Numa primeira demonstração de “videografia electrónica”, os investigadores capturaram uma imagem microscópica em movimento da delicada dança entre proteínas e lípidos encontrados nas membranas celulares. A técnica pode ser usada para estudar a dinâmica de outras biomoléculas, libertando-se das restrições que limitaram a microscopia a imagens estáticas de moléculas fixas, afirmam pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign e colaboradores do Instituto de Tecnologia da Geórgia.



"Estamos indo além de tirar fotos únicas, que fornecem estrutura, mas não dinâmica, para registrar continuamente as moléculas na água, seu estado nativo", disse o líder do estudo, Qian Chen, professor de ciência e engenharia de materiais em Illinois. “Podemos realmente ver como as proteínas mudam sua configuração e, neste caso, como toda a estrutura automontada proteína-lipídio flutua ao longo do tempo”.

Os pesquisadores relataram sua técnica e descobertas na revista Science Advances .

As técnicas de microscopia eletrônica geram imagens em escala molecular ou atômica, produzindo imagens detalhadas em escala nanométrica. No entanto, muitas vezes baseiam-se em amostras que foram congeladas ou fixadas no lugar, deixando os cientistas a tentar inferir como as moléculas se movem e interagem – como tentar mapear a coreografia de uma sequência de dança a partir de um único quadro de filme.

“Esta é a primeira vez que olhamos para uma proteína em escala individual e não a congelamos ou etiquetamos”, disse Aditi Das, professor da Georgia Tech, autor correspondente do estudo. "Normalmente, temos que cristalizar ou congelar uma proteína, o que representa desafios na captura de imagens de alta resolução de proteínas flexíveis. Como alternativa, algumas técnicas usam uma etiqueta molecular que rastreamos, em vez de observar a proteína em si. Neste estudo estamos vendo a proteína como ela é, comportando-se como ela se comporta em um ambiente líquido e vendo como os lipídios e as proteínas interagem entre si."

Os pesquisadores alcançaram a videografia combinando um novo método de microscopia eletrônica de transmissão à base de água com modelagem computacional detalhada em nível de átomo. A técnica à base de água envolve o encapsulamento de gotículas em escala nanométrica em grafeno para que possam suportar o vácuo em que o microscópio opera. Comparar os dados de vídeo resultantes com modelos moleculares, que mostram como as coisas deveriam se mover com base nas leis da física, ajuda os pesquisadores não apenas a interpretar, mas também a validar seus dados experimentais.

"Atualmente, esta é realmente a única forma experimental de filmar este tipo de movimento ao longo do tempo", disse John W. Smith, o primeiro autor do artigo, que concluiu o trabalho quando era estudante de pós-graduação em Illinois. "A vida é líquida e está em movimento. Estamos tentando chegar aos mínimos detalhes dessa conexão de forma experimental."

Para o novo estudo – a primeira demonstração publicada da técnica de videografia eletrônica – os pesquisadores examinaram discos em nanoescala de membranas lipídicas e como eles interagiam com proteínas normalmente encontradas na superfície ou incorporadas nas membranas celulares.

“As proteínas da membrana estão na interface entre as células e entre o interior e o exterior da célula, controlando o que entra e sai”, disse Smith. "Eles são alvos esmagadores da medicina; estão envolvidos em todos os tipos de processos, como a forma como nossos músculos se contraem, como nossos cérebros funcionam, o reconhecimento imunológico; e mantêm células e tecidos unidos. E toda a complexidade de como uma proteína de membrana funciona vem de não apenas sua própria estrutura, mas também como ele experimenta os lipídios ao seu redor”.

A videografia eletrônica permitiu aos pesquisadores ver não apenas como todo o conjunto lipídico-proteína se movia, mas também a dinâmica de cada componente. Os pesquisadores descobriram que havia regiões distintas dentro do nanodisco e mais flutuação e mais estabilidade do que o esperado.

Embora muitas vezes se suponha que a influência do movimento de uma proteína de membrana seja limitada às moléculas lipídicas que a rodeiam diretamente, os pesquisadores observaram flutuações mais dramáticas em uma faixa maior, disse Smith. As flutuações assumiram a forma de um dedo, como lodo espalhado na parede. No entanto, mesmo após um movimento tão dramático, o nanodisco retornaria à sua configuração normal.

"O fato de termos visto esses domínios e de termos visto a recuperação desses processos sugere que as interações entre a proteína e a membrana têm, na verdade, um alcance maior do que normalmente se pensa", disse Smith.

Os pesquisadores planejam usar sua técnica de videografia eletrônica para estudar outros tipos de proteínas de membrana e outras classes de moléculas e nanomateriais.

"Poderíamos estudar canais iônicos que abrem e fecham para regular o fluxo e as interações célula a célula usando esta plataforma", disse Chen.

Qian Chen também é afiliado ao departamento de química, ao Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada, à Faculdade de Medicina Carle Illinois e ao Laboratório de Pesquisa de Materiais em Illinois.

Mais informações: John W. Smith et al, Videografia eletrônica de um tango lipídico-proteico, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk0217
Informações do diário: Avanços da ciência

Fornecido pela Universidade de Illinois em Urbana-Champaign