Os ribossomos, as máquinas celulares que sintetizam proteínas, são compostos por dezenas de proteínas e moléculas de RNA. Juntar todas essas peças é um quebra-cabeça complexo — um quebra-cabeça que o professor associado do MIT, Joey Davis, PhD '10, tem grande prazer em tentar resolver.

Compreender como essas estruturas se formam e posteriormente se desfazem pode ajudar os pesquisadores a aprender mais sobre como as interrupções desses processos fundamentais podem levar a doenças. Mas, como Davis destaca, também é uma questão biológica interessante.

“Nosso objetivo a longo prazo é realmente entender como o mundo natural monta esses enormes complexos de forma rápida e eficiente. É uma questão fundamentalmente interessante pensar em como essas coisas são construídas”, diz ele.

Seu trabalho ajudou a revelar que, ao contrário da construção de uma casa, que ocorre em uma sequência predefinida de etapas — concretar a fundação, construir a estrutura, colocar o telhado e, em seguida, fazer os trabalhos elétricos e hidráulicos —, os ribossomos podem ser montados de uma maneira mais flexível. As células podem até mesmo pular uma etapa de montagem e retornar a ela mais tarde.

“Nesses sistemas naturais, parece que as vias de montagem são muito mais dinâmicas e flexíveis”, diz ele. “Aparentemente, a evolução selecionou caminhos que não são estritamente ordenados da maneira como pensaríamos em uma linha de montagem, onde você sempre coloca um componente, depois o próximo e assim por diante. Estamos entusiasmados para entender as vantagens seletivas de tais abordagens.”

O interesse de Davis por como as coisas são construídas surgiu cedo em sua vida, inspirado por seu pai, um carpinteiro que trabalhava na estrutura de casas. Em meados da década de 1980, a família se mudou do Colorado para o sul da Califórnia, onde seu pai trabalhou na construção civil durante o boom imobiliário da região.

“Sempre tive interesse em construir coisas, o que provavelmente veio de conviver com meu pai e outros construtores”, diz Davis.

Durante sua graduação na Universidade da Califórnia em Berkeley, onde cursou ciência da computação e engenharia biológica, o interesse de Davis se voltou para escalas menores, no âmbito das células e moléculas. No terceiro ano da faculdade, ele começou a trabalhar no laboratório do professor de química Michael Marletta, que estuda interações biológicas em nível molecular.

No laboratório, Davis investigou como enzimas que contêm heme conseguem se ligar preferencialmente ao oxigênio ou ao óxido nítrico, dois gases com estruturas muito semelhantes. Esse trabalho despertou nele o amor pelo estudo do mundo natural e pela busca de descobertas na ciência fundamental.

“Estar no laboratório de Marletta e ver alunos e pós-doutorandos realmente apaixonados por esses problemas teve um grande impacto em mim”, diz Davis. “O objetivo era entender os fundamentos de como funciona a discriminação molecular, e a ideia de descoberta pela descoberta em si era emocionante.”

Após se formar em Berkeley, Davis passou mais um ano trabalhando no laboratório de Marletta e, em seguida, um ano fazendo trabalhos temporários, antes de ir para o MIT para cursar um doutorado em biologia. Lá, ele trabalhou com o professor Bob Sauer, agora emérito, que estudava a relação entre a estrutura e a função das proteínas, com foco particular nas máquinas moleculares que degradam ou remodelam proteínas.

A pesquisa de tese de Davis concentrou-se em enzimas chamadas proteases AAA, que removem proteínas danificadas das membranas celulares e as enviam para organelas celulares que as degradam. Além de estudar a estrutura e a função das proteases, Davis trabalhou em maneiras de modificá-las para marcar proteínas específicas para destruição.

Esse trabalho o levou à biologia sintética, que ele usou para desenvolver componentes genéticos que impulsionam a produção de proteínas de interesse. Alguns desses componentes acabaram sendo usados pela startup de biotecnologia  Ginkgo Bioworks , onde Davis conseguiu um emprego como cientista sênior após se formar.

Trabalhar na Ginkgo Bioworks permitiu que Davis permanecesse em Boston enquanto sua parceira concluía o doutorado. O casal então retornou à Califórnia, onde Davis trabalhou como pós-doutorando no Scripps Research, que abrigava uma das primeiras câmeras de detecção direta de elétrons para microscopia crioeletrônica (criomicroscopia eletrônica). Esses detectores permitem que os pesquisadores gerem estruturas com resolução quase atômica. No Scripps, Davis começou a usá-los para estudar ribossomos durante sua montagem.

Após ingressar no corpo docente do MIT em 2017, Davis continuou seu trabalho com ribossomos e reuniu um grupo de laboratório que inclui alunos de diversas origens, os quais trabalham juntos para desenvolver novas maneiras de explorar fenômenos biológicos.

“Tenho uma equipe composta por desenvolvedores de métodos e biólogos, e o trabalho de cada um deles influencia o trabalho dos outros”, diz Davis. “Meu laboratório alterna entre a criação de conjuntos de ferramentas para responder a questões biológicas e, à medida que respondemos a essas questões, isso motiva o desenvolvimento da próxima geração de ferramentas.”

Durante a montagem dos ribossomos, as moléculas de RNA se dobram em formatos corretos, criando sítios de ancoragem para a ligação de proteínas. Em seguida, mais moléculas de RNA chegam e se dobram, formando a estrutura.

A criomicroscopia eletrônica (crio-ME) permite que os cientistas capturem esse processo em detalhes minuciosos. Ela pode ser usada para obter centenas de milhares de imagens bidimensionais de amostras de ribossomos congeladas em uma fina camada de gelo, a partir de diferentes ângulos. Algoritmos de computador então unem essas imagens em uma representação tridimensional do ribossomo.

Para entender como os ribossomos são montados, os pesquisadores podem interromper o processo em diferentes pontos e, em seguida, analisar as estruturas resultantes. Em 2021, o laboratório de Davis desenvolveu um novo método chamado  CryoDRGN , que usa redes neurais para analisar dados de crio-microscopia eletrônica (crio-ME) e gerar o conjunto completo de estruturas presentes na amostra.

Este trabalho demonstrou que, quando certas etapas da montagem do ribossomo são bloqueadas, resultam muitas estruturas diferentes, sugerindo que a montagem pode ocorrer de diversas maneiras.

Em trabalhos futuros, Davis pretende aumentar drasticamente a capacidade de processamento da crio-microscopia eletrônica (crio-ME) para gerar conjuntos de dados de estruturas de proteínas que possam ajudar a aprimorar os modelos baseados em inteligência artificial que são usados atualmente para prever estruturas de proteínas.

“Ainda existem vastas áreas do espaço de sequências que esses modelos são muito ruins em prever, mas se pudéssemos coletar dados dessas sequências em massa, isso poderia potencialmente servir como dados de treinamento essenciais para um método de previsão de estrutura de proteínas de próxima geração que poderia preencher esse espaço”, diz ele.