Às 2 da manhã de uma noite de abril do ano passado, Michael Schoof verificou três vezes os números em sua tela, respirou fundo e disparou um e-mail que havia esperado o dia todo para enviar.
“Acho que está funcionando” foi a formulação cautelosa de sua mensagem.
Schoof, um estudante de graduação no laboratório de Peter Walter, Ph.D., um renomado cientista especializado em classificação de proteínas e membranas celulares, fazia parte de uma pequena equipe em uma missão quixótica: imobilizar o SARS-CoV-2, o novo coronavírus que causa COVID, usando uma versão sintética de minúsculos anticorpos originalmente descobertos em lhamas e camelos. Esses “nanocorpos”, como são conhecidos, vieram do laboratório de Aashish Manglik, MD, Ph.D., da UC San Francisco, um cientista de proteínas que passou os três anos anteriores construindo uma vasta biblioteca de nanocorpos e desenvolver novas maneiras de explorar suas propriedades incomuns.
Durante o mês anterior, Schoof passou a maior parte de suas horas de vigília enclausurado no complexo de laboratório vazio do campus de Mission Bay da UCSF. Foi o auge do pico da COVID, e apenas o pessoal de saúde e aqueles que trabalham com ciência relacionada à pandemia tiveram permissão para entrar nas instalações da Universidade. Schoof havia convencido seu colega de quarto, um colega de pós-graduação chamado Reuben Saunders, a trabalhar com ele no projeto. Eles examinaram os 2 bilhões de nanocorpos na biblioteca de Manglik na esperança de identificar uma molécula capaz de se aglutinar no mortal SARS-CoV-2 e imobilizá-lo. Agora, finalmente, Schoof estava convencido de que havia alcançado seu primeiro grande avanço.
O primeiro passo em qualquer infecção viral é o sequestro celular. Para obter o controle de uma célula humana, o SARS-CoV-2 prende os espinhos semelhantes a ganchos em seu próprio exterior a proteínas chamadas receptores ACE2 no exterior de uma célula-alvo. Mas e se, os pesquisadores se perguntaram, eles pudessem bloquear o sequestrador dando aos ganchos outra coisa para se agarrar?
Naquele dia, Schoof havia começado a fazer testes em centenas de colônias de levedura, cada uma projetada para produzir certos nanocorpos da biblioteca de Manglik. Todos esses nanocorpos em particular demonstraram capacidade de se prender aos picos do SARS-CoV-2. Agora era hora de fazer as perguntas-chave: com que força esses nanocorpos estavam ligados às pontas? Eles foram capazes de competir com os receptores ACE2?
Para descobrir, Schoof tinha misturado suas células de levedura que expressam nanocorpos com spikes fluorescentes SARS-CoV-2. Quando ele olhou para os resultados das duas primeiras placas, ele observou uma onda de excitação, que rapidamente temperou com o ceticismo científico que aprendera a cultivar. Alguns dos nanocorpos estavam aderindo aos picos de SARS-CoV-2, mas ainda podiam ser empurrados para o lado por um excesso de receptores ACE2 humanos: evidência clara de um neutralizador potencial.
“Aquilo”, lembra ele, “foi quando sabíamos que tínhamos algo.”
Nos dias que se seguiram ao e-mail circunspecto de Schoof tarde da noite, Walter e Manglik grampearam suas respectivas redes de contatos científicos, chamando reforços de laboratórios de todo o campus e de lugares distantes como Paris para ajudar na próxima fase de sua busca. Logo, a pequena equipe havia se transformado em um verdadeiro exército de pesquisadores interdisciplinares e estudantes de pós-graduação. Em novembro, eles publicaram seus resultados na prestigiosa revista Science. No artigo, quase 60 coautores descreveram uma contramedida inovadora e ousada de COVID, propondo que seus nanocorpos poderiam ser usados em um spray nasal barato e fácil de transportar, capaz de neutralizar a SARS-CoV-2. Entre eles, eles apelidaram as moléculas de AeroNabs.
Desde então, a equipe da UCSF tem procurado um parceiro da indústria disposto a financiar o custoso e rigoroso processo de teste clínico, mas atualmente as empresas farmacêuticas estão focadas no desenvolvimento de vacinas para prevenção e anticorpos mais tradicionais para tratamento.
Mas a abordagem dos nanocorpos é promissora. Devido à estrutura simples dos nanocorpos, os AeroNabs podem ser muito mais baratos e rápidos de produzir em massa, muito mais fáceis de transportar e de armazenar do que os anticorpos tradicionais atualmente em uso e em desenvolvimento.
“Isso é algo que você pode tomar depois de um teste positivo que pode diminuir sua carga viral imediatamente”, diz Walter. “Portanto, suas chances de desenvolver doenças graves seriam reduzidas com este tratamento.”
Ele também observa que a vacinação em massa levará tempo e que nem todos na população podem ou serão vacinados, tornando a proteção passiva ainda incrivelmente valiosa. “E”, acrescenta, “não sabemos quão amplamente a vacina estará disponível além dos países mais ricos do mundo.”
Dupla dinamica
As sementes do projeto AeroNabs foram plantadas em 2017, quando Walter ouviu Manglik fazer uma palestra sobre seu trabalho.
Nascido na Índia, Manglik passou seus primeiros oito anos na Arábia Saudita antes de sua família imigrar para Des Moines, Iowa, onde ele descobriu a ciência na faculdade. O Walter de 60 e poucos anos, por outro lado, nasceu e cresceu na Alemanha, foi para os EUA para seu trabalho de pós-graduação e traçou uma carreira lendária. Suas muitas homenagens incluem o prestigioso Prêmio Lasker, muitas vezes visto como o precursor de um Prêmio Nobel. Mas, apesar de suas diferenças, Walter e Manglik compartilham uma paixão profunda pela biologia molecular e seus blocos de construção orgânicos infinitamente flexíveis: as proteínas.
A palestra de Manglik naquele dia foi sobre seu esforço para montar uma das maiores bibliotecas de nanocorpos do mundo – um tipo de anticorpo promissor e relativamente novo derivado do sangue de lhamas, camelos e outros animais da família dos camelídeos. Ele aprendera sobre nanocorpos na faculdade de Stanford, depois de se apaixonar pelo estudo dos receptores, uma ampla família de proteínas envolvidas na sinalização intercelular. Os receptores saem das células como antenas, cada uma respondendo a um sinal químico específico. Ao estudar os receptores de adrenalina humanos, Manglik fez uso extensivo de nanocorpos, que, graças ao seu tamanho minúsculo, podem interagir com os receptores com muito mais precisão do que os anticorpos feitos sob medida que ele estava usando para explorar as propriedades dos receptores. Seus experimentos revelaram como diferentes configurações geométricas de receptores influenciam seu comportamento de sinalização.
“As proteínas não são apenas Legos simples que se encaixam – são como Legos feitos de gelatina ou massa de vidraceiro”, explica Manglik. “Eles estão em constante movimento. Na verdade, é o movimento de uma proteína que realmente importa para o modo como funciona. E os nanocorpos podem nos ajudar a controlar esse movimento.”
Nanocorpos: uma bênção para a ciência
Os nanocorpos foram descobertos no final dos anos 1980 por dois alunos de graduação da Universidade Livre de Bruxelas, depois que eles abordaram o famoso professor de biologia, um imunologista chamado Raymond Hamers, para reclamar de uma tarefa. A história obscureceu o motivo de sua reclamação; um relato amplamente citado afirma que os alunos estavam preocupados que a tarefa, que exigia que eles analisassem os anticorpos no sangue humano, pudesse infectá-los com uma doença. Outra versão afirma que os alunos acharam o experimento enfadonho e pediram ao professor que lhes atribuísse algo mais original.
Seja qual for a verdade, ninguém contesta o que aconteceu a seguir. Remexendo em uma geladeira de laboratório, Hamers encontrou um frasco de soro de camelo dromedário congelado infectado com parasitas que podem causar a doença do sono africana. Ele o deu aos alunos e sugeriu que isolassem os anticorpos no sangue do camelo para ver como eram. Quando os alunos purificaram o sangue, descobriram algo incrível.
Além dos anticorpos padrão encontrados em todos os vertebrados, as amostras purificadas continham um anticorpo derivado nunca antes visto na ciência – proteínas menores e mais simples, que os alunos inicialmente confundiram com fragmentos de anticorpos convencionais. Um exame posterior revelou que eles são uma classe inteiramente nova de agentes imunológicos, sem uma das cadeias de proteínas encontradas em todos os outros anticorpos previamente estudados.
A descoberta levou a um artigo inovador de 1993 na prestigiosa revista Nature. Hamers e seus alunos apelidaram os novos nanocorpos de proteínas diminutas. Anticorpos semelhantes de cadeia única foram identificados posteriormente em lhamas, alpacas, guanacos (outro mamífero sul-americano de pescoço longo) e até mesmo em tubarões.
Logo ficou claro não apenas que os nanocorpos eram úteis imunologicamente, mas que seu pequeno tamanho os tornava ferramentas experimentais úteis – como Manglik e seus colegas da UCSF podem confirmar amplamente.
Estudar como esses blocos de construção gelatinosos de nível molecular se movem, se encaixam e se desprendem e interagem se tornou o foco de Manglik quando ele se juntou ao corpo docente da UCSF. Ele sabia desde o início que os nanocorpos seriam uma grande parte de seu trabalho. Embora existam anticorpos e nanocorpos para ajudar os animais a combater infecções, Manglik também os vê como uma ferramenta infinitamente maleável que pode ser usada para invadir uma ampla gama de processos no corpo humano, bem como decodificar mistérios científicos básicos. Mas os nanocorpos eram demorados para fazer e exigiam acesso aos camelídeos. Como estudante de graduação, Manglik contava com um colaborador na Bélgica que injetaria uma proteína receptora de interesse em uma lhama e, em seguida, coletaria os nanocorpos do sangue do animal. Todo o processo levou meses de um trabalho muito especializado, que apenas alguns grupos tinham capacidade para fazer.
Para democratizar o acesso a nanocorpos para pesquisadores em todos os lugares, Manglik se juntou a Andrew Kruse, Ph.D., um amigo próximo da pós-graduação que ingressou no corpo docente da Harvard Medical School. Juntos, os dois laboratórios criaram trilhões de sequências de DNA que codificam nanocorpos, cada uma inspirada nos nanocorpos normalmente encontrados dentro de lhamas. As sequências de DNA para esses nanocorpos estão alojadas em um vasto pool de bilhões de células de levedura diminutas, cada uma das quais pode ser induzida a colocar uma cópia de um nanocorpo individual em sua superfície. Ignorando completamente a necessidade de uma lhama viva, essa biblioteca dá aos pesquisadores acesso a células de levedura contendo nanocorpos específicos para qualquer tarefa. Manglik e Kruse compartilharam abertamente suas bibliotecas com centenas de laboratórios em todo o mundo.
“A ideia é que, em um animal, existem trilhões de nanocorpos diferentes para lutar contra qualquer coisa que possa encontrar”, diz ele. “Queríamos fazer uma biblioteca que codificasse bilhões de nanocorpos individuais. Essa biblioteca seria um ótimo ponto de partida para encontrar um nanocorpo contra basicamente qualquer coisa – tudo no laboratório e sem a necessidade de injetar um animal.”
Depois de ouvir Manglik explicar tudo isso, Walter conduziu seu aluno Michael Schoof ao laboratório de Manglik. Schoof estava tentando modular o comportamento de uma proteína relacionada a lesão cerebral traumática, e Walter suspeitou que os nanocorpos de Manglik poderiam ser úteis nesse esforço.
Então o coronavírus atingiu, o mundo parou e quase todas as atividades não relacionadas ao COVID na Universidade foram encerradas.
“Então, naquele ponto, dissemos: ‘Bem, podemos sentar em casa agora, ou podemos pensar em como podemos realmente ajudar neste esforço por uma solução'”, lembra Walter.
Em poucos dias, Walter e Schoof estavam em contato por e-mail com Manglik. Eles conheciam as propriedades de combate a doenças dos nanocorpos. Uma tecnologia de nanocorpo ganhou recentemente a aprovação do FDA para tratar um distúrbio de coagulação do sangue, e outra, usada para tratar um vírus respiratório, atingiu o estágio final de testes clínicos.
Seria possível construir um para combater o coronavírus?
Um resultado incrível
Desde o início, a equipe sabia, o sucesso do projeto dependeria de sua capacidade de encontrar um nanocorpo com afinidade de ligação suficiente – a capacidade de prender e usar uma camisa de força nas pontas do coronavírus.
As proteínas têm formas específicas. O quão bem duas proteínas se encaixam determina sua afinidade de ligação. Walter e Manglik sabiam que a afinidade de ligação que faz com que o SARS-CoV-2 adira às proteínas ACE2 poderia, teoricamente, ser superada por um nanocorpo moldado da maneira certa.
Manglik já tinha um ingrediente chave para tal experimento. Pesquisadores da Universidade do Texas (UT) em Austin revelaram recentemente a estrutura única dos picos de SARS-CoV-2 que permitiam ao vírus se ligar aos receptores ACE2 das células humanas. Manglik entrou em contato com Jason McLellan, Ph.D. da UT, que concordou em enviar a ele seu “constructo” – um pedaço de codificação de DNA para os picos que poderiam ser inseridos em outra célula, expressos em grandes quantidades, purificados e usados para experimentos.
A equipe começou a examinar os 2 bilhões de nanocorpos na biblioteca para ver se eles poderiam encontrar compostos com a afinidade de ligação certa para os picos de SARS-CoV-2. Em três semanas, eles identificaram 800 candidatos em potencial e, uma semana depois, Schoof escreveu seu cauteloso e-mail noturno informando Manglik e Walter que vira alguns resultados positivos iniciais. No final de abril, a equipe identificou 21 nanocorpos distintos que pareciam competir com o receptor ACE2, teoricamente bloqueando o mecanismo de fixação do SARS-CoV-2.
Foi quando a pequena equipe começou a aumentar, recrutando biólogos estruturais para determinar como os nanocorpos se ligavam à proteína de pico SARS-CoV-2 e, em seguida, usando essa informação para projetar modificações para torná-los ainda mais poderosos.
Isso exigiu a purificação de 21 proteínas candidatas, testando sua ligação e, em seguida, usando as instalações de microscopia crioeletrônica da UCSF para obter imagens em resolução quase atômica dos candidatos mais promissores, enquanto eles estavam ligados ao pico SARS-CoV-2. Para completar esta tarefa monumental, eles uniram forças com um esforço paralelo conhecido como QCRG Structural Biology Consortium – um processo semelhante a uma linha de montagem reunido por 12 membros do corpo docente da UCSF e mais de 60 trainees para lidar com o SARS-CoV-2. O esforço foi alimentado por um senso de urgência, e os participantes trabalharam por horas extenuantes até tarde da noite.
Assim que a equipe obteve imagens dos principais nanocorpos ligados ao pico SARS-CoV-2, eles começaram a examinar o mecanismo de ligação exclusivo de cada nanocorpo e usar essa informação para projetar uma versão de próxima geração. Eles decidiram construir um nanocorpo de três braços consistindo de três cópias de um único nanocorpo costurado para que pudesse se ligar simultaneamente aos três braços separados que compõem cada pico do coronavírus.
Depois de costurar os nanocorpos e testá-los, Bryan Faust, um estudante graduado no laboratório de Manglik, apresentou a próxima descoberta empolgante: cada um dos três braços aumentava a ligação de seus vizinhos de forma exponencial. A capacidade da versão aprimorada de se ligar aos picos virais aumentou duzentas mil vezes.
“Este foi um resultado incrível – ver essa enorme ordem de melhoria”, lembra Walter. “Foi um momento de celebração absoluta.”
Para testar o composto contra um vírus vivo, a equipe precisava de um laboratório com uma designação de Nível de Biossegurança 3 (BSL-3). O grupo recrutou Marco Vignuzzi, Ph.D., um ex-pós-doutorado da UCSF que dirige um laboratório BSL-3 no Institut Pasteur em Paris. Em junho, um dos pós-docs de Vignuzzi estava executando o nanocorpo UCSF contra o verdadeiro SARS-CoV-2 para ver se ele era capaz de neutralizar o vírus.
O resultado final foi altamente eficaz e estável – tão estável que pode ser fornecido na forma de aerossol usando um nebulizador de malha que Manglik comprou na Amazon.
Com o laser da Big Pharma focado no desenvolvimento de vacinas e anticorpos tradicionais, encontrar um caminho rápido para a comercialização se mostrou um desafio. Mas Manglik, Walter e sua equipe não se intimidam.
“É quase certo que haverá mais pandemias respiratórias em nossa vida”, diz Manglik. “Pode ser gripe, pandemia de anteras SARS ou algum patógeno que nem conhecemos ainda. Para a próxima pandemia, a esperança é que os pesquisadores possam ir não apenas tão rápido quanto nós, mas talvez ainda mais rápido.”
Sem dúvida, seria difícil encontrar um testamento mais potente da deliciosa imprevisibilidade e potencial da ciência moderna – que uma pandemia que causou solidão, sofrimento e morte também deu origem a esta tripulação eclética e sua solução potencialmente salva-vidas que apenas um alguns anos atrás, pode ter parecido absurdo.
“É apenas uma daquelas coisas em que você diz: ‘Queremos partir nessa aventura'”, diz Walter. “Nós nos comprometemos com isso, e então funcionou muito melhor do que poderíamos ter sonhado.”
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