Observats per primera vegada àtoms individuals

Clic per engrandir. La molècula d’apoferritina vista a la crio-microscòpia d’electrons.

Gràcies a la crio-microscòpia d’electrons (cryo-ME) i al software avançat de millora d’imatges, dos equips d’investigadors van aconseguir observar els àtoms d’una proteïna amb un nivell de detall inigualable. Així van poder observar estructures noves de les molècules, obrint el camí cap al disseny de fàrmacs dirigits.

Mai abans s’havia observat una proteïna amb tal detall. Dos equips d'investigadors de l'Institut Max-Planck de Biofísica Química a Göttingen (Alemanya) i del Laboratori de Biologia Molecular de la  Medical Research Council (MRC-LMB) a Cambridge (Regne Unit) van ser capaços de discernir àtoms individualment en una proteïna amb una precisió d’uns 1,25 angstroms (0,125  nanòmetres).

"Aquest és un pas decisiu: hem creuat l'última barrera de resolució", va dir Holger Stark, investigador del Max Planck Institute i autor principal d'un dels dos estudis que descriuen la proesa i tots dos disponibles online al lloc de publicació prèvia de BioRxiv".  Era com si ens haguéssim tret la pols dels ulls", va afegir el seu company Radu Aricescu, del MRC-LMB.

La crio-ME, una tècnica que va revolucionar la visió del infinitament petit

Una gesta aconseguida gràcies a la microscòpia crio-electrònica (crio-ME) inventada a la dècada de 1990 i per la qual el suís Jacques Dubochet, el britànic Richard Henderson i el nord-americà Joachim Frank van rebre el premi Nobel de química el 2017. La crio-EM s'ha millorat constantment gràcies al desenvolupament de nanotecnologia i software per a anàlisi d'imatges. Per exemple, va revelar l’estructura del virus Zika el 2016, o la del dengue.

Els investigadors de Max-Planck i de MRC-LMB van fer l’últim pas en aquesta millora aconseguint el nivell atòmic. Van treballar amb l’apoferritina, una proteïna que emmagatzema ferro i que té una estabilitat excel·lent similar a la de la roca. Utilitzant diversos mètodes, inclòs un instrument que garanteix la velocitat igual dels electrons i el programari de reducció de soroll, van aconseguir obtenir una imatge molt completa: "Podríem detectar els àtoms d'hidrogen individualment, tant en proteïnes i a les molècules d’aigua que l’envolten”, explica al lloc web de Nature Sjors Scheres, biòleg de MRC-LMB. El mapa de la proteïna, reconstruïda a partir d'un milió d'imatges, ofereix així una resolució de 1,25 angstroms, enfront dels 1,54 angstroms del registre anterior. La diferència sembla a priori mínima, però a aquesta escala, "cada mig angstrom obre la porta a un univers sencer", insisteix Radu Aricescu.

Clic per engrandir. Resolució a nivell atòmic de l’apoferritina mitjançant crio-ME. © Sjors Scheres

Una mina d'or per al disseny de fàrmacs sense efectes secundaris

Els investigadors també van provar el seu mètode en una molècula anomenada receptor Gaba (A), que es troba a la membrana de les neurones i consisteix en unitats glicoproteiques. Aquest receptor és l’objectiu de molts medicaments, inclosos els anestèsics i els ansiolítics. La imatge va revelar detalls que encara no s'havien vist, com les molècules d’aigua de la vesícula que contenen histamina, un neurotransmissor que actua sobre l’excitació implicat en moltes patologies al·lèrgiques. Aquest tipus d’observació constitueix “una mina d’or per al disseny de fàrmacs basats en l’estructura de les molècules”, explica Radu Aricescu. "Es mostra com un medicament mou les molècules d'aigua i pot causar efectes secundaris".

1 angstrom, el llindar intransitable?

Els investigadors encara no han aconseguit obtenir un mapa complet de Gaba (A), perquè aquest últim és molt menys estable que l'apoferritina. Segons els investigadors, millorar la preparació de la mostra és l'últim marge de maniobra possible per descendir fins a una mida encara menor".  Serà gairebé impossible arribar a una xifra per sota de 1 angstrom amb crio-EM", afirma Holger Stark. "Es necessitarien diversos centenars d'anys de registre de dades i una quantitat irreal de potència informàtica i de capacitat d'emmagatzematge", va dir el seu equip. Per tant, el límit no és tant biològic com tecnològic.

Per saber-ne més

A diferència d’un microscopi òptic, que utilitza llum, el microscopi electrònic accelera i concentra un feix d’electrons per crear una imatge de la mostra a observar. El problema és que aquesta tècnica requereix colorant o deshidratar les mostres, cosa que degrada la seva qualitat. Per evitar aquest procés, la crio-ME consisteix a congelar les mostres amb molta rapidesa a -190 ºC en metà líquid, que preserva la seva estructura.

Ho he vist aquí.