Quatro membros do corpo docente do MIT estão entre os 23 pesquisadores de renome mundial que receberam as maiores honrarias do país para cientistas e inovadores, anunciou a Casa Branca hoje .

Angela Belcher e Emery Brown receberam a Medalha Nacional de Ciência em uma cerimônia na Casa Branca esta tarde, e Paula Hammond '84, PhD '93, e Feng Zhang receberam a Medalha Nacional de Tecnologia e Inovação.

Belcher, professora James Mason Crafts de Engenharia Biológica e Ciência e Engenharia de Materiais e membro do Instituto Koch de Pesquisa Integrativa do Câncer, foi homenageada por seu trabalho projetando novos materiais para aplicações que incluem células solares, baterias e imagens médicas.

Brown, o Professor Edward Hood Taplin de Engenharia Médica e Neurociência Computacional, foi reconhecido pelo trabalho que revelou como a anestesia afeta o cérebro. Brown também é membro do Picower Institute for Learning and Memory e do Institute for Medical Engineering and Science (IMES) do MIT.

Hammond, professor do Instituto MIT, vice-reitor do corpo docente e membro do Instituto Koch, foi homenageado por desenvolver métodos para montar filmes finos que podem ser usados para administração de medicamentos, cicatrização de feridas e muitas outras aplicações.

Zhang, o James and Patricia Poitras Professor of Neuroscience no MIT e um professor de ciências cerebrais e cognitivas e engenharia biológica, foi reconhecido por seu trabalho desenvolvendo ferramentas moleculares, incluindo o sistema de edição de genoma CRISPR, que tem o potencial de diagnosticar e tratar doenças. Zhang também é um pesquisador no McGovern Institute for Brain Research e um membro principal do Broad Institute do MIT e Harvard.

Dois ex-alunos adicionais do MIT também aceitaram prêmios: Richard Lawrence Edwards '76, graduado do Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias e do Departamento de Arquitetura, que agora é professor na Universidade de Minnesota, recebeu uma Medalha Nacional de Ciência por seu trabalho em geoquímica. E Noubar Afeyan PhD '87, graduado do Departamento de Engenharia Química e atual membro da MIT Corporation, aceitou uma das duas Medalhas Nacionais de Tecnologia e Inovação concedidas a uma organização. Esses prêmios foram para as empresas de biotecnologia Moderna, que Afeyan cofundou junto com o Professor do Instituto Robert Langer, e Pfizer, por seu desenvolvimento de vacinas para a Covid-19.

Este ano, a Casa Branca concedeu a Medalha Nacional de Ciência a 14 recipientes e nomeou nove premiados individuais da Medalha Nacional de Tecnologia e Inovação, juntamente com duas organizações. Até o momento, quase 100 afiliados do MIT ganharam uma dessas duas honrarias.

“Emery Brown está na vanguarda das colaborações do Instituto entre neurociência, medicina e atendimento ao paciente. Sua pesquisa mudou o paradigma do monitoramento cerebral durante anestesia geral para cirurgia. Sua abordagem pioneira baseada em oscilações neurais, em oposição ao monitoramento exclusivo de sinais vitais, promete revolucionar a forma como os medicamentos anestésicos são administrados aos pacientes”, diz Nergis Mavalvala, reitor da Escola de Ciências do MIT. “Feng Zhang é um dos pesquisadores proeminentes em tecnologias CRISPR que aceleraram o ritmo da ciência e da engenharia, misturando empreendedorismo e descoberta científica. Essas novas tecnologias moleculares podem modificar as informações genéticas da célula, projetar veículos para fornecer essas ferramentas às células corretas e dimensionar para restaurar a função dos órgãos. Zhang aplicará essas inovações que alteram a vida a doenças como neurodegeneração, distúrbios imunológicos e envelhecimento.”

Hammond e Belcher são colaboradores frequentes, e cada um deles teve impacto significativo nos campos da nanotecnologia e nanomedicina.

“Angela Belcher e Paula Hammond fizeram contribuições tremendas para a ciência e engenharia, e estou emocionado por cada uma delas receber esse reconhecimento merecido”, diz Anantha Chandrakasan, reitora da Escola de Engenharia e diretora de inovação e estratégia do MIT. “Ao aproveitar os processos da natureza, as inovações de Angela impactaram campos da energia ao meio ambiente e à medicina. Seu sistema de imagem não invasivo melhorou os resultados para pacientes diagnosticados com muitos tipos de câncer. A pesquisa pioneira de Paula em nanotecnologia ajudou a transformar as maneiras pelas quais entregamos e administramos medicamentos dentro do corpo — por meio de sua técnica, os terapêuticos podem ser personalizados e enviados diretamente para células-alvo específicas, incluindo células cancerígenas.”

Belcher, que se juntou ao corpo docente do MIT em 2002 e atuou como chefe do Departamento de Engenharia Biológica de 2019 a 2023, inicialmente ouviu que estava sendo considerada para a Medalha Nacional de Ciências em setembro e, em meados de dezembro, descobriu que havia vencido.

“Foi bem chocante e uma grande honra. É uma honra ser considerada, e então receber o e-mail e a ligação que eu realmente estava recebendo foi uma humilhação”, ela diz.

Belcher, que obteve bacharelado em estudos criativos e doutorado em química inorgânica pela Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, concentrou grande parte de sua pesquisa no desenvolvimento de maneiras de usar sistemas biológicos, como vírus, para cultivar materiais.

“Desde a pós-graduação, sou fascinada em tentar entender como a natureza produz materiais e, então, aplicar esses processos, seja diretamente por meio de moléculas biológicas ou por meio da evolução de moléculas biológicas ou organismos biológicos, para produzir materiais de importância tecnológica”, diz ela.

No início de sua carreira, ela desenvolveu uma técnica para gerar materiais por meio da engenharia de vírus para se automontarem em andaimes em nanoescala que podem ser revestidos com materiais inorgânicos para formar dispositivos funcionais, como  baterias , semicondutores,  células solares e catalisadores. Essa abordagem permite um controle primoroso sobre as propriedades eletrônicas, ópticas e magnéticas do material.

No final dos anos 2000, a então presidente do MIT, Susan Hockfield, pediu a Belcher para se juntar ao recém-formado Instituto Koch, cuja missão é reunir cientistas e engenheiros para buscar novas maneiras de diagnosticar e tratar o câncer. Sem saber muito sobre biologia do câncer, Belcher hesitou no início, mas acabou mudando seu laboratório para o Instituto Koch e aplicando seu trabalho ao novo desafio.

Um de seus primeiros projetos, no qual ela colaborou com Hammond, foi um método para usar luz infravermelha de ondas curtas para obter imagens de células cancerígenas. Essa tecnologia, eventualmente comercializada por uma empresa chamada Cision Vision, agora está sendo usada em hospitais para obter imagens de linfonodos durante cirurgias de câncer, ajudando-os a determinar se um tumor se espalhou.

Belcher agora está focado em encontrar tecnologias para detectar outros tipos de câncer, especialmente o câncer de ovário, que é difícil de diagnosticar em estágios iniciais, bem como no desenvolvimento de vacinas contra o câncer.

Brown, que faz parte do corpo docente do MIT desde 2005, disse que ficou “muito feliz” quando descobriu que receberia a Medalha Nacional de Ciências.

“Estou extremamente animado e honrado em receber tal prêmio, porque é um dos ápices de reconhecimento no campo científico nos Estados Unidos”, diz ele.

Grande parte do trabalho de Brown se concentrou em alcançar uma melhor compreensão do que acontece no cérebro humano sob anestesia. Treinado como anestesiologista, Brown obteve seu MD pela Harvard Medical School e um PhD em estatística pela Harvard University.

Desde 1992, ele é membro do corpo docente da Harvard Medical School e anestesiologista atuante no Massachusetts General Hospital. No início de sua carreira de pesquisa, ele trabalhou no desenvolvimento de métodos para caracterizar as propriedades do relógio circadiano humano. Isso incluía caracterizar a curva de resposta de fase do relógio à luz, medir com precisão seu período intrínseco e medir o impacto de cronogramas projetados fisiologicamente no desempenho do trabalhador em turnos. Mais tarde, ele se interessou em desenvolver métodos de processamento de sinais para caracterizar como os neurônios representam sinais e estímulos em sua atividade de conjunto.

Em colaboração com Matt Wilson, um professor de neurociência do MIT, Brown criou algoritmos para decodificar a posição de um animal em seu ambiente lendo a atividade de um pequeno grupo de neurônios de células de lugar no cérebro do animal. Outras aplicações desses métodos incluíam caracterizar o aprendizado, controlar interfaces cérebro-máquina e controlar estados cerebrais como coma induzido clinicamente.

“Eu estava praticando anestesia na época, e conforme eu via mais e mais o que os neurocientistas estavam fazendo, ocorreu-me que poderíamos usar seus paradigmas para estudar anestesia, e deveríamos, porque não estávamos fazendo isso”, ele diz. “A anestesia não estava sendo vista como uma subdisciplina da neurociência. Era vista como uma subdisciplina da farmacologia.”

Nas últimas duas décadas, o trabalho de Brown revelou como os medicamentos anestésicos induzem a inconsciência no cérebro, juntamente com outros estados alterados de excitação. Os medicamentos anestésicos, como o propofol,  alteram drasticamente as oscilações intrínsecas do cérebro. Essas oscilações podem ser vistas com eletroencefalografia (EEG). Durante o estado de vigília, essas oscilações geralmente têm alta frequência e baixa amplitude, mas, à medida que os medicamentos anestésicos são administrados, eles mudam geralmente para baixa frequência e alta amplitude. Trabalhando com os professores do MIT Earl Miller e Ila Fiete, bem como colaboradores do Massachusetts General Hospital e da Boston University, Brown mostrou que essas mudanças  interrompem a comunicação normal entre diferentes regiões do cérebro, levando à perda de consciência.

Brown também demonstrou que essas oscilações de EEG podem ser usadas para monitorar se um paciente está muito profundamente inconsciente, e ele desenvolveu um sistema de administração de anestesia em circuito fechado que pode manter o estado de anestesia de um paciente em níveis precisamente desejados. Brown e colegas também desenvolveram métodos para acelerar a recuperação da anestesia. Um controle mais preciso e uma recuperação acelerada podem ajudar a prevenir os comprometimentos cognitivos que frequentemente afetam os pacientes depois que eles emergem da anestesia. Acelerar a recuperação da anestesia também sugeriu maneiras de acelerar a recuperação do coma.

Hammond, que obteve seu bacharelado e doutorado em engenharia química pelo MIT, é membro do corpo docente desde 1995 e foi nomeada professora do instituto em 2021. Ela também recebeu o Prêmio Killian do MIT em 2023-24, a maior honraria concedida pelo corpo docente.

No início de sua carreira, Hammond desenvolveu uma nova técnica para gerar materiais de película fina funcionais empilhando camadas de materiais poliméricos carregados. Essa abordagem pode ser usada para construir polímeros com arquiteturas altamente controladas expondo alternadamente uma superfície a partículas carregadas positiva e negativamente.

Ela inicialmente usou essa técnica de montagem camada por camada para construir baterias ultrafinas e eletrodos de células de combustível, antes de voltar sua atenção para aplicações biomédicas. Para adaptar os filmes para administração de medicamentos, ela criou maneiras de incorporar moléculas de medicamentos nas camadas do filme. Essas moléculas são então liberadas quando as partículas atingem seus alvos.

“Começamos a olhar para materiais bioativos e como poderíamos intercalá-los nessas camadas e usar isso como uma maneira de administrar o medicamento de forma muito controlada, na hora certa e no lugar certo”, ela diz. “Estamos usando a estratificação como uma maneira de modificar a superfície de uma nanopartícula para que haja uma afinidade muito alta e seletiva para as células cancerígenas que estamos alvejando.”

Usando essa técnica, ela criou  nanopartículas de administração de medicamentos que são revestidas com moléculas que visam especificamente células cancerígenas, com foco particular no câncer de ovário. Essas partículas podem ser adaptadas para transportar medicamentos de quimioterapia, como cisplatina, agentes de imunoterapia ou ácidos nucleicos, como RNA mensageiro.

Trabalhando com colegas do MIT, ela também desenvolveu materiais que podem ser usados para promover a cicatrização de feridas,  a coagulação sanguínea e a regeneração de tecidos.

“O que descobrimos é que essas camadas são muito versáteis. Elas podem revestir uma gama muito ampla de substratos, e esses substratos podem ser qualquer coisa, desde um implante ósseo, que pode ser bem grande, até uma nanopartícula, que tem 100 nanômetros”, ela diz.

Zhang, que se graduou na Universidade Harvard em 2004, contribuiu para o desenvolvimento de múltiplas ferramentas moleculares para acelerar a compreensão de doenças humanas. Enquanto estudante de pós-graduação na Universidade Stanford, onde recebeu seu PhD em 2009, Zhang trabalhou no laboratório do Professor Karl Deisseroth. Lá, ele trabalhou em uma proteína chamada channelrodopsina, que ele e Deisseroth acreditavam ter potencial para engenharia de células de mamíferos para responder à luz.

A técnica resultante, conhecida como optogenética, é agora amplamente usada em neurociência e outros campos. Ao projetar neurônios para expressar proteínas sensíveis à luz, como a canalrodopsina, os pesquisadores podem estimular ou silenciar os impulsos elétricos das células ao lançar diferentes comprimentos de onda de luz sobre elas. Isso permitiu um estudo detalhado dos papéis de populações específicas de neurônios no cérebro e o mapeamento de circuitos neurais que controlam uma variedade de comportamentos.

Em 2011, cerca de um mês após ingressar no corpo docente do MIT, Zhang assistiu a uma palestra do professor da Harvard Medical School Michael Gilmore, que estuda a bactéria patogênica Enteroccocus . O cientista mencionou que essas bactérias se protegem de vírus com enzimas de corte de DNA conhecidas como nucleases, que fazem parte de um sistema de defesa conhecido como CRISPR.

“Eu não tinha ideia do que era CRISPR, mas estava interessado em nucleases”, Zhang disse ao MIT News em 2016. “Fui pesquisar sobre CRISPR e foi quando percebi que você poderia projetá-lo para uso na edição de genoma.”

Em janeiro de 2013, Zhang e membros de seu laboratório relataram que usaram com sucesso o CRISPR para editar genes em células de mamíferos. O sistema CRISPR inclui uma nuclease chamada Cas9, que pode ser direcionada para cortar um alvo genético específico por moléculas de RNA conhecidas como fios guia.

Desde então, cientistas em áreas que vão da medicina à biologia vegetal têm usado o CRISPR para estudar a função genética e investigar a possibilidade de corrigir genes defeituosos que causam doenças. Mais recentemente, o laboratório de Zhang criou muitas melhorias no sistema CRISPR original, como tornar o direcionamento mais preciso e evitar cortes não intencionais em locais errados.

A Medalha Nacional de Ciência foi criada em 1959 e é administrada para a Casa Branca pela National Science Foundation. A medalha reconhece indivíduos que fizeram contribuições excepcionais à ciência e à engenharia.

A Medalha Nacional de Tecnologia e Inovação foi criada em 1980 e é administrada para a Casa Branca pelo Escritório de Patentes e Marcas do Departamento de Comércio dos EUA. O prêmio reconhece aqueles que fizeram contribuições duradouras para a competitividade e qualidade de vida da América e ajudaram a fortalecer a força de trabalho tecnológica da nação.