Pesquisa da UC Berkeley utiliza placa de fase a laser para melhorar a criomicroscopia eletrônica e ampliar a visualização de proteínas pequenas.
Uma tecnologia desenvolvida por físicos da Universidade da Califórnia, Berkeley, nos Estados Unidos, conseguiu melhorar a qualidade de imagens de proteínas por meio de uma placa de fase a laser incorporada a um microscópio eletrônico. O sistema, liderado pelo professor Holger Müller, aumenta o contraste ao modificar a fase do feixe de elétrons utilizado na criomicroscopia eletrônica. Os resultados, publicados na revista Science, incluem testes com seis amostras e avanços na visualização de moléculas que representam dificuldades para os equipamentos convencionais.
Entre as estruturas examinadas estão a hemoglobina, responsável pelo transporte de oxigênio no sangue, e a aldolase, encontrada nos músculos. A melhoria obtida com o laser foi especialmente importante para a hemoglobina, cujo tamanho dificulta a análise por métodos tradicionais. O desenvolvimento também abre possibilidades para a investigação de proteínas menores e de sua organização no interior das células, embora parte dessas aplicações ainda dependa de novos avanços.
Experimentos mostram ganhos na observação de proteínas pequenas
Uma das barreiras enfrentadas pelos pesquisadores está relacionada ao tamanho das moléculas analisadas. Os microscópios crioeletrônicos convencionais apresentam dificuldades para produzir imagens confiáveis de proteínas com massa inferior a aproximadamente 70 quilodaltons, unidade utilizada para expressar a massa molecular.
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Essa restrição é relevante porque cerca de 90% das proteínas que compõem o proteoma humano estão abaixo desse limite. Com a nova tecnologia, já é possível obter imagens de estruturas na faixa de 50 quilodaltons, embora a análise dessas moléculas continue tecnicamente desafiadora. A melhoria representa um avanço na tentativa de ampliar o conjunto de proteínas acessíveis à investigação científica.
Durante os experimentos, a equipe avaliou seis amostras com diferentes características e métodos de preparação. As reconstruções da aldolase e da hemoglobina apresentaram ganhos de resolução, mas os benefícios foram mais expressivos nos materiais difíceis de examinar. Os resultados indicam que a placa de fase a laser pode ser particularmente útil quando as condições da amostra limitam a qualidade das imagens.
Microscópio Theia utiliza laser para melhorar o contraste das imagens
O equipamento desenvolvido em Berkeley recebeu o nome Theia, inspirado na figura da mitologia grega associada à luz e ao brilho. Para construir o sistema, Müller contou com financiamento do Biohub e adaptou um microscópio avançado Thermo Fisher Krios, incorporando componentes necessários ao funcionamento da nova tecnologia.
O diferencial está na maneira como o laser participa da formação das imagens. Em vez de iluminar diretamente o material examinado, a luz interage com o feixe de elétrons do microscópio e modifica sua fase. Esse processo permite destacar diferenças que seriam difíceis de identificar pelos métodos convencionais, melhorando a separação visual entre as estruturas moleculares e o ambiente ao redor.
A solução recupera um princípio desenvolvido pelo físico holandês Frits Zernike em 1930. Ele demonstrou que alterações na fase da luz poderiam ser convertidas em diferenças perceptíveis de brilho, permitindo observar detalhes celulares pouco visíveis. A descoberta deu origem à microscopia de contraste de fase e garantiu ao cientista o Prêmio Nobel de Física de 1953.
A equipe de Berkeley adaptou essa lógica ao funcionamento dos microscópios eletrônicos. Nesse caso, o desafio foi produzir uma interação suficientemente intensa entre a luz do laser e os elétrons, preservando as condições necessárias para gerar imagens de alta qualidade.
Sistema concentra 75 quilowatts de potência óptica em uma área minúscula
Para alcançar a intensidade necessária, os pesquisadores desenvolveram uma estrutura capaz de manter um laser contínuo dentro de uma cavidade esférica revestida de espelhos. A luz percorre repetidamente esse espaço, acumulando intensidade antes de ser concentrada em uma região extremamente pequena.
O resultado é um foco com aproximadamente 75 quilowatts de potência óptica concentrados em poucos micrômetros. Segundo Müller, trata-se do foco de laser contínuo mais brilhante já produzido. A luz passa por mais de 10 mil reflexões dentro da cavidade, criando as condições para modificar em cerca de 90 graus a fase do feixe de elétrons.
A obtenção desse resultado exigiu um longo período de desenvolvimento. Müller e o pesquisador Robert Glaeser propuseram a utilização de um laser para essa finalidade em 2010, mas transformar a ideia em um dispositivo funcional levou aproximadamente 15 anos. Somente o desenvolvimento do sistema óptico necessário consumiu cerca de uma década.
Parte das pesquisas recebeu apoio financeiro dos Institutos Nacionais de Saúde dos Estados Unidos, enquanto o Biohub contribuiu para a aquisição e adaptação do equipamento utilizado nos experimentos mais recentes.
Nova técnica pode ajudar a revelar interações dentro das células
Os resultados também despertaram interesse pelo possível uso da placa de fase a laser na tomografia crioeletrônica, conhecida como crio-ET. Diferentemente da análise de moléculas isoladas, essa técnica permite reconstruir estruturas tridimensionais a partir de imagens obtidas em diferentes ângulos, preservando informações sobre sua organização no ambiente celular.
O desafio é que as células contêm uma grande quantidade de componentes distribuídos em espaços reduzidos. Identificar uma proteína específica nesse conjunto exige contraste suficiente para diferenciá-la das estruturas próximas, especialmente quando se trata de moléculas pequenas.
Bridget Carragher, diretora técnica fundadora de imagem do Biohub, considera que a melhoria proporcionada pelo laser pode ajudar a superar essa limitação. A expectativa é permitir análises mais detalhadas da distribuição e das interações entre proteínas, ampliando a compreensão sobre a organização molecular das células.
Essa aplicação, entretanto, ainda representa uma perspectiva de desenvolvimento. Os experimentos apresentados pela equipe demonstraram melhorias na qualidade das imagens, mas a ampliação dessas capacidades para estudos mais complexos por crio-ET continua entre os objetivos dos pesquisadores.
Pesquisadores trabalham em versão com dois lasers e miram proteínas ainda menores
Enquanto a equipe de Berkeley avança com o Theia, outro microscópio está sendo desenvolvido nas instalações do Biohub em Redwood City, na Califórnia. O projeto utiliza uma configuração diferente, com dois feixes de laser posicionados perpendicularmente, cada um operando com aproximadamente metade da potência.
A disposição foi planejada para reduzir distorções ópticas e diminuir o risco de danos aos componentes do instrumento. O conceito tem como base estudos teóricos realizados por Müller e colaboradores, e seus detalhes foram apresentados em um preprint, publicação científica ainda distinta do estudo divulgado na Science.
Outra possibilidade em investigação envolve a utilização de um feixe de elétrons mais focalizado. Segundo Müller, essa mudança poderá proporcionar um novo aumento do contraste e da relação entre sinal e ruído, complementando os ganhos já demonstrados pela placa de fase a laser.
O objetivo mais ambicioso é alcançar proteínas com aproximadamente 17 quilodaltons, dimensão associada à mioglobina. Esse patamar ainda não foi atingido nos resultados apresentados e depende de aperfeiçoamentos adicionais no sistema.
Com os testes realizados até agora, os cientistas demonstraram que a interação controlada entre laser e elétrons pode melhorar a análise de estruturas moleculares pequenas. O próximo desafio será ampliar essas capacidades para proteínas ainda menores e investigar como o aumento da qualidade das imagens poderá contribuir para o estudo das interações moleculares no ambiente celular.
