Una nueva era del hielo: Microscopía de Cryo-Electron
Tres científicos, los Dres. Jacques Dubochet, Joachim Frank y Richard Henderson, fueron galardonados con el premio Nobel de Química por sus desarrollos dentro de la Microscopía de Cryo-Electron (Cryo-EM). El grupo de trabajo de la sección Microscopía Electrónica del IHEM, explica de qué se trata esta técnica y cuáles son sus alcances.
Durante muchos años se pensó que los microscopios electrónicos solo podían analizar material muerto o inerte, porque su haz de electrones destruye el material biológico. Sin embargo, los tres biofísicos galardonados este año con el Premio Nobel de Química, desarrollaron una innovadora técnica que permite determinar la estructura de biomoléculas con una alta resolución, la Cryo-EM. Es así, que la Real Academia de las Ciencias de Suecia ha determinado que esta técnica es esencial para el entendimiento básico de la química de la vida y el desarrollo de fármacos en medicina.
La Cryo-EM consiste en la vitrificación de una muestra, en la cual la solución de la proteína se enfría tan rápidamente que las moléculas de agua no tienen tiempo de cristalizar, formando un sólido amorfo que hace poco o ningún daño a la estructura de la muestra. La muestra se examina entonces para determinar la concentración, distribución y orientación de las partículas. Luego, se adquiere una serie de imágenes bidimensionales de forma computacional. Finalmente, los datos son procesados por un software de reconstrucción, produciendo los modelos tridimensionales exactos, detallados de estructuras biológicas intrincadas en las escalas subcelulares y moleculares. Estos modelos pueden revelar interacciones que eran imposibles de visualizar previamente, lo cual transforma a esta técnica en revolucionaria.
El Premio Nobel de Química 2017 fue otorgado a tres investigadores que habían pasado décadas desarrollando cryo-EM:
– En 1975, Joachim Frank comenzó a trabajar en los algoritmos que analizarían las imágenes 2D difusas y las reconstruirían en estructuras 3D agudas.
– A principios de los años 80, Jacques Dubochet consiguió vitrificar el agua, lo que permitió que las biomoléculas conservasen su forma en el vacío.
– En 1990, Richard Henderson fue el primero en utilizar un microscopio electrónico para generar una imagen 3D de una proteína a resolución atómica.
Una de las mayores ventajas del cryo-EM, en relación con las técnicas convencionales de biología estructural, es su capacidad para analizar estructuras grandes, complejas y flexibles. De este modo, la Cryo-EM ha permitido a los investigadores:
-Definir las primeras estructuras de proteínas mutadas para la ataxia telangiectasia humana (ATM). El ATM es una proteína clave en la respuesta al daño del ADN y un objetivo terapéutico principal en la investigación del Cáncer. La investigación podría resultar invaluable en el desarrollo de nuevos medicamentos contra el Cáncer.
-Determinar la estructura compleja ternaria del receptor de calcitonina para un receptor acoplado a proteína G de clase B (GPCR), un importante complejo proteico de membrana que ha sido difícil de analizar por otros medios.
-Resolver más claramente la estructura de varios virus, incluyendo el VIH, Zika, Ebola y el rinovirus C.
Desde la sección de microscopia electrónica del IHEM consideramos que la Cryo-EM se posiciona cada vez más como una solución clave dentro de la biología estructural. Cryo-EM es capaz de generar rápidamente modelos de alta resolución de pequeños y grandes complejos de proteínas, sin tener que cristalizar primero la proteína. Además estas mejoras técnicas han desencadenado una “revolución de resolución” en el dominio del análisis de partículas individuales (SPA), y han permitido que la técnica logre rutinariamente imágenes de resolución sub-nanométrica de proteínas. Estos avances tienen el potencial de abrir una amplia gama de importantes problemas biológicos que han permanecido fuera del alcance con las técnicas tradicionales. En los próximos meses nuestro Instituto adquirirá un microscopio electrónico de trasmisión de última generación con la capacidad de poder incorporar esta técnica, esperamos prontamente contar con dicha tecnología para que las líneas de investigación de nuestro Instituto puedan generar avances significativos en la ciencia.
Felicitaciones a los ganadores del Premio Nobel 2017 de Química.
Enlaces de interés para profundizar sobre el tema:
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/press.html
Por: Sección Microscopia Electrónica del IHEM (CONICET – UNCuyo)
Dr. Claudio Fader Kaiser – Investigador Adjunto CONICET
Ing. Norberto Domizio – Profesional Principal CONICET
Ing. Elisa Bocanegra – Profesional Principal CONICET
