O CDQ… preparou um texto especial para nossos leitores. Reunimos três pesquisadores das áreas de Biologia/Biomedicina, Física e Química para explicar as grandes descobertas que renderam os prêmios Nobel de Medicina, Física e Química de 2018. Aproveitem!
Nobel Medicina: freios moleculares do sistema imunológico
Por Ricardo C. Garcez, Dpto. de BEG – UFSC
Há mais de cem anos, pesquisadores tentam fazer com que nosso sistema imunológico reconheça e destrua as células tumorais. A dificuldade, nesse tipo de estratégia antitumoral, ocorre porque as células tumorais são células do próprio organismo. Nossas células imunológicas são “ensinadas”, desde muito cedo, a não atacar nossas próprias células. No entanto, em algumas situações, as células do sistema imune são orientadas a “esquecer” parte do que aprenderam e passam a atacar nossas próprias células. Esse ataque pode ser bom, se as células atacadas forem tumorais, por exemplo, mas pode ser prejudicial, se as células atacadas forem células saudáveis. Esse segundo caso é o que ocorre nas doenças autoimunes.
Sendo assim, as células do sistema imune, mais especificamente células chamadas de Linfócitos T, enfrentam constantemente um dilema: atacar, correndo o risco de células saudáveis morrerem, ou não atacar, podendo com isso permitir o crescimento de tumores. Considerando que a maioria das pessoas não tem tumores, a escolha mais sensata é não atacar. Os pesquisadores James P. Allison e Tasuku Honjo ganharam o prêmio Nobel de Medicina e Fisiologia 2018, pela descoberta de duas proteínas (CTL-4 e PD-1) responsáveis por orientar os linfócitos T na decisão de não atacar as células do próprio organismo, consequentemente, não atacar células tumorais também. Esses pesquisadores também desenvolveram estratégias para impedir o funcionamento dessas proteínas e, com isso, liberar os linfócitos T para atacar células tumorais.
Essa estratégia resolve parte do dilema, os linfócitos T passam a atacar as células tumorais, mas também aumenta a possibilidade deles atacarem as células do próprio organismo. Mas nesse caso, como a terapia será feita em um paciente com câncer, a melhor decisão é destruir as células tumorais, mesmo que algumas normais morram junto. Até o momento, essa nova abordagem já se mostrou eficiente para tratar melanoma, câncer de pulmão e bexiga. Mas é importante ressaltar que nem todas as células tumorais são reconhecidas e atacadas pelo sistema imunológico, boa parte delas passa desapercebida e, nesses casos esse tipo de terapia não teria resultado.
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Nobel de Física: Pinças Ópticas e Pulsos Laser Ultracurtos de Alta Intensidade
Por Paula B. Monteiro – GETFis – IFSC e Renné L. C. M. de Araújo – GIQSul – UFSC
O prêmio Nobel em Física de 2018 coloca em destaque duas técnicas que utilizam o laser como uma ferramenta: a pinça óptica e a CPA (do inglês Chirped Pulse Amplification). Os premiados são Arthur Ashkin, o cientista com a idade mais avançada a ganhar o Nobel em Física (96 anos), Gérard Mourou e Donna Strickland, a terceira mulher a ser agraciada por sua contribuição científica.
Metade do prêmio pertence a Arthur Ashkin, pelo desenvolvimento da pinça óptica, já citada em textos aqui no Cientistas descobriram que … (Minúsculas partículas presas pela luz poderiam funcionar como espelhos gigantes! e Poderíamos abrir uma janela (não quebrar) a grito?). Todos sentimos a energia luminosa na pele quando estamos expostos ao sol, mas somos grandes demais para sentir a força exercida pela luz. Porém, essa força é capaz de empurrar, puxar, aprisionar e girar partículas nanométricas e micrométricas (menores que um metro dividido por 1 milhão). Para isso, um único feixe de luz é focalizado por uma lente (objetiva) e a energia concentrada é a principal responsável por “guiar” a partícula. Uma força empurra a partícula para frente e outra força empurra para o local de luz mais intensa. A potência do laser e o material da partícula são exemplos de parâmetros ajustáveis para que o balanço entre as duas forças aprisionem a partícula. A pinça óptica permite investigar, por exemplo, propriedades mecânicas de motores moleculares que realizam atividades vitais dentro da célula.
Figura 1. Illustrations: ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences (Traduzida e modificada)
A outra metade do prêmio será dividida entre Donna Strickland e Gérard Mourou. A doutoranda Donna Strickland não imaginava que seu primeiro artigo publicado lhe renderia, 33 anos mais tarde, o Prêmio Nobel. Donna e seu orientador, Gérard Mourou, conseguiram realizar uma técnica para amplificar pulsos de laser até potências anteriormente inatingíveis. A potência máxima de um laser pulsado não costumava ultrapassar o gigawatt (equivalente a mais de 60 milhões de lâmpadas LED). Se ultrapassasse, danificava o próprio amplificador. A nova técnica consiste em atrasar as diferentes componentes de frequência do laser (Figura 1-1), umas em relação às outras, passando-as, uma a uma, pelo amplificador (Figura 1-2), agora capaz de suportar uma potência total maior. Depois da amplificação (Figura 1-3), junta-se novamente as componentes de frequência e, voilà, um pulso ultracurto e ultra intenso! Hoje, a técnica CPA chega a produzir lasers que se aproximam do petawatt (um milhão de gigawatts!) e as aplicações em medicina, tecnologias industriais de manufatura e pesquisa básica são inúmeras.
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Nobel Química: síntese e seleção artificial de proteínas
Por Ricardo C. Garcez, Dpto. de BEG – UFSC
O prêmio Nobel de Química 2018 foi atribuído para descobertas nas áreas de química de proteínas e biologia molecular. Em conjunto, esses trabalhos permitiram a produção de uma nova classe de potentes medicamentos contra uma grande diversidade de doenças. A história desse prêmio se inicia na década de 1980 e ganha força com o início da era genômica. Nessa época, o pesquisador Francis Arnold desenvolveu um método para criar enzimas mais eficientes. Toda enzima é uma proteína e, toda proteína é produzida seguindo a receita contida no DNA. Dessa forma, mutações no DNA podem provocar alterações nas proteínas. Essas alterações podem não fazer diferença, impedir a proteína de funcionar ou podem melhorar seu funcionamento. É nessa última possibilidade que Francis Arnold estava interessado. Induzindo mutações aleatórias na sequência de DNA (gene) que codificava determinada proteína (para saber mais sobre o processo de síntese de proteínas, clique aqui), ele fez variações da mesma proteína. Em seguida, ele testou todas essas variações, selecionando as mais eficientes. Esse método permitiu a seleção de enzimas até 100 vezes mais potentes que as versões naturais. Essas enzimas são utilizadas, por exemplo, na produção de etanol. Essa técnica é baseada na seleção que naturalmente ocorre nas proteínas dos seres vivos, a diferença é que ele conseguiu fazer em meses, o que levaria milhares de anos. Essa técnica foi aprimorada mais tarde por Gregory Winter, o terceiro ganhador do Nobel de 2018.
Figura 2: Sistema de produção de variações de proteínas em bacteriófago e seleção.
O segundo vencedor do prêmio Nobel de Química de 2018 foi George Smith. Curiosamente, o objetivo inicial da pesquisa de Smith não estava diretamente relacionada ao desenvolvimento do processo que garantiu o prêmio Nobel para ele. No início da década de 1990, Smith desenvolveu um sistema para relacionar o gene (sequência do DNA) à proteína produzida. Ele desenvolveu um sistema que permitia inserir fragmentos de DNA em um vírus, chamado bacteriófago. Esse vírus ao se reproduzir (usando a maquinaria celular das bactérias que ele infectava) produzia uma proteína a partir da sequência de DNA inserida nele. Em seguida, o bacteriófago posicionava a proteína produzida na sua parte externa (ver figura X). Para identificar se era uma proteína conhecida, Smith colocava esses vírus em contato com vários tipos de anticorpos. Se o vírus ficasse ligado, por exemplo, ao anticorpo que reconhecia a insulina, isso significa que aquela sequência de DNA, antes desconhecida, correspondia ao gene da insulina. Esse sistema permitiu identificar os genes que codificavam várias proteínas.
Sir Gregory Winter aliou o processo de seleção artificial de proteínas, desenvolvido por Francis Arnold, com o processo de expressão de proteínas em bacteriófagos, desenvolvido por George Smith. Essa união permitiu a criação de um poderoso sistema de seleção de proteínas com atividade biológica. Winter desenvolveu um sistema de mutações aleatórias nas sequências do DNA que codificam as regiões dos anticorpos chamadas de Fab. É através dessas regiões Fab que os anticorpos se ligam aos corpos estranhos (antígenos). A ideia era criar variações de anticorpos que se ligassem aos antígenos de forma mais eficiente e, até mesmo, criar novos anticorpos por síntese artificial. Para testar quais dessas variações realmente eram melhores, ele fez com que bacteriófagos expressassem essas variantes de anticorpos em sua superfície. Ao colocar esses bacteriófagos em contato com o antígeno de interesse, ele selecionava aqueles que se ligavam com maior força e de forma mais específica. Como produto final, Winter conseguia uma proteína que se ligava com altíssima afinidade a alvos específicos. Esse processo permitiu Winter desenvolver um medicamento para combater doenças autoimunes, como o Adalimumab. Além desse, foi produzida uma série de outros medicamentos para tratamento de câncer, para neutralização de toxinas, tratamento de doenças infecciosas, entre outros. Esse é mais um dos tantos exemplos que temos de como uma pesquisa básica, despretensiosa, muitas vezes culmina no desenvolvimento de processos importantíssimos para nossa sociedade.
Cientistas descobriram que... "CDQ" 