma perspectiva completamente diferente."

Isso abre novas possibilidades para a pesquisa farmacêutica em particular. Michael Hennig, CEO da empresa de biotecnologia leadXpro, está convencido disso. A empresa, com sede em Park innovaare em PSI, está investigando a estrutura de certas proteínas que assumem funções importantes na membrana celular e, portanto, são alvos adequados para drogas. É por isso que ele já, neste primeiro experimento biológico na nova instalação SwissFEL, examinou de perto uma proteína de membrana que desempenha um papel importante no câncer.

Iluminando o desconhecido

As proteínas da membrana estão envolvidas em muitos processos biológicos no corpo e, portanto, são a chave para novas perspectivas de tratamento; vários prêmios Nobel já foram concedidos a pesquisadores que os estudaram. Eles são moléculas de proteína que estão firmemente integradas à membrana celular e são responsáveis ​​pela comunicação entre as células e seus arredores. Quando um agente medicinal ataca eles, por exemplo, eles mudam de forma e, com isso, enviam um sinal para o interior da célula. Isso influencia o metabolismo celular e outras funções celulares. Muitos medicamentos em uso hoje já funcionam por meio de proteínas de membrana.

Contudo, não se sabe muito em detalhes sobre as mudanças que os agentes desencadeiam ali. "Você sabe qual agente é vinculativo e quais os efeitos que causa, ainda assim, os sinais são transmitidos por meio de mudanças estruturais da proteína. O que exatamente são, nós só podemos adivinhar, "Hennig diz." Com SwissFEL, queremos entender melhor essas dinâmicas ultrarrápidas com as quais as drogas se acoplam às proteínas de membrana, bem como os mecanismos associados. "Com este conhecimento, os pesquisadores esperam, novos e mais direcionados agentes contra doenças podem ser desenvolvidos, e os efeitos colaterais podem ser minimizados.

Estroboscópio superlativo

Para tornar visível a estrutura de proteínas complexas, os pesquisadores até agora usaram um método em que observam as proteínas com a ajuda de uma instalação de produção de luz síncrotron - também no PSI. Para este método, as proteínas são preparadas de modo que estejam disponíveis na forma cristalina, isso é, dispostos em uma estrutura de rede regular. Quando a luz de raios-X de um síncrotron os atinge, esta luz é espalhada na estrutura do cristal e capturada por um detector.

O detector então entrega os dados a um computador para uma imagem tridimensional da estrutura da proteína. Este princípio básico também é aplicado na SwissFEL. Comparado a um síncrotron, no entanto, SwissFEL envia flashes de raios-X com intensidade bilhões de vezes maior em intervalos muito curtos, até 100 flashes por segundo. Eles destroem os cristais após cada clarão. Portanto, centenas de milhares de cristais de uma proteína devem ser colocados sucessivamente no feixe de raios-X. Cada lampejo que atinge uma proteína, pouco antes de destruí-lo, produz um diagrama de dispersão no detector. Isso é analisado por um software complexo executado em computadores de alto desempenho e, em seguida, computado em uma estrutura. Uma vez que os pulsos são inimaginavelmente curtos, mesmo movimentos moleculares muito rápidos podem ser tornados visíveis como se estivessem em câmera lenta.

Maior resolução graças ao detector PSI

O detector Jungfrau-16M da SwissFEL é o maior e mais novo detector do mundo para a investigação de biomoléculas com um laser de raios-X. Os pesquisadores da PSI passaram mais de cinco anos desenvolvendo o detector 16-M especificamente para esta aplicação. Foi concluído em junho de 2018. Em seguida, levou apenas dois meses para ser capaz de demonstrar com sucesso sua capacidade - com este primeiro experimento de biomolécula na SwissFEL. "Este detector é algo especial, "diz o físico do PSI Nass." Ele tem um desempenho de baixo ruído e uma faixa dinâmica muito alta, e, como resultado, pode registrar uma largura de banda muito maior de intensidades. "É como uma câmera que pode processar diferenças de claro-escuro muito grandes. Essa característica é especialmente importante para medições no SwissFEL por causa de sua intensidade de luz extremamente alta.

Além do detector altamente sensível, pesquisadores biológicos da SwissFEL apreciam a possibilidade de analisar cristais muito menores do que em um síncrotron. Esse aspecto também é interessante do ponto de vista econômico, Hennig encontra, uma vez que dependendo da proteína, encontrar um procedimento para cultivar cristais a partir dele pode ser extremamente demorado. "Para algumas proteínas, até agora, apenas pequenos cristais puderam ser produzidos. Agora podemos estudá-los no SwissFEL. Assim, economizamos uma enorme quantidade de tempo que de outra forma seria necessária para a otimização do cristal, para obtermos os resultados mais rapidamente. "

Para leadXpro, a colaboração com PSI, incluindo acesso ao grande centro de pesquisa SwissFEL, é uma situação ganha-ganha, na qual as áreas de especialização se complementam perfeitamente. Já neste experimento piloto, um pesquisador leadXpro cristalizou as proteínas e as preparou para análise em ordem, então, para examiná-los em conjunto com cientistas do PSI na SwissFEL. Hennig acrescenta:"Com nossos experimentos, estamos mostrando isso no SwissFEL, simultaneamente com a pesquisa fundamental, é possível fazer pesquisa farmacêutica aplicada que beneficiará os pacientes. "Um dia, como resultado, devem ser descobertos agentes que levam a grandes melhorias no tratamento de doenças - influenciando pequenos movimentos nas proteínas.