Resolución récord mundial en la microscopía crioelectrónica
Una nueva técnica visualiza por primera vez átomos individuales en una proteína con microscopía crioelectrónica
Se ha roto una barrera de resolución crucial en la microscopía crioelectrónica. Holger Stark y su equipo en el Instituto Max Planck (MPI) de Química Biofísica han observado por primera vez átomos individuales en una estructura proteica y han tomado las imágenes más nítidas que se han hecho con este método. Estos detalles sin precedentes son esenciales para entender cómo las proteínas realizan su trabajo en la célula viva o causan enfermedades. En el futuro, la técnica también puede utilizarse para desarrollar compuestos activos para nuevos fármacos.
Cryo-EM visualiza por primera vez átomos individuales en una proteína. El dibujo muestra una parte de la proteína apoferritina (amarilla) con una cadena lateral de tirosina resaltada en gris. Los átomos son reconocibles individualmente (estructuras de cuadrícula roja).
© Holger Stark / Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie
Desde el brote de la pandemia COVID-19, los científicos de todo el mundo han estado resolviendo estructuras tridimensionales de importantes proteínas clave del nuevo coronavirus. Su objetivo común es encontrar sitios de acoplamiento para un compuesto activo que pueda combatir el patógeno de manera eficaz.
Un método aplicado para ello es la microscopía crioelectrónica (crio-ME), que puede utilizarse para hacer visibles las estructuras tridimensionales de las biomoléculas. Como estas son estructuralmente muy flexibles, no es una tarea fácil. Para capturar las moléculas borrosas sin dañarlas, se enfrían con extrema rapidez, o se congelan por choque, por así decirlo. A continuación, las muestras congeladas son bombardeadas con electrones, y las imágenes resultantes son grabadas. Con ellas se puede calcular la estructura tridimensional de las moléculas. Tres pioneros de esta técnica, Jacques Dubochet, Joachim Frank y Richard Henderson, recibieron el Premio Nobel de Química por el desarrollo de la crio-EM en 2017.
El récord mundial de resolución permite ver los átomos individuales en las proteínas
El grupo de Stark ha roto la barrera de la resolución crio-EM con un microscopio crio-electrónico único recientemente desarrollado por este equipo. "Equipamos nuestro dispositivo con dos elementos electrón-ópticos adicionales para mejorar aún más la calidad y resolución de la imagen. Estos aseguran que los errores de imagen de las lentes ópticas, las llamadas aberraciones, ya no juegan un papel importante", explica el director de Max Planck. Su estudiante de doctorado Ka Man Yip añade: "Los microscopios electrónicos son instrumentos ópticos y se parecen físicamente a una cámara. Las aberraciones de un microscopio electrónico interfieren en la crio-mecánica de la misma manera que las de una cámara en la fotografía. Para mejorar la calidad de la imagen, era crucial evitar estos errores de aberración".
Con el nuevo microscopio, los científicos han tomado más de un millón de imágenes de la proteína apoferritina para mapear la estructura molecular con una resolución de 1,25 angstroms. Un angstrom equivale a una diez millonésima parte de un milímetro. "Ahora visualizamos átomos individuales en la proteína, un hito en nuestro campo", explica el biólogo estructural Stark. "Para nosotros, fue como poner súper gafas en el microscopio. La nueva estructura revela detalles nunca antes vistos: Incluso podemos ver la densidad de los átomos de hidrógeno y las modificaciones químicas de un solo átomo."
El gran potencial de la crio-EM para la obtención de imágenes de estructuras proteicas 3D de alta resolución también fue demostrado por los colegas del Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica en Cambridge (Reino Unido). Ellos lograron una resolución similarmente alta usando un enfoque diferente. "Ahora es concebible que la crio-ME sea capaz en el futuro de alcanzar incluso resoluciones subatómicas", dice el investigador de Max Planck.
Bases para el diseño de fármacos basados en estructuras
Pero, ¿cuál es el beneficio de poder estudiar una estructura proteínica con una resolución atómica sin precedentes? Para entender cómo funciona una máquina hecha por el hombre, hay que observar sus componentes directamente en funcionamiento. Esto también es cierto para las proteínas - las nanomáquinas de las células vivas. Para tener una idea de cómo llevan a cabo sus tareas, uno tiene que saber la posición exacta de todos los átomos de la proteína.
Estos conocimientos detallados también son relevantes para el diseño de fármacos basados en estructuras. Los compuestos para las drogas se personalizan de manera que se unen a las proteínas virales, por ejemplo, y bloquean su función. Pero, ¿cuál es el mecanismo subyacente de la inhibición? Los investigadores sólo pueden dilucidar y entender esto si pueden observar a nivel atómico cómo interactúan un compuesto y una proteína viral. Estos nuevos conocimientos ayudan a mejorar las moléculas de los medicamentos y a reducir los efectos secundarios. "Con la ruptura de esta barrera de resolución de la crio-EM, la técnica ha alcanzado un nivel en el que los beneficios para los desarrollos farmacéuticos son directamente visibles", dice Stark.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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