Em uma noite amena no início de junho, O Space X lançou o foguete Falcon 9, que transportou a espaçonave Dragon em direção à Estação Espacial Internacional (ISS). Quando o dragão quebrou as amarras da gravidade da Terra, três pequenas, caixas pretas estavam aninhadas com segurança em seu porão de carga. Essas caixas inócuas abrigam um experimento que pode ajudar os pesquisadores a desenvolver novos antídotos para agentes nervosos usados ​​em zonas de conflito.

Cada caixa contém 30 câmaras onde os cristais da proteína, acetilcolinesterase (AChE), vai crescer. A proteína desempenha um papel fundamental na comunicação normal entre as células nervosas, bem como as células nervosas e musculares do corpo humano. Quando o AChE é incapaz de funcionar, os resultados são fatais.

A AChE é inibida por um grupo de produtos químicos comumente encontrados em pesticidas e agentes nervosos, chamados organofosforados. A exposição resulta em tremores, paralisia respiratória e, sem um antídoto, morte. No mundo todo, esses produtos químicos são responsáveis ​​por 200, 000 mortes todos os anos.

Os antídotos atuam reativando a proteína AChE e eliminando o excesso de toxina do corpo. O antídoto aprovado pela FDA mais comumente usado - Pralidoxima (2-PAM) - desativa a molécula de organofosfato da proteína AChE, que pode retornar às funções normais. Os poucos antídotos disponíveis para humanos são insuficientemente eficazes e lentos.

"Precisamos desenvolver antídotos que sejam eficazes contra vários tipos de organofosforados e possam cruzar a barreira hematoencefálica para reativar mais facilmente várias proteínas AChE, "disse Don Blumenthal, professor associado de Farmacologia e Toxicologia da University of Utah Health. "Isso é particularmente importante para um cenário de baixas em massa."

Blumenthal foi o catalisador que reuniu uma equipe de especialistas de todo o país liderada pelo investigador principal do projeto, Zoran Radić, professor associado da Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences da University of California, San Diego (UCSD), na busca de antídotos para essas toxinas terríveis.

Após a chegada ao ISS, o astronauta Jack Fisher recuperou as caixas e, com um giro de algumas alavancas, cápsulas expostas que contêm a solução de proteína a um coquetel de vários sais e tampões em cada câmara. Nos próximos quatro meses, o coquetel desidratará a solução de proteína, permitindo que a proteína AChE se cristalize e cresça na microgravidade da estação espacial.

Navegando pelo Desfiladeiro Catalítico

Os cientistas começaram a mapear a estrutura da proteína AChE há várias décadas, usando cristalografia de raios-X. Blumenthal, que passou sua carreira usando essa técnica, descreve essas estruturas como meros instantâneos da estrutura da proteína, capturado em uma temperatura fria, 100 Kelvin (-280 ° F). Eles revelaram uma estrutura de proteína complexa com um abismo profundo, chamado desfiladeiro catalítico, em seu centro.

"O desfiladeiro catalítico é como um desfiladeiro, "disse Blumenthal." O enigma é como você coloca o organofosforado e a molécula de antídoto neste espaço restrito. "

Em seu estado congelado, o desfiladeiro não pode acomodar nenhuma das moléculas grandes, muito menos os dois ao mesmo tempo, o que frustrou as tentativas dos pesquisadores de desenvolver novos antídotos.

No fundo do desfiladeiro está o sítio da enzima ativa, onde o neurotransmissor, acetilcolina, é quebrado e a função de antídotos.

"O sítio da enzima ativa evoluiu para acomodar os neurotransmissores rapidamente, "disse Radić." Até 10, 000 neurotransmissores podem entrar e sair do local da enzima a cada segundo. "

Os organofosforados se ligam ao local da enzima ativa e bloqueiam a degradação do neurotransmissor.

"A única explicação de como os organofosforados e antídotos navegam pelo desfiladeiro é que a proteína respira, "disse Blumenthal.

Embora a proteína não esteja realmente inalando e exalando, os pesquisadores acreditam que sua estrutura é dinâmica e muda de forma para acomodar moléculas grandes. Usando raios X, Blumenthal e seus colegas identificaram a localização de átomos pesados ​​na estrutura da proteína, mas a mágica por trás do movimento da proteína estava no mapeamento da localização exata dos átomos de hidrogênio mais leves, que constituem metade dos átomos da proteína.

"Tipicamente, só temos nossa imaginação para mapear onde os átomos de hidrogênio estão na estrutura cristalina com base em nossa intuição química e conhecimento, "disse Andrey Kovalevsky, Cientista da equipe de P&D na Divisão de Biologia e Matéria Mole do Oak Ridge National Laboratory (ORNL). "Isso nem sempre nos dá a resposta certa."

Embora a cristalografia de nêutrons seja mais cara, e menos disponível do que a cristalografia de raios-X, Kovalevsky fica constantemente surpreso com os resultados inesperados. Ao atingir o cristal, o feixe de nêutrons se espalha, produzindo um padrão de difração que detalha a colocação de cada átomo, até mesmo os átomos de hidrogênio, na estrutura.

"As estruturas reveladas pela difração de nêutrons podem reescrever completamente nossa compreensão da química por trás dos processos biológicos, desde como as enzimas funcionam até a forma como as drogas se ligam a um alvo, "Kovalevsky disse.

Contornando os Obstáculos da Terra

Mas Kovalevsky estava bloqueado. Apesar de passar anos desenvolvendo condições ideais de crescimento na superfície da Terra, nenhum coquetel fez esses cristais de proteína crescerem o suficiente para difratar o feixe de nêutrons.

"O crescimento do cristal é uma arte, ", disse Kovalevsky." Todo cristalógrafo luta com este processo para produzir cristais que sejam grandes o suficiente e ainda de boa qualidade. "

Foi quando ele teve uma ideia maluca. Envie os cristais para o espaço.

Seus colegas concordaram.

"Quando cheguei a Oak Ridge, Eu aprendi sobre outros cientistas que tentaram esse caminho e desenvolveram cristais melhores no espaço, "disse Kovalevsky. Então, ele riu, "Crescendo na Ucrânia, Nunca imaginei que enviaria um experimento ao espaço. "

Embora os cristais no espaço possam crescer apenas um pouco maiores do que seus equivalentes na Terra, eles crescerão mais ao longo de cada dimensão de sua estrutura tridimensional. Como resultado, o volume aumentará dramaticamente.

Além disso, eles se formam de uma forma mais altamente organizada. Um cristal é composto de unidades menores, que se montam como blocos de construção em um padrão uniforme. No espaço, esses blocos são reunidos em um padrão mais regular para formar um cristal melhor.

“Um volume maior e um cristal mais organizado, "disse Kovalevsky." Está tudo conectado para produzir um melhor padrão de difração. "

Mas Kovalevsky teve que lutar. Ele tinha menos de um ano depois que seus colegas garantiram um lugar em um futuro vôo espacial para reotimizar o sistema para fazer crescer esses cristais de proteína dentro dos limites de uma nave espacial.

Os cristais que retornarão à Terra em quatro meses serão um cristal composto, consistindo na proteína AChE mais um dos três antídotos experimentais - dois criados na UCSD e um antídoto organofosfato amplamente testado, MMB4. Kovalevsky submeterá esses cristais a um feixe de nêutrons no ORNL.

Depois de fixar a estrutura da proteína, eles usarão essas informações em simulações de computador para projetar novas moléculas que possam acessar o local de ativação na base do desfiladeiro. Eles irão sintetizar os antídotos candidatos e comparar sua eficácia com o tratamento atual aprovado pela FDA, 2-PAM.

Os pesquisadores agora devem jogar o jogo da espera até que os cristais sejam trazidos de volta à Terra. Eles antecipam que a espaçonave de retorno irá cair no Oceano Pacífico em outubro. Os 90 cristais contidos no pequeno, as caixas pretas terão viajado centenas de quilômetros da Terra para a ISS e para casa novamente.

"Quanto mais rápido pudermos obter as informações do cristal, mais rápido podemos começar a trabalhar na identificação e criação de novos antídotos, "disse Blumenthal.