Pequena proteína brilhante permite que os pesquisadores examinem mais profundamente os tecidos vivos

Engenheiros biomédicos e genéticos da Duke University e do Albert Einstein College of Medicine projetaram uma pequena proteína fluorescente que emite e absorve a luz que penetra profundamente no tecido biológico. Adaptada aos comprimentos de onda no espectro do infravermelho próximo (NIR), essa proteína pode ajudar os pesquisadores a capturar imagens biomédicas mais profundas, limpas e precisas.

Este trabalho apareceu em 1º de dezembro na revista Métodos da Natureza.

Imaging tecidos profundos com luz é um desafio. A luz visível é frequentemente rapidamente absorvida e espalhada por estruturas e moléculas no corpo, impedindo que os pesquisadores vejam mais do que um milímetro dentro de um tecido. Se eles conseguirem investigar mais, substâncias como colágeno ou melanina muitas vezes turvam a imagem, criando o equivalente ao ruído de fundo por meio de sua fluorescência natural.

“As moléculas biológicas absorvem e emitem luz naturalmente no espectro visível, que é de cerca de 350 a 700 nanômetros”, disse Junjie Yao, professor assistente de engenharia biomédica da Duke. “Portanto, ao usá-lo para obter imagens de tecidos profundos, é como tentar observar as estrelas à luz do dia. Os sinais são inundados.”

Para sair dessas águas barrentas, Yao e seu colaborador Vladislav Verkhusha, professor de genética no Albert Einstein College of Medicine, em Nova York, desenvolveram um proteína que absorve e emite comprimentos de onda mais longos de luz no espectro do infravermelho próximo (NIR).

“O tecido é o mais transparente na janela de 700-1300 nanômetros da luz NIR”, disse Yao. “Nesses comprimentos de onda, a luz pode penetrar mais profundamente em um tecido e, como há menos fluorescência natural de fundo para filtrar, podemos fazer exposições mais longas e capturar imagens mais nítidas”.

Verkhusha e seu laboratório usaram um processo chamado evolução molecular dirigida para projetar suas proteínas, usando fotorreceptores normalmente encontrados em bactérias como base para a estrutura. Esses fotorreceptores são úteis para pesquisas de imagem porque podem alternar entre um estado silencioso e ativo quando atingidos por um comprimento de onda específico de luz. Eles podem se ligar à biliverdina, uma biomolécula que aparece em grandes quantidades nos tecidos de mamíferos e humanos.

“Estudamos a estrutura da biliverdina para determinar como o fotorreceptor se ligaria melhor à biomolécula”, explicou Verkhusha. “Depois de entendermos o processo de ligação, introduzimos cuidadosamente substituições de partes-chave da molécula que se conecta à biliverdina para aumentar a ligação de elétrons, necessária para obter a fluorescência com desvio para o vermelho. Por último, realizamos mutagênese aleatória seguida de alto rendimento triagens para que as proteínas evoluíssem e aumentassem o brilho.”

A proteína encontrada mais brilhante, denominada miRFP718nano, é facilmente produzida em células e tecidos e emite luz fora da faixa visível. Mas, embora a ativação do NIR em si seja útil, o que acontece após a explosão inicial de atividade é ainda mais promissor para imagens biomédicas.

“Vimos que o alcance do NIR pode ser dividido em duas zonas principais”, explicou Yao. “Quando a luz NIR atinge essas proteínas pela primeira vez, elas emitem luz na primeira zona, que é de cerca de 700-900 nanômetros. Mas, à medida que decaem, o comprimento de onda aumenta gradualmente, como a cauda de um cometa. É quando eles começam a emitir luz na segunda zona NIR, que é de 900-1300 nanômetros.”

Nesta segunda zona, todos os benefícios do uso do comprimento de onda mais curto, a luz NIR da zona um são aprimorados: a luz pode penetrar no tecido duas vezes mais profundamente, a fluorescência de fundo é significativamente reduzida e a resolução da imagem pode ser duas a três vezes mais clara, permitindo imagens detalhadas de estruturas complexas.

Como prova de conceito, Yao e sua equipe da Duke usaram uma técnica de imagem chamada infravermelho de comprimento de onda curto (SWIR) para testar a eficácia da nova proteína. Este processo envia luz de zona um NIR profundamente no tecido para ativar as proteínas fluorescentes. À medida que as proteínas decaem, elas emitem luz NIR de zona dois que fornece informações sobre a estrutura e composição dos tecidos e células alvo que podem ser traduzidas em imagens de alta resolução.

Depois de introduzir proteínas miRFP718nano projetadas em seus modelos animais, a equipe as usou para capturar imagens de micróbios no trato digestivo de camundongos, visualizar células em uma glândula mamária de camundongos e até rastrear alterações na inflamação em um fígado de camundongo. Todas as imagens capturadas foram mais claras e detalhadas do que as imagens feitas usando uma proteína de imagem de zona um NIR padrão.

Yao e Verkhusha estão otimistas de que sua parceria contínua será uma benção para seu trabalho tanto em imagens biomédicas quanto em engenharia de proteínas. Enquanto Verkhusha continua a refinar e melhorar as proteínas e biossensores fluorescentes, Yao está animado para usar a nova ferramenta para visualizar o cérebro mais de perto e rastrear potencialmente o movimento das células cancerígenas.

“Esta é uma nova frente empolgante de nossa colaboração de uma década, porque podemos usar as ferramentas de imagem para orientar as decisões de engenharia de proteínas e podemos usar a engenharia avançada de proteínas para melhorar os recursos de imagem”, disse Yao.