Videografia eletrónica revela dança de proteínas e lípidos em nanodiscos

Os nossos corpos fervilham de actividade: estão repletos de proteínas encaixadas em membranas gordas ou a circular para dentro e para fora de células aquosas. Agora, pela primeira vez, cientistas registaram a dança entre estes dois elementos: um tango líquido de proteínas e gorduras a moverem-se como normalmente fariam nas células.

Videografia eletrónica regista proteínas e lípidos em movimento

"Estamos a ir além das imagens isoladas, que fornecem estrutura mas não dinâmica, para registar continuamente as moléculas na água, no seu estado nativo", afirma Qian Chen, cientista e engenheira de materiais da Universidade de Illinois Urbana-Champaign (UIUC), que liderou a equipa e descreve o trabalho como "fazer filmes".

"Conseguimos mesmo observar como as proteínas alteram a sua configuração e, neste caso, como toda a estrutura auto-organizada de proteína e lípido flutua ao longo do tempo."

Ao ajustar uma técnica de imagiologia amplamente utilizada, denominada microscopia eletrónica de transmissão, a equipa de Chen registou a coreografia animada de «nanodiscos» de proteínas de membrana em líquido. Estes nanodiscos são compostos por proteínas inseridas numa bicamada lipídica, semelhante às membranas celulares onde habitualmente se encontram.

A equipa chamou ao método «videografia eletrónica» e validou os dados de vídeo através da comparação com modelos computacionais ao nível dos átomos, que descrevem o movimento esperado das moléculas segundo as leis da física.

Pensava-se que o movimento das proteínas ligadas a membranas era bastante restrito, uma vez que os lípidos as mantêm no lugar. Contudo, os investigadores observaram interações entre proteínas e lípidos a ocorrerem em distâncias muito maiores do que se julgava possível.

As proteínas de membrana funcionam como porteiros, sensores e recetores de sinais da célula; por isso, esta técnica poderá trazer enormes progressos à compreensão do seu funcionamento.

Nanodiscos em água sob o microscópio eletrónico

Com os métodos existentes, as proteínas são geralmente congeladas rapidamente ou cristalizadas para não se moverem, desfocarem a imagem ou serem danificadas pelos raios X ou feixes de eletrões usados na observação. O resultado é uma representação sem vida de uma proteína estática que, normalmente, se dobra e curva, obrigando os cientistas a deduzir as suas interações com outras moléculas a partir da estrutura.

Em alternativa, algumas técnicas de imagiologia recorrem a uma etiqueta molecular fluorescente para seguir as moléculas durante o movimento, em vez de observarem diretamente a proteína.

Neste caso, os investigadores encapsularam uma gota de água entre duas folhas finas de grafeno, protegendo-a do vácuo do microscópio eletrónico. Na gota de água estavam suspensos nanodiscos de proteínas e lípidos sem marcação, que a equipa viu «dançar» em conjunto, tal como no seu ambiente aquoso natural.

Há pelo menos uma década que cientistas de materiais tentam filmar a actividade de moléculas biológicas em líquidos, mas não tinham conseguido observar claramente uma dinâmica contínua das proteínas.

Imagens em tempo real durante minutos

Com ajustes cuidadosos à abordagem, Chen e os colegas obtiveram imagens dos seus conjuntos de proteína e lípido em tempo real e durante minutos, em vez de microssegundos. Fundamentalmente, reduziram a taxa de eletrões que atravessavam a amostra e trabalharam na estrutura de suporte de grafeno, conseguindo assim filmar o complexo de proteína e lípido em ação.

"Neste momento, esta é realmente a única forma experimental de filmar este tipo de movimento ao longo do tempo", afirma John Smith, estudante de pós-graduação em engenharia de materiais na UIUC e primeiro autor do artigo.

"A vida existe em líquido e em movimento. Estamos a tentar alcançar, por via experimental, os pormenores mais minuciosos dessa ligação."

Entretanto, técnicas de imagiologia aperfeiçoadas estão a revelar pormenores extraordinários sobre todo o tipo de acontecimentos microscópicos - desde observar a formação do revestimento exterior de um vírus até captar o instante em que as proteínas colapsam em aglomerados em doenças como a de Alzheimer.

Se se acrescentar inteligência artificial à equação, para prever a forma 3D de quase todas as proteínas conhecidas pela ciência, parece evidente que foi inaugurada uma nova era na investigação biológica.

A investigação foi publicada na Science Advances.