Microscópio poderoso captura proteínas motoras com detalhes sem precedentes

Amanda Heidt é escritora e editora freelancer em Moab, Utah.

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Ilustração de motores moleculares chamados cinesinas em um microtúbulo. Crédito: Graham Johnson, Ron Vale/HHMI

Quase tão logo surgiram os microscópios de super-resolução, os cientistas os apontaram para motores moleculares chamados cinesinas. Essas proteínas, alimentadas pelo combustível molecular ATP, conduzem processos cruciais, incluindo divisão celular, sinalização celular e transporte intracelular, transportando cargas ao longo de rodovias de proteínas chamadas microtúbulos. Os pesquisadores há muito desejam entender como esses motores funcionam, mas para visualizá-los, os cientistas tiveram que desacelerá-los ou isolá-los em sistemas in vitro simplificados.

Agora, em artigos publicados simultaneamente na Science, duas equipes trabalhando independentemente usaram uma ferramenta de super-resolução chamada MINFLUX para estudar o motor quase em tempo real em concentrações fisiologicamente relevantes de ATP. O primeiro artigo, liderado pelo inventor do MINFLUX, Stefan Hell, que tem uma nomeação conjunta no Instituto Max Planck (MPI) para Ciências Multidisciplinares em Göttingen e no MPI para Pesquisa Médica em Heidelberg, ambos na Alemanha, usou um novo design de instrumento para rastrear a proteína em 3D, revelando detalhes sobre seu movimento1. A segunda, liderada pelo biofísico Jonas Ries no European Molecular Biology Laboratory em Heidelberg, mostrou pela primeira vez que o MINFLUX é capaz de rastrear a cinesina mesmo em meio à agitação das células vivas2.

"Esta tecnologia requer muitas coisas diferentes para funcionar, e é divertido ver todas essas coisas se juntando", diz Michelle Digman, engenheira biomédica da Universidade da Califórnia, Irvine, que desenvolve estratégias de imagem, mas não está envolvida em nenhum dos dois. estudar. "Parecia uma prova de conceito mostrar que eles são capazes de rastrear o cinesina com muita precisão. E quando você tem o sistema de células vivas, isso é ainda mais espetacular."

Os pesquisadores começaram a trabalhar os fundamentos do movimento da cinesina logo após a descoberta da proteína em 1985, mas o advento das ferramentas de super-resolução trouxe um novo nível de detalhes. Em 2004, os pesquisadores usaram uma técnica chamada FIONA (imagens de fluorescência com precisão de um nanômetro) para mostrar que a cinesina, que se parece com um talo alto e retorcido usando sapatos grandes demais, caminha "mão sobre mão" em sua trilha de microtúbulos, movendo seus pés em um movimento semelhante ao das mãos de uma criança enquanto atravessam um conjunto de trepa-trepa3. Mas, embora a FIONA fornecesse uma resolução espacial excepcional, os cientistas tiveram que racionar o ATP para diminuir a velocidade da proteína o suficiente para estudá-la. Na última década, os pesquisadores marcaram a cinesina com contas de germânio4 ou ouro5 para rastreá-la, mas essas marcas relativamente volumosas deixam dúvidas sobre o quão bem os métodos recapitulam toda a amplitude de movimento da proteína.

Quando Hell e sua equipe introduziram o MINFLUX em 2016, ele o viu como um avanço em relação ao seu antecessor, a microscopia de depleção por emissão estimulada (STED), pela qual Hell dividiu o Prêmio Nobel de Química de 2014. O STED usa um laser de 'depleção' em forma de rosquinha sobreposto a um laser de excitação para encolher efetivamente a área de fluorescência abaixo do limite de difração convencional da luz (cerca de 250 nanômetros). O MINFLUX, por outro lado, usa um laser em forma de rosquinha para criar um ponto de intensidade de fluorescência zero em seu centro. Ao mover esse laser, os pesquisadores podem identificar a localização de uma molécula fluorescente em velocidades quase fisiológicas.

Microscópios inteligentes detectam biologia fugaz

No novo estudo1, publicado em março, o grupo de Hell testou uma versão do MINFLUX que pulsa lasers lineares em duas direções no plano focal em rápida sucessão, localizando a proteína encontrando onde as intensidades de fluorescência sobrepostas são mais baixas. Ao combinar várias medições, os pesquisadores conseguiram produzir faixas que mostram onde a molécula está se movendo ao longo do microtúbulo, como um aplicativo que mapeia o caminho de um corredor.