Prêmio Nobel de Química de 2017: Moléculas da vida, capturadas em 3D
O uso da microscopia crioeletrônica, desenvolvida separadamente pelos Laureados, permite que as biomoléculas sejam congeladas no meio do movimento e retratadas em resolução atômica. Esta tecnologia, disse o Comitê do Nobel, 'mudou a bioquímica para uma nova era'.
Richard Henderson (E), Joachim Frank (C), Jacques Dubochet (E). O Prêmio Nobel de Química de 2017 foi concedido na quarta-feira a Jacques Dubochet, Joachim Frank e Richard Henderson pelo desenvolvimento de microscopia crioeletrônica para a determinação de estrutura de alta resolução de biomoléculas em solução.
O microscópio eletrônico foi projetado no início dos anos 1930 pelo físico alemão Ernst Ruska, pelo qual ele recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1986 (junto com Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, que dividiram a outra metade do prêmio). Quatro anos antes, o Nobel de Química de 1982 tinha ido para Aaron Klug por seu desenvolvimento da microscopia eletrônica cristalográfica e sua elucidação estrutural de complexos de ácido nucléico-proteína biologicamente importantes.
Durante grande parte da primeira metade do século 20, a determinação da estrutura das biomoléculas - proteínas, DNA e RNA - apareceu como um desafio significativo no campo da bioquímica. O conhecimento dos cientistas evoluiu constantemente nas últimas seis décadas - começando com os estudos cristalográficos pioneiros das estruturas das proteínas globulares que renderam Max F Perutz e John C Kendrew ao Nobel de Química em 1962, até o domínio da microscopia crioeletrônica (cryo-EM) para qual o Prêmio 2017 foi concedido.
Na década de 50, a cristalografia de raios X (exposição de cristais de proteínas aos raios X) foi usada para desenvolver modelos de biomoléculas para pesquisa e desenvolvimento; na década de 80, a espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) também foi empregada para esse fim. O uso de ambas as técnicas estava, no entanto, sujeito a limitações impostas pela natureza das biomoléculas. A cristalografia de raios X exigia cristais bem organizados - biomoléculas geralmente nunca são organizadas como cristais. E o NMR funcionou apenas para um conjunto relativamente pequeno de proteínas.
Os vencedores do Prêmio 2017 empregaram três abordagens diferentes que, juntas, superaram esses desafios, levando, como disse o Comitê do Nobel, a bioquímica a uma nova era, tornando mais fácil do que nunca a captura de imagens de biomoléculas.
Cristalografia de raios-X para microscópio eletrônico
Richard Henderson abandonou a cristalografia de raios-X e recorreu a proteínas de imagem usando microscopia eletrônica de transmissão - na qual, em vez de luz, um fino feixe de elétrons é enviado através da amostra. No entanto, embora o microscópio eletrônico seja bom para obter a estrutura atômica de, digamos, uma proteína de membrana, o intenso feixe de elétrons necessário para imagens de alta resolução incinera material biológico. E uma redução na intensidade do feixe significa uma perda substancial de contraste e a imagem torna-se difusa.
Além disso, a exigência de vácuo para a microscopia eletrônica significava a deterioração das biomoléculas com a evaporação da água circundante.
Henderson trabalhou com a bacteriorodopsina, uma proteína de cor roxa incorporada na membrana de um organismo fotossintetizante. Para evitar que fosse incinerado, ele deixou a proteína sensível na membrana e lançou um feixe de elétrons mais fraco através da amostra. As fotos foram tiradas de muitos ângulos diferentes da mesma membrana sob o microscópio eletrônico para produzir um modelo 3D bruto da estrutura da bacteriorodopsina.
Isso foi em 1975. À medida que a microscopia eletrônica evoluía com lentes melhores e o desenvolvimento da criotecnologia (na qual as amostras eram resfriadas com nitrogênio líquido a cerca de - 190 graus Celsius a fim de protegê-las do feixe de elétrons) sua técnica conseguiu produzir, em 1990 , uma estrutura da bacteriorodopsina em resolução atômica.
Processamento matemático de imagens de imagens microscópicas eletrônicas 2D
Também em 1975, Joachim Frank preparou uma estratégia teórica para mesclar todas as informações carregadas nas imagens bidimensionais de um microscópio eletrônico, para gerar um todo tridimensional de alta resolução. Seu método matemático peneirou imagens 2D para identificar padrões recorrentes e classificá-los em grupos para mesclar suas informações, produzindo imagens mais nítidas. Este modelo ajudou a contornar as imagens menos do que nítidas produzidas devido aos feixes de elétrons mais fracos usados para biomoléculas. As ferramentas matemáticas para análise de imagens foram compiladas como um programa de computador.
Preparando a amostra
O principal desafio de garantir que as amostras de biomoléculas não fossem desidratadas e não colapsassem no vácuo da imagem crio-EM sob o feixe de elétrons foi resolvido por Jacques Dubochet.
A solução natural para o problema era congelar as amostras. Como o gelo evapora mais lentamente do que a água, deveria ter funcionado. No entanto, a água cristalina turvou as imagens à medida que os feixes de elétrons foram difratados através dos cristais de água.
Dubochet resolveu o problema por resfriamento rápido que não permitiu que as moléculas de água se organizassem na forma cristalina; em vez disso, eles se transformaram em água vitrificada que atuaria como vidro para o feixe de elétrons. Sua pesquisa desenvolveu uma técnica de preparação de amostras em que as biomoléculas são protegidas sob água vitrificada. A técnica é usada em crio-EM.
O último uso
Os desenvolvimentos técnicos mais recentes, como a introdução de novos detectores de elétrons - detectores de elétrons diretos - em microscópios eletrônicos, ajudaram a melhorar ainda mais a resolução de imagens capturadas sob crio-EM de baixo feixe para biomoléculas. A introdução de detectores de elétrons diretos em microscópios eletrônicos em 2012-13 acabou por ser uma ferramenta poderosa para os cientistas que encontraram o desafio do Zika vírus que se espalhou rapidamente por vários países em 2015-16.
JACQUES DUBOCHET
Nasceu em 1942 em Aigle, Suíça. Ele completou seu PhD em 1973 na Universidade de Genebra e na Universidade de Basel, na Suíça. Ele é Professor Honorário de Biofísica da Universidade de Lausanne, Suíça.
JOACHIM FRANK
Nasceu em 1940 em Siegen, Alemanha. Ele completou seu PhD em 1970 na Universidade Técnica de Munique, Alemanha. Ele é Professor de Bioquímica e Biofísica Molecular e de Ciências Biológicas, Universidade de Columbia, EUA.
RICHARD HENDERSON
Nasceu em 1945 em Edimburgo, Escócia. Ele completou seu PhD em 1969 na Universidade de Cambridge, no Reino Unido. Ele é líder do programa, MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge University.
VENCEDORES DE 2016: JEAN-PIERRE SAUVAGE, SIR J FRASER STODDART e BERNARD L FERINGA pelo desenvolvimento de nanomáquinas, constituídas por moléculas móveis, que poderão eventualmente ser utilizadas para criar novos materiais, sensores e sistemas de armazenamento de energia.
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