Da 'blobologia' à precisão atômica: a liderança de Wisconsin em crio

por Karen Lowry Miller | 3 de janeiro de 2023

Os microscópios percorreram um longo caminho desde o que muitas pessoas lembram das aulas de biologia do ensino médio. Em vez de olhar através de lentes, os cientistas podem agora criar imagens 3D disparando feixes de electrões contra estruturas proteicas que foram congeladas para manter a sua forma.

Esta tecnologia de ponta, chamada microscopia crioeletrônica ou crio-EM, impulsiona uma colaboração promissora entre o Departamento de Bioquímica da UW-Madison e o Instituto Morgridge. Reconhecendo que corriam o risco de ficar para trás, os parceiros trabalharam para construir um centro que apoia uma ampla gama de investigação no campus e que é agora um centro nacional de formação e desenvolvimento de investigação.

O objetivo do Cryo-EM é obter imagens mais claras e detalhadas da estrutura das moléculas. Os cientistas precisam desta resolução a nível atómico para compreender, por exemplo, como as proteínas funcionam mal nas doenças e como abordá-las no desenvolvimento de um novo medicamento. A amostra é congelada rapidamente em etano líquido, o que ajuda a reduzir os danos que inevitavelmente ocorrem toda vez que os elétrons atingem a imagem.

“Somos pioneiros em diferentes aspectos do pensamento sobre computação, desenvolvimento de algoritmos pesados ​​e como usamos esses microscópios para analisar questões biológicas desafiadoras.”

A tecnologia data de 1974, mas o campo começou a crescer há cerca de dez anos, quando hardware mais avançado chegou ao mercado. Como muitas universidades do país, a UW-Madison percebeu que precisava levar a crio-EM a sério ou correria o risco de ficar seriamente para trás. Os investigadores de Morgridge e do departamento de bioquímica começaram a convidar os melhores especialistas do mundo ao campus para dar palestras, para que pudessem aprender como funciona e entender o que precisavam fazer.

Em 2018, o campo decolou nos Estados Unidos quando os Institutos Nacionais de Saúde desenvolveram três centros nacionais de crio-EM para análise de partículas únicas, uma espécie de abordagem plug-and-play em que um cientista deseja que uma única imagem observe um espécime.

A UW-Madison decidiu estabelecer seu próprio centro, focado na abordagem mais complexa chamada tomografia. Semelhante a uma pessoa submetida a uma ressonância magnética, as amostras são giradas e 120-140 imagens são tiradas de todos os ângulos para reconstruir a molécula.

Morgridge e o departamento de bioquímica também uniram forças em 2018 para recrutar Elizabeth Wright da Emory University, onde ela construiu um centro Cryo-EM semelhante do zero. Tudo se encaixou quando o NIH apresentou uma proposta para apoiar centros de tomografia crio-EM – a UW-Madison se inscreveu e venceu.

A profundidade da parceria ficou clara desde o início. Comprar equipamentos caros por meio de uma universidade estadual pode exigir obstáculos que podem levar até dois anos, então o departamento se ofereceu para arcar com outras despesas se Morgridge conseguisse garantir os microscópios. “Fizemos todas as negociações depois, porque confiamos um no outro o suficiente para saber que iria funcionar, e funcionou”, diz Brad Schwartz, CEO da Morgridge.

Após grandes reformas, incluindo o lançamento de grossas lajes de concreto encimadas por uma mesa antivibração para manter o equipamento sensível imóvel, os primeiros quatro microscópios foram entregues rapidamente no momento em que a pandemia forçou o fechamento do campus em março de 2020.

Há dez anos, os cientistas estavam a analisar o que Wright chama de “blobologia”, quando todas as fotografias tiradas pareciam pequenas bolhas de moléculas e não era possível ver exatamente o que se passava. As imagens de hoje, por outro lado, permitem ver onde todos os átomos estão posicionados – como passar de massinha para brinquedos de mexer.

Esse processo gera tantos dados que laptops normais não conseguem lidar com a computação necessária para classificar e analisar todas as imagens. É aqui que entra em jogo a capacidade computacional de alto rendimento do Morgridge, que se tornou tão essencial para um laboratório quanto a iluminação. “Sem uma computação realmente boa, os microscópios crio-EM são pesos de papel superfaturados”, diz Wright.

Brian Bockelman, pesquisador de computação do instituto, conta com profunda experiência de trabalho com físicos em projetos que exigem grandes quantidades de dados porque os fundamentos são os mesmos. Sua infraestrutura computacional está ajudando o centro crio-EM a extrair as partículas que interessam ao pesquisador para gerar as estruturas 3-D de alta resolução de que precisam. “Eu adoraria que os pesquisadores no campus nos afogassem em desafios computacionais e de dados para que pudessem realmente começar a nos incentivar a pensar melhor”, diz Bockelman.