O Coronavírus Revelado
On Novembro 17, 2021 by adminEm Fevereiro, quando o novo coronavírus varreu a China e fechou cidades inteiras, um cientista chamado Sai Li partiu para pintar o seu retrato.
Na época, as melhores imagens que alguém tinha conseguido tirar eram imagens de baixa resolução, nas quais o vírus parecia uma mancha mal discernível.
O Dr. Li, um biólogo estrutural da Universidade Tsinghua em Pequim, juntou forças com virologistas que estavam criando o vírus em um laboratório de biossegurança na cidade de Hangzhou. Esses pesquisadores encharcaram os vírus com produtos químicos para torná-los inofensivos e depois os enviaram ao Dr. Li.
Dr. Li e seus colegas então concentraram o fluido carregado de vírus de um litro para uma única gota. Ele só podia esperar que eles tivessem feito tudo certo, para que as semanas de trabalho para produzir essa gota não tivessem sido um desperdício.
“Na época, você não sabe o que está dentro”, disse o Dr. Li. “É apenas líquido, certo?”
Alcanhando a estrutura
Dr. Li cuidadosamente congelou a gota em uma fração de segundo. Se ele cometesse o menor erro, os cristais de gelo poderiam lançar os vírus, rasgando-os.
Precisando o melhor, o Dr. Li colocou o smidgen do gelo num microscópio crio-electrónico. O dispositivo disparou feixes de elétrons na amostra. À medida que eles saltavam dos átomos dentro, o computador do Dr. Li reconstruía o que o microscópio tinha visto. Quando a foto se formou, ele foi surpreendido.
“Eu vi uma tela cheia de vírus”, lembrou o Dr. Li.
Ele podia ver milhares de coronavírus embalados no gelo como gomas em um frasco. Eles estavam lindamente intactos, permitindo-lhe inspecionar detalhes sobre os vírus que mediam menos de um milionésimo de polegada.
“Eu pensei, eu fui o primeiro cara no mundo a ver o vírus em tão boa resolução”, lembrou o Dr. Li.
Durante as semanas seguintes, o Dr. Li e seus colegas poraram sobre os vírus. Eles inspecionaram as proteínas que enroscaram sua superfície e mergulharam em seu núcleo, onde o filamento de genes do vírus estava enroscado com proteínas. As imagens recordaram ao Dr. Li os ovos de um ninho.
Agradecimentos ao trabalho de cientistas como o Dr. Li, o novo vírus corona, conhecido como SRA-CoV-2, já não é uma cifra. Eles vieram a conhecê-lo em detalhes atómicos e íntimos. Eles descobriram como ele usa algumas de suas proteínas para deslizar nas células e como seus genes intimamente retorcidos comandam nossa bioquímica. Observaram como algumas proteínas virais atiram chaves-inglesas para as nossas fábricas celulares, enquanto outras constroem viveiros para fazer novos vírus. E alguns pesquisadores estão usando supercomputadores para criar vírus completos e virtuais que eles esperam usar para entender como os vírus reais se espalharam com tanta facilidade devastadora.
“Desta vez é diferente de qualquer coisa que qualquer um de nós já experimentou, apenas em termos do bombardeio de dados”, disse Rommie Amaro, bióloga computacional da Universidade da Califórnia em San Diego.
Probing the Spike
Earlier este ano, Dr. Amaro e outros pesquisadores direcionaram grande parte de sua atenção para as proteínas, chamadas de espigões, que formam a superfície do vírus. As proteínas do espigão têm um trabalho essencial a desempenhar: Elas fixam-se às células das nossas vias respiratórias para que o vírus possa deslizar para dentro. Mas logo se tornou claro que o nome é um nome errado. A proteína do espigão não é afiada, estreita ou rígida.
Cada proteína do espigão encaixa juntamente com duas outras, formando uma estrutura que tem uma forma semelhante a uma tulipa. Um caule longo ancora as proteínas ao vírus, e seu topo parece uma flor de três partes.
Gerhard Hummer, um biofísico computacional do Instituto Max Planck de Biofísica, e seus colegas usaram o método de microscopia congelada para tirar fotos das proteínas dos espigões embutidos na membrana do vírus. Então eles calcularam como os átomos das proteínas se empurravam e puxavam uns sobre os outros. O resultado foi uma dança molecular: As proteínas dos espigões giram em torno de três dobradiças.
“Você pode ver estas flores ondulando com todos os tipos de ângulos de flexão”, disse o Dr. Hummer. “É bastante surpreendente ter um talo tão longo e esguio com tanta flexibilidade”
A Sugar Shield
Dr. Hummer especulou que a flexibilidade do espigão era importante para o sucesso do vírus. Varrendo ao redor, o espigão aumenta suas chances de encontrar a proteína na superfície de nossas células que ele usa para anexar.
Como eles varrem ao redor, no entanto, os espigões podem ser atacados por anticorpos, os poderosos soldados do nosso sistema imunológico. Para se esconderem, eles criam um escudo a partir do açúcar. Moléculas de açúcar, na marinha abaixo, giram ao redor das proteínas e as escondem dos anticorpos.
Um pequeno gancho na extremidade da proteína do espigão, em azul claro abaixo, às vezes vira para cima, acima do escudo do açúcar. Se encontrar uma determinada proteína na superfície das nossas células, desencadeia uma série de reacções que permite ao vírus fundir-se a uma membrana celular e injectar os seus genes.
Laços emaranhados
Os genes do novo coronavírus estão agrupados num filamento molecular chamado RNA. Em 10 de janeiro, pesquisadores chineses publicaram sua seqüência de 30.000 letras. Esse texto genético armazena a informação necessária para que uma célula faça as proteínas do vírus.
Mas o genoma é mais do que um livro de receitas. O fio se dobra em um emaranhado diabolicamente complexo. E esse emaranhado é crucial para a exploração do vírus das nossas células. “Você tem muito mais informação armazenada na forma como ele é moldado”, disse Sylvi Rouskin, uma bióloga estrutural do Whitehead Institute.
Dr. Rouskin liderou uma equipe de cientistas que mapeou essa forma. Em um laboratório de alta segurança na Universidade de Boston, seus colegas infectaram células humanas com os vírus e lhes deram tempo para fazer milhares de novos filamentos de RNA. Marcando as letras genéticas nos fios com produtos químicos, a Dra. Rouskin e seus colegas puderam determinar como o fio se dobrava em si mesmo.
Em alguns lugares ele só formava pequenos laços laterais. Em outros lugares, centenas de letras de RNA baloiçavam em grandes laços, com laços saindo, e mais laços saindo deles. Comparando milhões de genomas virais, a Dra. Rouskin e seus colegas descobriram lugares onde o vírus desliza de uma forma para outra.
Um número de pesquisadores está agora examinando de perto algumas dessas regiões para descobrir o que estão fazendo. Seus estudos sugerem que estes nós permitem que o vírus controle nossos ribossomos, as minúsculas fábricas celulares que bombeiam proteínas.
Depois que o vírus entra numa célula humana, nossos ribossomos se prendem a seus fios de RNA e deslizam por eles como um carro de montanha-russa correndo ao longo de uma pista. À medida que os ribossomos passam sobre as letras genéticas, eles constroem proteínas com as estruturas correspondentes. Os cientistas suspeitam que os laços de RNA podem atirar o carro da montanha-russa para fora da pista e depois guiá-lo para um ponto a milhares de posições de distância.
Outros laços forçam o ribossomo a recuar um pouco e depois a avançar novamente. Este pequeno soluço pode fazer com que o vírus faça proteínas totalmente diferentes do mesmo trecho de RNA.
Misturando a maquinaria
As proteínas virais que saem dos nossos ribossomos se espalham através da célula para realizar diferentes tarefas. Uma delas, chamada Nsp1, ajuda a controlar as nossas máquinas moleculares.
Joseph Puglisi, um biólogo estrutural de Stanford, e os seus colegas misturaram proteínas Nsp1 e ribossomas em tubos de ensaio. Descobriram que as proteínas, em rosa abaixo, escorregavam perfeitamente nos canais dentro dos ribossomos onde o RNA normalmente caberia.
Dr. Puglisi suspeita que o Nsp1 impede as nossas células de fazer proteínas próprias – especialmente as proteínas antivirais que poderiam destruir o vírus. Mas isso levanta a questão de como o vírus consegue fazer suas próprias proteínas.
Uma possibilidade é que “de alguma forma o vírus está apenas amparado em sua capacidade de produzir proteínas”, disse o Dr. Puglisi. De tempos em tempos, a Nsp1 cai dos ribossomos, e de alguma forma o vírus faz um trabalho melhor para aproveitar essas breves oportunidades. “Esperávamos que fosse algo simples”, disse ele. “Mas, como de costume na ciência, não era.”
Bobs e Gotas
Enquanto a Nsp1 manipula os ribossomas, outras proteínas virais estão ocupadas a fazer novos vírus. Uma meia dúzia de proteínas diferentes juntam-se para fazer novas cópias do RNA do vírus. Mas algo notável acontece ao longo do caminho: Juntas, as proteínas e o RNA transformam-se espontaneamente numa gota, semelhante a uma bolha numa lâmpada de lava.
Os físicos sabem há muito tempo que as moléculas num líquido formam gotas espontaneamente se as condições estiverem certas. “Isto é apenas fazer molhos para salada”, disse Amy Gladfelter, uma bióloga celular da Universidade da Carolina do Norte.
Mas só nos últimos anos é que os biólogos descobriram que as nossas células fazem regularmente gotículas para os seus próprios fins. Eles podem juntar certas moléculas em altas concentrações para realizar reacções especiais, fechando outras moléculas que não podem entrar nas gotículas.
Richard Young, um biólogo do Whitehead Institute, e os seus colegas misturaram proteínas SRA-CoV-2 que constroem novas moléculas de RNA juntamente com moléculas de RNA. Quando as moléculas se juntam, elas espontaneamente formam gotículas. O vírus provavelmente obtém os mesmos benefícios que a célula obtém desta estratégia.
Dado a sofisticação do coronavírus em tantos outros aspectos, o Dr. Young não ficou surpreendido com a sua descoberta. “Por que os vírus não explorariam uma propriedade da matéria?” disse ele.
Poros e Túneis
Coronavírus podem coaxar células humanas para formar novas câmaras para abrigar seu material genético. Mas quando Montserrat Bárcena, um microscopista do Centro Médico da Universidade Leiden, na Holanda, inspecionou essas câmaras, ela ficou perplexa: parecia não haver buracos nas membranas, não permitindo nenhum caminho para o RNA entrar ou sair.
Recentemente, a Dra. Bárcena e seus colegas deram uma olhada mais de perto e descobriram um caminho através dele. Uma das proteínas do coronavírus, chamada Nsp3, dobra-se em um túnel, que depois se encaixa nas membranas.
“É uma rota de fuga do coronavírus”, disse a Dra. Bárcena. “Nós tínhamos este enigma, e agora temos uma resposta.”
Assembling New Viruses
Em questão de horas, uma célula infectada pode fazer milhares de novos genomas de vírus. Os ribossomas da célula lêem os seus genes, expelindo ainda mais proteínas virais. Eventualmente, algumas dessas proteínas e os novos genomas juntam-se para fazer novos vírus.
Não é uma tarefa fácil, porque o filamento de genes do coronavírus é cem vezes mais longo que o próprio vírus.
Experiências recentes sugerem que, mais uma vez, o SARS-CoV-2 usa a física da lâmpada de lava em sua vantagem. As proteínas chamadas nucleocapsids colam-se a manchas ao longo do comprimento da cadeia de RNA. Juntas, as moléculas rapidamente colapsam em gotículas.
Dr. Gladfelter especularam que esta estratégia impediu que duas cadeias de genes se enroscassem uma na outra. Como resultado, cada novo vírus acaba com apenas um conjunto de genes.
Estas gotículas são engolidas dentro das membranas virais e das proteínas dos espigões, e os novos vírus estão prontos para escapar da célula. Para simular estes vírus até cada átomo, o Dr. Amaro está a reunir as imagens emergentes das proteínas SRA-CoV-2 e RNA. Ela e os seus colegas constroem então vírus virtuais em supercomputadores, cada um consistindo em meio bilião de átomos. Estas máquinas podem então usar as leis da física para simular a dança dos vírus a cada femtosegundo: por outras palavras, um milionésimo de um bilionésimo de segundo.
Dr. Amaro e os seus colegas esperam usar os seus vírus simulados para enfrentar uma das questões mais controversas sobre o Covid-19: como o vírus se espalha de pessoa para pessoa.
Quando as pessoas infectadas exalam, falam ou tossem, libertam minúsculas gotas de água carregadas de vírus. Não é claro quanto tempo o SRA-CoV-2 pode sobreviver nestas gotas. O Dr. Amaro está a planear construir estas gotas, até às suas moléculas de água individuais, no seu computador. Depois ela vai adicionar vírus e ver o que lhes acontece.
“Estou bastante confiante de que, provavelmente dentro de um ano, seríamos capazes de ter o vírus inteiro, incluindo todos os pedaços no interior”, disse ela.
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Drogas e Vacinas
Pronto, contudo, as novas imagens da SRA-CoV-2 tornaram-se essenciais para a luta contra a pandemia. Os desenvolvedores de vacinas estudam a estrutura do vírus para garantir que os anticorpos feitos pelas vacinas se agarrem firmemente ao vírus. Os criadores de medicamentos estão a inventar moléculas que perturbam o vírus ao deslizarem em cantos e recantos de proteínas e ao encravarem as suas máquinas.
O genoma do vírus pode oferecer outros alvos. Os medicamentos podem ser capazes de travar em laços e emaranhados para evitar que o vírus controle nossos ribossomos. “É muito importante que você saiba qual é a forma, assim você pode desenvolver a química certa para se ligar a essa forma”, disse a Dra. Rouskin.
Dr. Gladfelter, entretanto, quer ver se a física das gotículas virais pode oferecer uma nova linha de ataque contra o SRA-CoV-2.
“Você poderia obter um composto que os tornaria mais pegajosos, torná-los mais gelatinosos”, disse ela. “Há provavelmente muitos calcanhares de Aquiles”
Future Research
Embora os últimos meses tenham fornecido uma inundação de dados sobre o vírus, alguns estudos deixaram claro que levará anos a dar sentido à SRA-CoV-2.
Noam Stern-Ginossar e os seus colegas do Instituto Weizmann em Israel, por exemplo, encontraram evidências de que o vírus produz proteínas que os cientistas ainda não encontraram.
Dr. Stern-Ginossar e os seus colegas pesquisaram o RNA do vírus em células infectadas, totalizando todos os ribossomas que o estavam a ler. Alguns ribossomos agruparam-se ao longo de genes conhecidos. Mas outros estavam lendo genes que nunca tinham sido encontrados antes.
Ribossomos às vezes lêem apenas uma seção do gene da proteína de pico, por exemplo. Presumivelmente eles fazem um mini-spike, que pode muito bem realizar algum trabalho essencial para o vírus. Um medicamento que o desabilita pode curar o Covid-19.
Mas os cientistas nem sequer podem começar a adivinhar estas possibilidades, porque ainda ninguém detectou a mini-excitação na natureza. E o mesmo será verdade para os outros novos genes, a equipe da Dra. Stern-Ginossar encontrou.
“Cada um vai precisar de trabalho adicional para descobrir o que está fazendo”, disse ela. “A biologia leva tempo.”
Produzido por Jonathan Corum.
Correcção: Uma versão anterior desta história escreveu mal o primeiro nome de um cientista. Ela é Montserrat Bárcena, não Monsterrat.
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