As proteínas são muito mais do que nutrientes nos alimentos. Praticamente todas as reações no corpo que tornam a vida possível envolvem esse grande grupo de moléculas. E quando as coisas dão errado em nossa saúde, as proteínas geralmente são parte do problema. Em certos tipos de doenças cardíacas, por exemplo, as proteínas no tecido cardíaco, vistas com microscopia de alta resolução, estão visivelmente desordenadas. Alex Dunn , professor de engenharia química, descreve as proteínas como as vigas de uma casa: "Podemos ver que em células musculares cardíacas não saudáveis, todas essas vigas estão fora do lugar."

As proteínas são os cavalos de batalha da célula, tornando os processos bioquímicos da vida possíveis. Esses cavalos de batalha incluem enzimas, que se ligam a outras moléculas para acelerar as reações, e anticorpos que se ligam aos vírus e os impedem de infectar as células. “As proteínas movem as coisas pela célula. Elas transmitem sinais de fora da célula para alterar os níveis de expressão genética. Elas catalisam todas as reações químicas que tornam a vida possível”, diz Polly Fordyce , professora associada de bioengenharia e genética.

Entender como as proteínas fazem tudo isso pode ajudar a resolver questões fundamentais de como as proteínas se organizam em estruturas maiores e afinar sua função para aplicações na medicina, indústria e outras áreas. Essas questões inspiram os engenheiros de Stanford a estudar as moléculas que permitem a vida de todos os ângulos.

Muitos dos segredos das proteínas estão ligados à sua estrutura complexa, explica Brian Hie , professor assistente de engenharia química. Em um nível básico, as proteínas são feitas de longas cadeias de aminoácidos. Essas cadeias geralmente criam hélices, pregas e dobras para formar uma estrutura tridimensional. Várias proteínas também podem se unir, formando um complexo proteico. A maneira como as proteínas são organizadas impacta a função da proteína.

Para entender melhor essa organização, Wah Chiu , professor de bioengenharia, microbiologia e imunologia e ciência de fótons, estuda proteínas em alta resolução – até mesmo na escala de um aminoácido individual. Um método que ele ajudou a desenvolver, chamado microscopia eletrônica criogênica , ou crio-EM, permite que os pesquisadores vejam proteínas como nunca antes foi possível. Técnicas de imagem anteriores exigiam a cristalização de células em um padrão repetitivo, mas a crio-EM congela rapidamente a proteína para preservar sua organização natural. O microscópio eletrônico captura imagens da proteína congelada em vários ângulos, e as fotos podem ser combinadas para criar modelos 3D.

O método de microscopia permitiu uma análise mais detalhada de processos-chave, como as “linhas de montagem” de enzimas que Chaitan Khosla , professor de engenharia química e química, estuda. Esses grupos de proteínas podem produzir antibióticos com velocidade e seletividade alucinantes, diz Khosla – contendo pistas potencialmente úteis para a fabricação de medicamentos. Usar crio-EM para ver a linha de montagem, em comparação a outros métodos, foi como a diferença entre ver uma fábrica de automóveis em um dia de semana e um fim de semana. “Quando você pode ver a linha de montagem realmente fabricando seu próprio automóvel”, ele diz, “você tem uma noção muito mais clara do que é preciso para construir um automóvel”.

Testando propriedades de proteínas para entender doenças e desenvolver terapias

Claro, não podemos aprender tudo sobre proteínas apenas observando-as. Os pesquisadores também devem executar testes para ver como as proteínas reagem sob certas condições, para ajudar a responder perguntas sobre seus papéis em sistemas vivos.

E para executar testes, ajuda ter muitas proteínas à disposição. James Swartz , professor de engenharia química e de bioengenharia, é pioneiro na síntese de proteínas sem células. Historicamente, os cientistas inseriram o DNA de uma proteína alvo em E. coli, usando a bactéria para produzir cópias dessa proteína. Mas o processo pode ser lento e às vezes falha em reproduzir a estrutura precisa da proteína.

Na síntese de proteína sem células, as células são rasgadas em altíssima pressão, possibilitando a extração de componentes como ribossomos necessários para a produção de proteína. Então, os suprimentos de energia celular podem ser focados exclusivamente em bombear proteína. A abordagem sem células também pode produzir certos tipos de ligações moleculares que, de outra forma, seriam desafiadoras de fazer.

Uma aplicação na qual Swartz está trabalhando é “partículas semelhantes a vírus” – conjuntos de proteínas fabricadas em formato de vírus, apresentando espinhos e uma cavidade interna que pode transportar materiais para um local alvo. Um dia, essas “partículas semelhantes a vírus” podem ajudar a administrar vacinas e tratamentos contra o câncer.

Fordyce também está desenvolvendo plataformas que multiplicam quantos testes os pesquisadores podem executar por vez – encolhendo o equipamento de laboratório. “Em vez de usar um grande béquer ou frasco, fazemos esses dispositivos microfluídicos que têm 1.800 câmaras de um nanolitro, um milionésimo de mililitro”, explica Fordyce, que também é um estudioso do instituto Sarafan ChEM-H. “Normalmente, fazemos 1.000 ou 2.000 variantes de proteínas diferentes em paralelo e testamos sistematicamente como cada uma dessas variações impacta a função.”

Essas novas plataformas estão permitindo que pesquisadores respondam a algumas grandes questões sobre a vida. “A questão que realmente me interessa é: como esses minúsculos componentes se automontam sem nenhuma mão orientadora em células que são 1.000 vezes maiores do que elas?”, diz Dunn.

No passado, isso pode ter sido apenas um pensamento interessante, mas hoje Dunn pode realmente testá-lo. Em um projeto, ele anexa esferas microscópicas a proteínas do músculo cardíaco. Então, ele usa um feixe de laser para manipular as esferas para ver como as proteínas respondem. Sua pesquisa revela como as proteínas sentem seus arredores por meio de forças de puxão, fornecendo uma nova lente de nível molecular para entender a saúde cardíaca.

Além de observar proteínas existentes, alguns pesquisadores querem identificar mutações proteicas que otimizem certas funções. Frequentemente, eles fazem isso começando com uma proteína que já faz parte do que eles estão interessados e, então, ajustam sua cadeia de aminoácidos para ajustar essa atividade para cima ou para baixo.

Infelizmente, peneirar aleatoriamente possíveis ajustes de proteínas pode ser como encontrar uma agulha em um palheiro, diz a professora de bioengenharia Jennifer Cochran . Produzir e testar milhares ou até milhões de variantes é caro e trabalhoso. Cochran e seus colegas desenvolveram ensaios que podem rapidamente vasculhar milhões de proteínas, restringindo as que são mais promissoras. Por exemplo, essas telas podem usar uma isca molecular que extrai as proteínas com aminoácidos que conferem atividade alterada para identificar quais proteínas justificam um estudo mais aprofundado.

Outra abordagem é um modelo de computador que usa aprendizado de máquina para restringir mutações proteicas benéficas. Pesquisadores de Stanford treinaram o modelo usando jogos de preencher lacunas, explica Hie. Sua equipe deixaria alguns espaços em branco em sequências de proteínas conhecidas e pediria ao modelo para inserir o aminoácido correto. Com milhões de repetições na prática, o modelo ficou cada vez melhor em prever respostas corretas. Em um artigo recente na Science , eles relataram que o modelo era melhor em propor mutações benéficas para um anticorpo do que adivinhações aleatórias. "Em vez de testar um milhão de mutações em cada rodada da evolução", ele disse, "nós apenas testamos de 10 a 30".

Identificar rapidamente mutações benéficas pode dar um impulso à indústria de terapêuticas proteicas. As proteínas podem transportar medicamentos para um local específico ou agir como os próprios medicamentos ao se ligarem a uma célula-alvo e alterarem sua atividade. "Se eu puder aumentar essa proteína ou se eu puder aumentar a atividade dessa proteína por vários truques de engenharia, posso fornecer um benefício clinicamente significativo ao paciente", diz Khosla. Um ramo de sua pesquisa é focado em aumentar uma proteína que é responsável pela reação imunológica ao glúten na doença celíaca.

No trabalho de Hie, a equipe se concentrou em um tratamento descontinuado de anticorpos contra SARS-CoV-2. Embora o tratamento tenha sido eficaz em pacientes por alguns meses, o vírus logo evoluiu o suficiente para evitá-lo, levando o FDA a retirar o tratamento. No artigo, a equipe identificou mutações de anticorpos que poderiam se ligar a cepas de vírus mais recentes, abrindo a porta para tornar os tratamentos de anticorpos mais responsivos a alvos de patógenos em mudança.

Proteínas também são de interesse em oncologia. Cochran projetou proteínas que se ligam firmemente a moléculas que sinalizam tumores para crescer e, portanto, bloqueiam sua sinalização. Proteínas projetadas desenvolvidas por Cochran e sua equipe também marcaram tumores como invasores , levando o sistema imunológico a atacar o câncer. Ela descobriu que essas proteínas projetadas mataram células cancerígenas e inibiram a progressão do tumor em camundongos de laboratório, e o tratamento agora está avançando em direção ao desenvolvimento clínico em humanos.

Outra pesquisadora, Elizabeth Sattely , se inspira nos químicos da natureza. Sattely, professora associada de engenharia química, estuda como as plantas usam “fábricas” de enzimas para criar uma variedade de produtos químicos. “Esses catalisadores enzimáticos podem fazer reações que são realmente difíceis para os humanos fazerem usando síntese química.” Ao determinar as enzimas responsáveis pela produção de um produto químico alvo, ela espera ser capaz de reproduzir esse processo de uma forma economicamente mais viável, como por meio da modificação genética de células de levedura com essas enzimas. Em um estudo na Science, ela demonstrou que um medicamento quimioterápico encontrado em uma planta do Himalaia poderia ser produzido em uma planta amplamente disponível ao codificar genes para essa fábrica de enzimas.

A pesquisa de proteínas também tem aplicações além da medicina. Enzimas projetadas podem ser usadas para degradar plástico, abordando problemas de resíduos como a mancha de lixo do Pacífico, diz Fordyce. Enzimas também podem ser usadas para sintetizar produtos químicos, reduzindo a fabricação intensiva de energia e biocombustíveis, nos aproximando de um futuro neutro em carbono.

À medida que a pesquisa e o interesse comercial crescem, as possibilidades para proteínas são praticamente infinitas. “Este é um momento realmente emocionante para este campo”, diz Fordyce.