Infinit de mic: atomii unei proteine ​​observați pentru prima dată

Postat pe 06/05/2020 la 18:42

atomii

Tocmai a fost depășită o nouă etapă în ceea ce privește imagistica moleculară: o echipă de cercetători europeni a reușit să vizualizeze atomii unei proteine, în toată individualitatea lor. Până acum, nu a fost posibilă nicio observație la această scară într-un astfel de organism.

O cartografiere a distribuției atomilor în apoferritină, o proteină găsită în intestinul subțire.

Paul Emsley/Laboratorul MRC de Biologie Moleculară

Niciodată nu a fost dezvăluită o proteină atât de detaliată. Pentru prima dată, grație unei tehnici de imagistică numită microscopie crio-electronică, atomii săi, în toată individualitatea lor, au putut fi observați în mod distinct. Aceste imagini, cele mai clare până în prezent, se datorează a două echipe de biochimiști de la Institutul Max-Planck pentru Chimie Biofizică din Göttingen, Germania și Laboratorul de Biologie Moleculară al Consiliului de Cercetări Medicale (MRC-LMB) din Cambridge., Regatul Unit . Lucrările lor au fost postate pe serverul de preimprimare bioRxiv pe 22 mai 2020 (în mai multe articole, principalul fiind disponibil aici) și transmisă de revista Nature.

Cu o astfel de rezoluție, cercetătorii vor putea înțelege mai bine funcționarea proteinelor la nivel atomic și, astfel, să dezvolte substanțe medicamentoase active care sunt mai eficiente și mai puțin susceptibile de a provoca efecte secundare.

Crio-microscopia electronică, o revoluție din anii 1980

Utilizat pe scară largă pentru a observa componente vii, cum ar fi celule, viruși sau proteine, microscopie crio-electronică sau crio-ME, a făcut posibilă încă din 1990 obținerea de imagini 3D cu molecule la rezoluție foarte mare. Această tehnică a fost atât de revoluționară încât cercetătorii care au perfecționat-o sau perfecționat - elvețianul Jacques Dubochet mai întâi, apoi britanicul Richard Henderson și americanul Joachim Frank - au primit Premiul Nobel pentru chimie în 2017.

Ca o reamintire, spre deosebire de un microscop optic care utilizează lumina, un microscop electronic folosește un fascicul de electroni. Accelerat apoi concentrat datorită lentilelor de pe un eșantion, fasciculul face posibilă modificarea acestuia și „imprimarea” imaginii sale la rezoluții mult mai mari decât cele oferite de un microscop convențional. Aplicată obiectelor vii, această tehnică nu este însă binecuvântată: electronii degradează probele, mai ales că este necesar să le colorați sau să le deshidratați în prealabil. Deoarece apa este principalul component al biomoleculelor, îndepărtarea acesteia nu este, prin urmare, cea mai recomandată pentru păstrarea integrității acestora.

Aici intră în joc noțiunea de "criză", care a câștigat recunoașterea celor trei cercetători:

Niciodată nu a fost dezvăluită o proteină atât de detaliată. Pentru prima dată, grație unei tehnici de imagistică numită microscopie crio-electronică, atomii săi, în toată individualitatea lor, au putut fi observați în mod distinct. Aceste imagini, cele mai clare până în prezent, se datorează a două echipe de biochimiști de la Institutul Max-Planck pentru Chimie Biofizică din Göttingen, Germania și Laboratorul de Biologie Moleculară al Consiliului de Cercetări Medicale (MRC-LMB) din Cambridge., Regatul Unit . Lucrările lor au fost postate pe serverul de preimprimare bioRxiv pe 22 mai 2020 (în mai multe articole, principalul fiind disponibil aici) și transmisă de revista Nature.

Cu o astfel de rezoluție, cercetătorii vor putea înțelege mai bine funcționarea proteinelor la nivel atomic și, astfel, să dezvolte substanțe medicamentoase active care sunt mai eficiente și mai puțin susceptibile de a provoca efecte secundare.

Crio-microscopia electronică, o revoluție din anii 1980

Utilizat pe scară largă pentru observarea componentelor vii, cum ar fi celulele, virușii sau proteinele, microscopia crio-electronică sau crio-ME, a făcut posibilă din 1990 obținerea unor imagini 3D cu rezoluție foarte mare a moleculelor. Această tehnică a fost atât de revoluționară încât cercetătorii care au dezvoltat-o ​​sau perfecționat - elvețianul Jacques Dubochet mai întâi, apoi britanicul Richard Henderson și americanul Joachim Frank - au primit Premiul Nobel pentru chimie în 2017.

Ca o reamintire, spre deosebire de un microscop optic care utilizează lumina, un microscop electronic folosește un fascicul de electroni. Accelerat apoi concentrat datorită obiectivelor de pe un eșantion, fasciculul face posibilă modificarea acestuia și „imprimarea” imaginii sale la rezoluții mult mai mari decât cele oferite de un microscop convențional. Aplicată obiectelor vii, această tehnică nu este însă binecuvântată: electronii degradează probele, mai ales că este necesar să le colorați sau să le deshidratați în prealabil. Deoarece apa este principalul component al biomoleculelor, îndepărtarea acesteia nu este, prin urmare, cea mai recomandată pentru păstrarea integrității acestora.

Aici intră în joc conceptul de "crio", care a câștigat recunoașterea celor trei cercetători: Jacques Dubochet și echipa sa au avut ideea de a-și îngheța probele foarte repede la -190 ° C folosind etan, răcit cu azot lichid. Pe scurt, să le înghețe în starea lor inițială într-un proces numit vitrificare (ceea ce face posibilă obținerea unei probe care nu este nici congelată, nici lichidă și, prin urmare, nu este modificată de o schimbare de stare).

Câteva zeci de nanometri au câștigat astfel încât „un întreg univers să se deschidă”

Din 2013, crio-microscopia electronică a continuat să facă salturi uriașe, în special datorită dezvoltării exponențiale a nanotehnologiei și a software-ului de analiză a imaginii. Suficient pentru a obține structuri proteice mai clare ca niciodată, la rezoluții aproape la fel de bune ca cele oferite de cristalografia cu raze X. Această tehnică mai veche ne permite să deducem structura proteinelor prin studierea lor, în formă cristalizată, prin difracție de raze. X. Dacă astăzi, rămâne în principal folosit de cercetători pentru a vizualiza lumea atomică, prezintă un dezavantaj major: durează luni, chiar uneori ani, pentru a cristaliza o proteină! În plus, multe proteine ​​strategice din punct de vedere medical nu pot forma cristale viabile.

Pentru a împinge crio-EM la rezoluția atomică, cele două echipe au lucrat la apoferritină, o proteină care stochează fierul. Datorită stabilității sale echivalente cu roca, apoferritina este un candidat ideal pentru crio-EM. Cercetătorii au ajuns să obțină o hartă de rezoluție atomică suficient de precisă a acestei proteine, astfel încât să putem discerne fără ambiguitate poziția atomilor săi (1,2 ångström, sau 0,12 nanometri). Pentru comparație, ultima înregistrare de rezoluție atinsă pe o proteină a fost de 1,54 ångström. După o serie de manipulări pentru a obține cea mai clară imagine posibilă, a apărut o structură, "atât de completă încât s-ar putea observa atomii individuali de hidrogen, atât în ​​proteine, cât și în moleculele de apă. Înconjurătoare", potrivit Sjors Scheres, biolog la MRC -LMB intervievat de Nature. „La această rezoluție, fiecare jumătate de öngström deschide un univers întreg”, a adăugat Radu Aricescu, de la același laborator.

Cercetătorii și-au testat metoda pe o formă simplificată de proteine ​​numită „receptorul GABAA”. Acesta din urmă se găsește în membrana neuronilor, făcându-l o țintă de alegere pentru anestezice generale sau medicamente anti-anxietate. De această dată, cercetătorii au reușit să o mapeze la 1,7 ångström, uneori mai mult în unele părți cheie. Cu toate acestea, aceasta nu este o rezoluție suficientă pentru a discerne atomii. Nu contează: îmbunătățiri suplimentare, în special în modul în care sunt preparate probele de proteine, ar trebui să ne permită în curând să creștem și mai mult nivelul nostru de intimitate cu GABAA și alte proteine ​​vitale în medicină.