Track molecular | Revisão de Tecnologia do MIT

bioquímico do ensino médio

Desde jovem, Sikes olhava para o mundo com uma curiosidade insaciável sobre como as coisas funcionavam. Ela coletava e observava tudo, de pedras a cobras. “European enlouqueci meus professores do ensino elementary”, diz ela.

No ensino médio, ela já estava projetando experimentos para medir as reações químicas na natureza, incluindo um estudo toxicológico dos efeitos da cafeína em ouriços-do-mar. Ela esperava persuadir seu pai — ele próprio um cientista — a moderar seu hábito de tomar café. Embora o experimento não tenha tido sucesso a esse respeito, plantou uma semente para algo maior. Sikes estava percebendo como a pesquisa química poderia promover a boa saúde e beneficiar a sociedade.

Embora seus estudos de graduação em Tulane se concentrassem em físico-química, Sikes acabou voltando para suas primeiras pesquisas bioquímicas. Em Stanford, onde obteve seu doutorado, ela começou a estudar mecanismos redox, particularmente como certos agentes oxidantes puxam elétrons de outras moléculas. E ela se interessou pelo estresse oxidativo, que ocorre quando os radicais livres no corpo – moléculas altamente reativas sem um ou mais elétrons que oxidam prontamente outras substâncias – superam os antioxidantes que as células normalmente produzem para neutralizá-los. Isso pode causar uma variedade de problemas de saúde.

Em explicit, o câncer é caracterizado por níveis mais altos do que o standard de radicais livres chamados espécies reativas de oxigênio (ROS). Na atividade metabólica standard, as moléculas de ROS promovem a regeneração celular e a expressão gênica. Mas a produção elevada de ROS pode prejudicar as células normais e facilitar o crescimento do tumor.

Como bioquímico, Sikes ficou fascinado com a perspectiva de detectar e manipular essas mudanças, que os médicos lutaram para medir com precisão em células cancerígenas. Para ver o que estava acontecendo dentro dos tumores, ela precisava ver quando as células estavam oxidadas; ela se voltou para proteínas fluorescentes que emitem luz em diferentes comprimentos de onda. “Para detectar essas reações redox, usamos química que é desencadeada pela luz”, diz Sikes.

Foi apenas um pequeno passo para traduzir isso em potencial terapêutico. Se os médicos puderem entender a atividade redox actual subjacente a um tumor, poderão prever melhor como a quimioterapia interromperá essa atividade – e permitirá que as células normais recuperem o controle.

Caso contrário, eles continuarão atirando no escuro. Sikes teve uma visão de iluminar sua busca – literalmente.

Sensores em funcionamento

Usando seus sensores, os pesquisadores poderiam medir quando, onde e quanto os tumores estão sofrendo oxidação – simplesmente acendendo-os. Os sensores fluorescentes também podem esclarecer o mecanismo de ação de várias terapêuticas, ajudando os médicos a selecionar as melhores para cada paciente.

Desde 2018, a equipe de Sikes colabora com o patologista da Tufts, Arthur Tischler, para usar seus biossensores para obter informações sobre a química redox por trás de vários tipos de câncer. Em um papel publicado em 2020, eles exploraram a patologia de tumores deficientes em succinato desidrogenase (SDH), uma enzima metabólica the most important e um inibidor da produção de ROS. Baixos níveis de SDH têm sido associados a cânceres que são raros e difíceis de tratar.

Ao reengenharia de processos bioquímicos, ela pode medir a química distinta por trás da produção de anticorpos, desenvolvimento de tumores e praticamente todos os aspectos da doença humana.

Usando os mesmos biossensores, Sikes e sua equipe se tornaram os primeiros a se concentrar em quimioterapias que induzem um único agente oxidante: o peróxido de hidrogênio. Em um papel publicado na Mobile Chemical Biology, eles descrevem como criaram um sensor projetado especificamente para detectar concentrações aumentadas de peróxido de hidrogênio, que podem matar seletivamente as células cancerígenas. A equipe examinou 600 moléculas como potenciais terapêuticos, identificando quatro que aumentaram o peróxido de hidrogênio nas amostras de tumor.

A conquista da equipe facilitará os ensaios clínicos de novos produtos farmacêuticos. O próximo passo, idealmente, é usar esses sensores fluorescentes para avaliar os efeitos dessas terapêuticas em tumores derivados de pacientes.

Diagnóstico de detecção rápida

Sikes percebeu que sua técnica também poderia detectar patógenos – incluindo SARS-CoV-2, o novo coronavírus que causa a covid-19.

Para fazer tal detector, Sikes precisava de proteínas de anticorpos que reagissem com as proteínas distintas do vírus. Mas essas proteínas reativas não existiam. Então ela decidiu criá-los.

Em sua pesquisa de pós-doutorado, Sikes trabalhou com a engenheira química da Caltech e ganhadora do Prêmio Nobel de 2018 Frances Arnold, pioneira na criação de novas proteínas com propriedades desejáveis.

O laboratório de Sikes agora cria proteínas que se prendem às dobras distintas nas proteínas características de vários patógenos. As proteínas projetadas emitem diferentes comprimentos de onda, dependendo de como se ligam ao subject matter do vírus ou da bactéria.

Com base nesta tecnologia inovadora, a Sikes desenvolveu testes de diagnóstico rápido que incorporam um conjunto de reagentes que detectam uma espécie e excluem as outras, para que os profissionais de saúde possam diagnosticar de forma mais rápida e precisa as doenças infecciosas. Seu laboratório se concentra em reagentes de engenharia que podem identificar coronavírus, vírus sincicial respiratório (RSV) e outras causas de doenças respiratórias; bactérias que afetam a segurança alimentar (particularmente Listeria e E. coli); e eucariotos parasitas como Plasmodiumque causa a malária.

Os alunos e pós-doutorandos de Sikes em seu laboratório em Cingapura agora estão desenvolvendo testes que avaliam a imunidade contra diferentes variantes da covid-19 como parte de um projeto de pesquisa acelerado. Como em seus outros estudos, proteínas especialmente projetadas reagirão de maneira única com o repertório de anticorpos de cada pessoa – permitindo que a equipe entenda melhor a extensão e a durabilidade da imunidade à covid em um nível particular person.

O esforço de Sikes para salvar vidas com a tecnologia emergente de biossensores é apenas parte de sua missão de usar a pesquisa química para o benefício da sociedade. Ela aceitou sua posição no MIT em 2009 em grande parte por causa de sua reputação de pesquisa que poderia ser aplicada para resolver problemas sociais. E para avançar ainda mais nessa missão, ela valoriza suas oportunidades de orientar aspirantes a cientistas.

Todo verão, o MIT aceita pesquisadores iniciantes de áreas e escolas historicamente sub-representadas. No verão passado, Sikes orientou alunos do Spelman School, Morehouse School e da Universidade de Porto Rico-Mayagüez. O programa oferece oportunidades práticas para fazer pesquisas e construir conexões com a rede de cientistas do Instituto. Como parte de um programa de intercâmbio do MIT, Sikes também orienta alunos de graduação no Imperial School London.

Para Sikes, este é o epítome do que a educação científica deveria ser. “Provavelmente aprendo tanto com eles quanto eles aprendem comigo”, diz ela. “European realmente vejo isso como uma colaboração. Faço isso há 20 anos… mas todos esses alunos e pós-doutorandos vêm com suas próprias origens, experiências e maneiras de ver as coisas. Muitas vezes, eles têm ideias ou hipóteses que não me ocorreriam.”

Redox para o resgate

Os mistérios que Sikes persegue desde a infância se resumem à medição: quais reações invisíveis impulsionam os fenômenos da superfície?

Hoje, por meio da reengenharia de processos bioquímicos, ela pode medir a química distinta por trás da produção de anticorpos, desenvolvimento de tumores e praticamente todos os aspectos da doença humana. Nos próximos anos, ela espera finalizar as proteínas do biossensor e colocá-las no mercado, capacitando outros pesquisadores a melhorar os resultados dos pacientes e mitigar a próxima pandemia.

Isso não quer dizer que a curiosidade de toda a vida de Sikes foi saciada. Sempre há mais perguntas a serem feitas. “Espero que daqui a ten anos estejamos fazendo algo totalmente diferente que nem consigo imaginar agora”, diz ela.