O  peixe-bolha , outrora considerado o animal mais feio do mundo, teve uma verdadeira redenção. Anos após sua descoberta, os cientistas perceberam que a criatura das profundezas marinhas tinha uma aparência tão perturbadoramente disforme apenas porque sofria uma mudança extrema de pressão ao ser trazida à superfície. Em seu habitat natural, a 1.200 metros de profundidade, o peixe tem uma aparência perfeitamente agradável.

Os biólogos estruturais, cujo objetivo é deduzir a estrutura e a função de uma molécula dentro de uma célula, correm o risco de cometer um erro semelhante. Se os complexos biomoleculares forem extraídos da célula, podem-se obter imagens de melhor qualidade, mas as moléculas podem não parecer naturais. Por outro lado, estudar moléculas sem perturbar o seu ambiente é tecnicamente desafiador, como filmar em grandes profundidades subaquáticas.

Um novo método, chamado de imagem de ribossomos sem purificação a partir de misturas subcelulares (cryoPRISM), oferece um compromisso interessante. Desenvolvida pelas estudantes de pós-graduação Mira May e Gabriela López-Pérez no  laboratório Davis , no Departamento de Biologia do MIT, e  publicada recentemente na PNAS , a técnica permite que os biólogos visualizem complexos moleculares sem retirá-los muito de seu contexto natural.

O CryoPRISM captura estruturas moleculares em células que acabaram de ser rompidas. Isso se aproxima ao máximo da preservação das interações naturais entre as moléculas, sem recorrer à imagem estrutural intracelular, que exige muitos recursos, de acordo com o professor associado de biologia  Joey Davis , líder do estudo.

“Acreditamos que o método cryoPRISM representa um ponto ideal, pois preserva grande parte dos contatos celulares nativos, mas ainda oferece a resolução necessária para visualizar detalhes moleculares”, afirma Davis. “Mesmo no sistema de tradução da  E. coli , extremamente bem estabelecido e estudado há mais de 50 anos, ainda encontramos novos estados que haviam passado despercebidos.”

O desenvolvimento do cryoPRISM, como muitas descobertas na ciência, resultou de uma observação inesperada feita por Mira May, coautora principal do estudo, enquanto trabalhava em um projeto diferente.

Assim como todos os organismos vivos, as bactérias dependem de um processo chamado tradução para produzir as proteínas que desempenham funções essenciais dentro da célula, desde a replicação do DNA até a digestão de nutrientes. Uma máquina fundamental envolvida na tradução é o ribossomo — um complexo biomolecular que sintetiza proteínas com base em instruções codificadas por outra molécula chamada mRNA. Para regular sua atividade, as células utilizam proteínas adicionais que podem alterar a forma do ribossomo, direcionando assim sua função.

May buscou identificar novos participantes na regulação ribossômica usando crio-microscopia eletrônica (crio-ME), congelando rapidamente lotes de moléculas purificadas e coletando milhares de imagens 2D para reconstruir suas estruturas 3D. May estava tentando extrair ribossomos das células para visualizá-los juntamente com seus reguladores. Para seus experimentos, ela projetou um controle negativo contendo lisado bacteriano não purificado — uma mistura de tudo o que era liberado de células rompidas.

May esperava obter imagens ruidosas e de baixa qualidade dessa amostra. Para sua surpresa, em vez disso, ela viu ribossomos intactos junto com seus parceiros de interação naturais.

Em apenas alguns dias, essa técnica validou experimentalmente dados que levariam meses para serem obtidos usando outras abordagens. 

“À medida que descobria mais e mais estados ribossômicos, este projeto se tornou um método, e não apenas uma descoberta isolada”, relembra May.

Assim que May e seus colegas tiveram certeza de que o cryoPRISM poderia detectar estados ribossômicos conhecidos, eles começaram a procurar por aqueles que haviam escapado da detecção anteriormente. 

“Não se trata apenas de podermos reproduzir coisas que já foram observadas anteriormente, mas também de podermos descobrir uma biologia ribossômica inédita”, diz May. 

Um dos novos estados identificados por May tem implicações importantes para a nossa compreensão da evolução da regulação da tradução.

Durante a tradução ativa, os ribossomos bacterianos são acompanhados por um grupo de proteínas auxiliares chamadas fatores de elongação. Esses fatores trazem os materiais para a síntese de proteínas, como RNAs transportadores (tRNAs) e aminoácidos.

Quando as células encontram condições desfavoráveis, como temperaturas mais baixas, elas reduzem a tradução, o que significa que muitos ribossomos ficam inativos. Esses ribossomos ociosos, em estado de hibernação, param de decodificar o mRNA, e a interface onde normalmente interagem com as moléculas auxiliares é bloqueada por um fator de hibernação chamado RaiA. Essa proteína ajuda os ribossomos ociosos a evitar a reativação, como uma máscara de dormir que impede que uma pessoa acorde com a luz.

May observou o estado ribossômico inativo em seus dados, o que por si só não a surpreendeu – esse estado já havia sido descrito anteriormente. O que a surpreendeu foi que alguns ribossomos inativos interagiam não apenas com RaiA, mas também com um fator de elongação chamado EF-G, que em bactérias acreditava-se anteriormente interagir apenas com ribossomos ativos.

Um fenômeno semelhante já foi observado anteriormente em organismos mais complexos, mas observá-lo em um micróbio sugere que sua origem evolutiva pode ser mais antiga do que se pensava. 

Uma célula sem estresse pode eliminar rapidamente os ribossomos inativos desnecessários, mas como qualquer fator estressante que coloque os ribossomos em estado de repouso pode ser temporário, a célula pode preferir adiar a destruição deles. Dessa forma, os ribossomos podem ser reativados rapidamente se as condições melhorarem.

May já se uniu a outros pesquisadores do MIT para usar o cryoPRISM para visualizar ribossomos em células notoriamente difíceis de manipular, incluindo organismos patogênicos, que podem ser difíceis de cultivar na escala necessária para a purificação de partículas, e glóbulos vermelhos isolados de pacientes, que não podem ser cultivados de forma alguma.

Além de sua aplicação imediata na pesquisa translacional, o cryoPRISM é um passo importante rumo ao objetivo mais amplo da biologia estrutural: estudar biomoléculas em seu ambiente natural.

Para realmente aprender sobre peixes de águas profundas, os cientistas precisam observá-los no fundo do mar; e para aprender sobre máquinas celulares, os cientistas precisam observá-las dentro das células. De acordo com Davis, o cryoPRISM se encaixa perfeitamente no “tema da biologia estrutural se aproximando cada vez mais do contexto celular”.

Este trabalho foi realizado, em parte, com o uso das instalações do MIT.nano.