A visualização do interior das células em resoluções anteriormente impossíveis fornece informações vívidas sobre como elas funcionam

toda a vida é feito de células várias magnitudes menor que um grão de sal. Suas estruturas aparentemente simples mascaram a intrincada e complexa atividade molecular que lhes permite realizar as funções que sustentam a vida. Os pesquisadores estão começando a visualizar essa atividade com um nível de detalhe que não eram capazes antes.

As estruturas biológicas podem ser visualizadas começando no nível de todo o organismo e trabalhando para baixo, ou começando no nível de átomos individuais e trabalhando para cima. No entanto, tem havido uma lacuna de resolução entre as menores estruturas de uma célula, como o citoesqueleto que suporta a forma da célula, e suas maiores estruturas, como o Ribossomos que produzem proteínas nas células.

Por analogia com o Google Maps, embora os cientistas tenham conseguido ver cidades inteiras e casas individuais, eles não tinham as ferramentas para ver como as casas se juntavam para formar bairros. Ver esses detalhes no nível da vizinhança é essencial para entender como os componentes individuais funcionam juntos no ambiente de uma célula.

Novas ferramentas estão constantemente preenchendo essa lacuna. E o desenvolvimento contínuo de uma técnica particular, tomografia crioeletrônica ou crio-ET, tem o potencial de aprofundar como os pesquisadores estudam e entendem como as células funcionam na saúde e na doença.

Como o antigo editor-chefe da Ciência revista E como um investigador que estudou estruturas de proteínas grandes e difíceis de visualizar por décadas, testemunhei um progresso impressionante no desenvolvimento de ferramentas que podem determinar estruturas biológicas em detalhes. Assim como fica mais fácil entender como sistemas complicados funcionam quando você sabe como eles se parecem, entender como as estruturas biológicas se encaixam em uma célula é a chave para entender como os organismos funcionam.

Uma Breve História da Microscopia

No século 17, Luz do microscópio revelou pela primeira vez a existência de células. No século 20, a microscopia eletrônica ofereceu ainda mais detalhes, revelando a estruturas elaboradas dentro das células, incluindo organelas como o retículo endoplasmático, uma rede complexa de membranas que desempenham papéis fundamentais na síntese e transporte de proteínas.

Da década de 1940 a 1960, os bioquímicos trabalharam para separar as células em seus componentes moleculares e aprender como determinar as estruturas 3D de proteínas e outras macromoléculas em ou perto da resolução atômica. Isso foi feito pela primeira vez usando cristalografia de raios-X para visualizar a estrutura de mioglobina, uma proteína que fornece oxigênio aos músculos.

Na última década, técnicas baseadas em ressonância magnética nuclear, que produz imagens baseadas em como os átomos interagem em um campo magnético, e microscopia crio-eletrônica aumentaram rapidamente o número e a complexidade das estruturas que os cientistas podem visualizar.

O que são Cryo-EM e Cryo-ET?

Microscopia crioeletrônica ou crio-EM, usa uma câmera para detectar como um feixe de elétrons é desviado quando os elétrons passam por uma amostra para visualizar estruturas no nível molecular. As amostras são rapidamente congeladas para protegê-las dos danos causados ​​pela radiação. Modelos detalhados da estrutura de interesse são feitos tomando várias imagens de moléculas individuais e calculando a média delas em uma estrutura 3D.

Crio-ET compartilha componentes semelhantes com cryo-EM, mas usa métodos diferentes. Como a maioria das células é muito espessa para ser visualizada com clareza, uma região de interesse em uma célula é primeiro diluída usando um feixe de íons. A amostra é então inclinada para tirar várias fotos dela em ângulos diferentes, de forma análoga a uma tomografia computadorizada de uma parte do corpo (embora, neste caso, o próprio sistema de imagem seja inclinado, e não o paciente). Essas imagens são então combinadas por um computador para produzir uma imagem 3D de uma parte da célula.

A resolução desta imagem é alta o suficiente para que pesquisadores (ou programas de computador) possam identificar os componentes individuais de diferentes estruturas em uma célula. Os pesquisadores usaram essa abordagem, por exemplo, para mostrar como as proteínas se movem e são degradadas dentro de um célula de algas.

Muitas das etapas que os pesquisadores precisavam executar manualmente para determinar as estruturas das células estão se tornando automatizadas, permitindo que os cientistas identifiquem novas estruturas em velocidades muito mais altas. Por exemplo, combinando cryo-EM com programas de inteligência artificial como AlfaFold pode facilitar a interpretação da imagem ao prever estruturas de proteínas que ainda não foram caracterizadas.

Compreendendo a estrutura e a função das células

À medida que os métodos de imagem e os fluxos de trabalho melhoram, os pesquisadores poderão abordar algumas questões-chave na biologia celular com diferentes estratégias.

O primeiro passo é decidir quais células e quais regiões dentro dessas células estudar. Outra técnica de visualização chamada microscopia correlacionada de luz e eletrônica, ou CLEM, usa marcadores fluorescentes para ajudar a localizar regiões onde processos interessantes estão ocorrendo em células vivas.

Comparando o diferença genética entre células pode fornecer informações adicionais. Os cientistas podem observar células incapazes de realizar funções específicas e ver como isso se reflete em sua estrutura. Essa abordagem também pode ajudar os pesquisadores a estudar como as células interagem umas com as outras.

É provável que o Cryo-ET continue sendo uma ferramenta especializada por algum tempo. Mas desenvolvimentos tecnológicos adicionais e acessibilidade crescente permitirão à comunidade científica examinar a ligação entre a estrutura celular e a função em níveis de detalhe anteriormente inacessíveis. Prevejo ver novas teorias sobre como entendemos as células, passando de sacos desorganizados de moléculas para sistemas intrincadamente organizados e dinâmicos.

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

Crédito de imagem: Nanográficos, CC BY-SA

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• Fonte: https://singularityhub.com/2023/01/09/visualizing-the-inside-of-cells-at-previously-impossible-resolutions-provides-vivid-insights-into-how-they-work/