Revolucionário crio-EM está assumindo a biologia estrutural

Uma técnica revolucionária para determinar a forma 3D das proteínas está em expansão. Na semana passada, um banco de dados que coleta proteínas e outras estruturas moleculares determinadas por microscopia crio-eletrônica, ou crio-EM, adquiriu sua 10.000ª entrada.

Submissões para o Electron Microscopy Data Bank (EMDB) – um popular repositório para estruturas resolvidas por microscopia eletrônica – aumentaram exponencialmente nos últimos anos, em grande parte devido ao crescimento explosivo do número de microscópios crio-eletrônicos em laboratórios de todo o mundo (ver ‘Estruturas de trutas’). O EMDB cura estruturas resolvidas com outros métodos de microscopia, mas a grande maioria usa o cryo-EM.

A técnica envolve soluções de congelamento flash de proteínas ou outras biomoléculas e depois bombardeá-las com elétrons para produzir imagens microscópicas de moléculas individuais. Estas são usadas para reconstruir a forma, ou estrutura 3D da molécula. Tais estruturas são úteis para descobrir como as proteínas funcionam, como elas não funcionam bem na doença e como atingi-las com drogas.

Durante décadas, os biólogos estruturais preferiram usar a cristalografia por raios X, uma técnica que envolve cristalizar as proteínas, acender as mesmas com raios X e reconstruir sua forma a partir dos padrões de conto de luz difratada resultantes. A cristalografia por raios X produz estruturas de alta qualidade, mas não é fácil de usar com todas as proteínas – algumas podem levar meses ou anos para cristalizar, e outras nunca se cristalizam de todo. Cryo-EM não requer cristais de proteínas, mas a técnica definhou porque tende a produzir estruturas de baixa resolução – alguns cientistas chamaram-lhe blobology.

Picture perfect

Breakthroughs em hardware e software em 2012-13 produziu microscópios electrónicos mais sensíveis e software sofisticado para transformar as imagens capturadas em estruturas moleculares mais nítidas (ver ‘Fine detail’). Isso abriu caminho para o crescimento atual do crio-EM, diz Sjors Scheres, biólogo estrutural e especialista na técnica no Laboratório MRC de Biologia Molecular (LMB) em Cambridge, UK.

Richard Henderson, biólogo estrutural do LMB que compartilhou o Prêmio Nobel de Química de 2017 por seu trabalho de desenvolvimento da técnica, diz que mesmo depois desses avanços, o crescimento foi lento no início, pois apenas um pequeno número de laboratórios tinha acesso ao equipamento. Mas quando começaram a usar o crio-EM para produzir mapas detalhados de moléculas como o ribossomo – as máquinas produtoras de proteínas das células – outros cientistas, assim como suas instituições e financiadores, rapidamente se deram conta. “Todas as pessoas que tinham investido em outras coisas e tomado decisões erradas, demoraram um ano para alcançar”, diz Henderson.

Ele estima que até 2024, mais estruturas protéicas serão determinadas pelo crio-EM do que pela cristalografia de raios X. O Cryo-EM já suplantou a cristalografia de raios X para uma categoria de proteínas que os cientistas estão especialmente interessados – aquelas embutidas nas membranas celulares. Muitas dessas proteínas de membrana estão implicadas em doenças e servem como alvos para drogas.

Advanced imaging

As estruturas das moléculas determinadas pelo crio-EM também estão ficando mais detalhadas, graças a melhorias contínuas no hardware e software, diz Scheres.

Inicialmente, as estruturas crio-EM mais afiadas eram de proteínas altamente estáveis que foram usadas para testar os limites da tecnologia. Mas Scheres notou que os pesquisadores estão obtendo cada vez mais estruturas de altíssima resolução de moléculas medicamente importantes, como as proteínas de membrana celular, mesmo que elas tendam a flopar.

“Estamos agora chegando ao ponto em que as amostras fáceis foram feitas e as pessoas estão olhando para problemas mais complexos”, diz Ardan Patwardhan, biólogo estrutural do Laboratório Europeu de Biologia Molecular-European Bioinformatics Institute em Hinxton, Reino Unido, que lidera a equipe que dirige o EMDB.

Henderson espera que o boom nas estruturas crio-EM abrande em algum momento. Um fator que poderia causar a seiva do crescimento, diz ele, é o alto custo dos microscópios mais potentes, que podem exceder £5 milhões (US$7 milhões). Eles também custam milhares de libras por dia para funcionar, e requerem laboratórios especializados que minimizem as vibrações. Henderson está fazendo campanha para convencer as empresas a desenvolver microscópios mais baratos, mas ainda úteis, que poderiam difundir a técnica ainda mais. “No momento, você não pode errar investindo mais em crio-EM”, diz ele.