As proteínas são as ferramentas da vida. No futuro, os cientistas podem ser capazes de examinar moléculas individuais com um método especialmente suave para determinar como elas são construídas, como eles desempenham suas funções nas células, e como eles interagem com drogas potenciais. Isso é possível graças a hologramas de proteínas que, pela primeira vez, foram produzidos usando elétrons muito lentos por cientistas da Universidade de Zurique e do Instituto Max Planck para Pesquisa do Estado de Sólido, em Stuttgart.

Conhecer a estrutura das proteínas é de interesse não apenas para biólogos que desejam entender como um organismo funciona, mas também para médicos e farmacologistas que precisam saber como as proteínas são construídas, como eles interagem com outras proteínas e moléculas menores, e como esses locais de ligação mudam à medida que a proteína desempenha suas funções. Com este conhecimento, os pesquisadores podem desenvolver medicamentos que interagem com a maquinaria da proteína quando ela se quebra e ficamos doentes.

A capacidade de criar imagens de proteínas individuais pode ser extremamente útil:métodos comuns, como análise de estrutura de raios-X e microscopia crioeletrônica, requerem cristais das biomoléculas ou uma grande quantidade de uma proteína. Uma deficiência desses métodos é que os cristais de muitas proteínas são impossíveis de crescer. Além disso, devido à média, as técnicas muitas vezes falham em detectar diferenças entre várias conformações, ou seja, variantes estruturais, da biomolécula. No entanto, são precisamente essas variações que são importantes na busca por novos medicamentos, já que as proteínas assumem várias conformações quando desempenham suas funções.

A ideia original da holografia agora é realidade

"Nós agora imaginamos proteínas únicas pela primeira vez, "diz Hans-Werner Fink, professor da Universidade de Zurique e chefe do experimento. "Isso foi alcançado pela combinação de dois métodos que são únicos no mundo científico:holografia de elétrons e deposição de feixe de íons por eletropulverização, o que permite que as amostras sejam preparadas com muito cuidado. "Usando essa combinação, os pesquisadores geraram hologramas de citocromo C, albumina e hemoglobina. Como as estruturas dessas proteínas já são conhecidas, os pesquisadores puderam usá-los para confirmar a precisão e a utilidade dos hologramas.

Para holografia de elétrons, os pesquisadores do grupo de Hans-Werner Fink, com sede em Zurique, desenvolveram um microscópio inovador que explora as propriedades de onda dos elétrons. O microscópio irradia elétrons de baixa energia através de uma proteína e sobrepõe os elétrons espalhados à parte do feixe de elétrons que não interagiu com a proteína. O padrão de interferência resultante, que pode ser registrado pelo microscópio, forma um holograma semelhante aos obtidos por holografia óptica. "Como os elétrons têm muito pouca energia, há muito pouco dano de radiação, mesmo se imaginarmos uma proteína por horas, ao contrário de outros métodos de análise estrutural, "explica Hans-Werner Fink.

Com o microscópio de holografia eletrônica, o físico percebeu a ideia original de Dennis Gábor. Quando o engenheiro húngaro-britânico inventou a holografia em 1947, na verdade, ele tinha um microscópio eletrônico aprimorado em mente. Contudo, na época não havia fontes de elétrons adequadas, de modo a, seguindo a invenção do laser, este novo princípio de imagem ótica só poderia ser colocado em prática com a luz. Dennis Gábor recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1971. "Após a invenção de uma fonte pontual de elétrons ultra-afiada, que emite elétrons com propriedades semelhantes às de uma luz laser, finalmente percebemos a ideia brilhante de Dennis Gábor com ondas de elétrons, "diz Hans-Werner Fink.

A proteína gasosa é gentilmente colocada no grafeno

Contudo, para obter imagens de proteínas únicas com holografia de elétrons, os pesquisadores suíços ainda precisavam de um material transportador para as proteínas que fosse transparente às ondas de elétrons, bem como um método para colocar biomoléculas sem causar danos. O grafeno mostrou-se o material mais adequado para o carreador. Pesquisadores do Instituto Max Planck de Pesquisa do Estado Sólido encontraram a melhor solução para depositar proteínas nas folhas feitas de camadas de carbono:deposição de feixe de íons por eletropulverização, que foi desenvolvido por uma equipe chefiada por Stephan Rauschenbach no departamento de Klaus Kern. Os pesquisadores expõem a solução de proteína a uma alta voltagem elétrica para que o líquido fique altamente carregado. A repulsão elétrica faz com que o líquido se atomize em uma névoa fina. Quando as gotículas de névoa são expostas a um vácuo, o líquido evapora e os constituintes dissolvidos, ou seja, proteínas e impurezas, permanecem para trás como gases. Um espectrômetro de massa então classifica as proteínas de acordo com suas proporções de massa para carga e também separa as impurezas.

"Nosso método torna possível transferir moléculas biológicas individuais para o vácuo e depositá-las em uma superfície tão suavemente que sua frágil estrutura tridimensional de proteína dobrada é preservada, "diz Stephan Rauschenbach." Graças à espectrometria de massa preparativa, também evitamos a contaminação das amostras de grafeno com outras moléculas, o que é crucial para a qualidade da imagem holográfica. ”A espectrometria de massa também torna possível separar misturas de proteínas ou proteínas puras de complexos com parceiros de ligação.

Informações sobre a montagem de subunidades

Depois que Stephan Rauschenbach e seus colegas depositaram as proteínas nos substratos de grafeno em Stuttgart, as amostras devem ser transportadas para Zurique, onde o microscópio holográfico eletrônico está localizado. As amostras devem chegar em um estado não contaminado, o que significa que nenhuma outra molécula pode se estabelecer no grafeno. Para transportar as amostras para a Suíça, os pesquisadores desenvolveram um caso em que prevalece um vácuo ultra-alto, como no próprio aparelho.

Graças, nomeadamente, ao cuidado meticuloso e à limpeza observada durante a preparação e transporte das amostras, os hologramas de elétrons já alcançam uma resolução de menos de um nanômetro. "Isso nos permite investigar como as subunidades individuais de grandes complexos de proteínas são montadas, "Stephan Rauschenbach diz. Os primeiros hologramas de proteínas individuais também fornecem informações sobre sua estrutura tridimensional.

"Contudo, para criar imagens com precisão de estruturas de proteínas em nível atômico, ainda temos que melhorar um pouco a resolução, "explica Klaus Kern.", não há obstáculos físicos que impeçam isso. "Os cientistas de Zurique e Stuttgart agora planejam construir um microscópio no qual as vibrações das proteínas são suprimidas pelo resfriamento das amostras a cerca de 200 graus Celsius negativos. Além disso, um laboratório de precisão exclusivo foi recentemente construído no Instituto Max Planck em Stuttgart, que oferece condições perfeitas para medições altamente sensíveis, como holografia. Este laboratório foi construído por iniciativa de Klaus Kern e atualmente é o padrão ouro para um ambiente de medição de baixa vibração. Assim que o microscópio de holografia eletrônica for otimizado, cientistas biomédicos podem usar este novo instrumento para estudar as complexidades de como as ferramentas da vida funcionam.