UMA PROTEÍNA, FLAGRADA EM VOO POR UM FLASH DE RAIOS X
Para entender como uma proteína funciona, os biólogos gostariam de vê-la mudar de forma. Isso significa ver uma única molécula de muitos ângulos, com radiação de comprimento de onda muito curto. O problema é que os elétrons e os raios X, as únicas sondas fortes o bastante, também danificam a molécula que estão fotografando. A criomicroscopia eletrônica contorna isso congelando milhares de moléculas em gelo e fazendo a média de muitas imagens ruidosas.
Os raios X depositam cerca de mil vezes mais energia por evento de espalhamento do que os elétrons. Mas existe uma brecha, conhecida como “difração antes da destruição”: com um pulso de um laser de elétrons livres de raios X que dura só alguns femtossegundos, o padrão da luz espalhada é registrado antes que a molécula tenha tempo de se despedaçar. A molécula não precisa ser congelada nem apoiada em nada — pode ser flagrada em voo. Até agora, isso tinha funcionado com vírus grandes. Uma única proteína, fotografada em 3D com raios X duros, continuava fora de alcance.
Sangue de minhoca no vácuo
Uma grande equipe internacional liderada por Paul Lourdu Xavier e Henry Chapman, do DESY, em Hamburgo, com o European XFEL e dezenas de instituições pelo mundo, escolheu a eritrocruorina: uma hemoglobina gigante, purificada do sangue de cerca de cem minhocas. Ela pesa 3,6 megadaltons e tem uma forma altamente simétrica, dois anéis empilhados com um furo no meio.
As proteínas foram borrifadas em gotículas finas, neutralizadas e focalizadas num feixe estreito que viajava a cerca de 100 metros por segundo através de uma câmara de vácuo. Acrescentou-se hélio para reduzir o brilho de fundo do gás residual. Atravessando esse feixe disparavam os pulsos do European XFEL, em Schenefeld, na Alemanha: fótons de raios X de 6 quiloelétron-volts, concentrados num ponto de 180 por 220 nanômetros, cada pulso durando cerca de 25 femtossegundos.
Cada flash ioniza cerca de três quartos dos átomos da molécula — mas termina antes que a explosão resultante tenha tempo de borrar a imagem.
270 milhões de quadros para uma forma
- Em 21 horas, o detector registrou 270 milhões de quadros.
- Apenas 188.557 deles — 0,07% — continham um padrão de difração, na maioria das vezes de uma única proteína.
- Os 50.000 melhores foram classificados em 144 grupos de ângulos de visão semelhantes, o que deu imagens de projeção planas com cerca de 15 ångströms de resolução.
- A partir de 26.908 padrões selecionados, a equipe reconstruiu a difração em três dimensões e depois manteve os 1.248 mais limpos para calcular um mapa 3D dos elétrons da proteína com cerca de 20 ångströms. Ele mostra o furo central e a simetria de ordem seis esperada a partir da estrutura conhecida.
Uma proteína que encolhe em voo
Todas as reconstruções 3D saíram mais compactas do que a estrutura cristalina conhecida, sobretudo ao longo do eixo curto. A equipe atribuiu isso ao próprio vácuo: fora da água, a proteína se contrai. Simulações em computador da molécula inteira concordam — ela encolhe 2,5% no seu primeiro nanossegundo e depois mais devagar. Essa variação entre moléculas é provavelmente o motivo de a imagem 3D ser mais borrada que as 2D.
Os autores listam os próximos passos: proteger as proteínas desse colapso, com gotículas menores, um trajeto mais curto ou congelamento instantâneo, ou entregando-as numa lâmina líquida ultrafina; e pulsos de raios X mais estáveis, mais curtos e mais potentes. As simulações mostram que o dano por radiação vai pesar mais à medida que as imagens ficarem mais nítidas.
Rumo a filmes de moléculas isoladas
Vinte ångströms está longe de permitir ver átomos. Mas os autores descrevem isto como um objetivo perseguido por quase três décadas: uma única proteína isolada, fotografada em três dimensões com raios X duros, sem cristais nem congelamento. A promessa que vem além é o tempo — disparar uma proteína e flagrá-la em pleno movimento, um flash de cada vez.