Premio Nobel de Química, 2017: Moléculas de la vida, capturadas en 3D
El uso de la microscopía crioelectrónica, desarrollada por separado por los laureados, permite que las biomoléculas se congelen en medio del movimiento y se representen con una resolución atómica. Esta tecnología, dijo el Comité Nobel, 'ha llevado la bioquímica a una nueva era'.
Richard Henderson (L), Joachim Frank (C), Jacques Dubochet (R). El Premio Nobel de Química 2017 fue otorgado el miércoles a Jacques Dubochet, Joachim Frank y Richard Henderson por desarrollar microscopía crioelectrónica para la determinación de estructuras de alta resolución de biomoléculas en solución.
El microscopio electrónico fue diseñado a principios de la década de 1930 por el físico alemán Ernst Ruska, por el que fue galardonado con el Premio Nobel de Física de 1986 (junto con Gerd Binnig y Heinrich Rohrer, que compartieron la otra mitad del premio). Cuatro años antes, el Nobel de Química de 1982 había sido para Aaron Klug por su desarrollo de la microscopía electrónica cristalográfica y su elucidación estructural de complejos de ácido nucleico-proteína biológicamente importantes.
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Durante gran parte de la primera mitad del siglo XX, la determinación de la estructura de las biomoléculas (proteínas, ADN y ARN) había aparecido como un desafío importante en el campo de la bioquímica. El conocimiento de los científicos evolucionó de manera constante durante las últimas seis décadas, comenzando con los estudios cristalográficos pioneros de las estructuras de las proteínas globulares que le valieron a Max F Perutz y John C Kendrew el Nobel de Química en 1962, hasta dominar la microscopía crioelectrónica (crio-EM) para que ha sido galardonado con el Premio 2017.
En los años 50, la cristalografía de rayos X (exponer cristales de proteínas a rayos X) se utilizó para desarrollar modelos de biomoléculas para investigación y desarrollo; en los años 80 también se empleó la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) con este fin. Sin embargo, el uso de ambas técnicas estaba sujeto a limitaciones impuestas por la naturaleza de las biomoléculas. La cristalografía de rayos X requería cristales bien organizados; las biomoléculas generalmente nunca se organizan como cristales. Y la RMN funcionó solo para un conjunto relativamente pequeño de proteínas.
Los ganadores del Premio 2017 emplearon tres enfoques diferentes que juntos superaron estos desafíos, llevando, como dijo el Comité del Nobel, la bioquímica a una nueva era, haciendo que capturar imágenes de biomoléculas sea más fácil que nunca.
Cristalografía de rayos X al microscopio electrónico
Richard Henderson abandonó la cristalografía de rayos X y recurrió a la obtención de imágenes de proteínas mediante microscopía electrónica de transmisión, en la que, en lugar de luz, se envía un delgado haz de electrones a través de la muestra. Sin embargo, mientras que el microscopio electrónico es bueno para obtener la estructura atómica de, digamos, una proteína de membrana, el intenso haz de electrones necesario para imágenes de alta resolución incinera material biológico. Y una reducción en la intensidad del haz significa una pérdida sustancial de contraste y la imagen se vuelve borrosa.
Además, el requisito de vacío para la microscopía electrónica significó el deterioro de las biomoléculas con la evaporación del agua circundante.
Henderson trabajó con bacteriorrodopsina, una proteína de color púrpura incrustada en la membrana de un organismo fotosintetizador. Para evitar que se incinere, dejó la proteína sensible en la membrana y lanzó un haz de electrones más débil a través de la muestra. Se tomaron imágenes desde muchos ángulos diferentes de la misma membrana bajo el microscopio electrónico para producir un modelo 3D aproximado de la estructura de la bacteriorrodopsina.
Esto fue en 1975. A medida que la microscopía electrónica evolucionó con mejores lentes y el desarrollo de la criotecnología (en la que las muestras se enfriaron con nitrógeno líquido a aproximadamente - 190 grados Celsius para protegerlas del haz de electrones), su técnica logró producir, en 1990 , una estructura de bacteriorrodopsina a resolución atómica.
Procesamiento matemático de imágenes de imágenes microscópicas electrónicas 2D
También en 1975, Joachim Frank preparó una estrategia teórica para fusionar cualquier información que se lleve en las imágenes bidimensionales de un microscopio electrónico, para generar un todo tridimensional de alta resolución. Su método matemático examinó imágenes en 2D para identificar patrones recurrentes y los clasificó en grupos para fusionar su información, produciendo imágenes más nítidas. Este modelo ayudó a eludir las imágenes menos nítidas producidas debido a los haces de electrones más débiles utilizados para las biomoléculas. Las herramientas matemáticas para el análisis de imágenes se compilaron como un traje de programa de computadora.
Preparando la muestra
Jacques Dubochet resolvió el desafío principal de asegurar que las muestras de biomoléculas no se deshidrataran y no colapsaran en el vacío de las imágenes crio-EM bajo el haz de electrones.
La solución natural al problema fue congelar las muestras. Dado que el hielo se evapora más lentamente que el agua, debería haber funcionado. Sin embargo, el agua cristalina difumina las imágenes a medida que los haces de electrones se difractan a través de los cristales de agua.
Dubochet resolvió el problema mediante un enfriamiento rápido que no permitía que las moléculas de agua se dispusieran en forma cristalina; en cambio, se convirtieron en agua vitrificada que actuaría como vidrio para el haz de electrones. Su investigación desarrolló una técnica de preparación de muestras en la que las biomoléculas se protegen bajo agua vitrificada. La técnica se utiliza en crio-EM.
El último uso
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Los últimos avances técnicos, como la introducción de nuevos detectores de electrones, los detectores directos de electrones, en microscopios electrónicos ayudaron a mejorar aún más la resolución de las imágenes capturadas con crio-EM de haz bajo para biomoléculas. La introducción de detectores de electrones directos en microscopios electrónicos en 2012-13 resultó ser una herramienta poderosa para los científicos cuando se encontraron con el desafío de la Zika virus que se propagó rápidamente por varios países en 2015-16.
JACQUES DUBOCHET
Nació en 1942 en Aigle, Suiza. Completó su doctorado en 1973 de la Universidad de Ginebra y la Universidad de Basilea, Suiza. Es profesor honorario de biofísica de la Universidad de Lausana, Suiza.
JOACHIM FRANK
Nació en 1940 en Siegen, Alemania. Completó su doctorado en 1970 en la Universidad Técnica de Munich, Alemania. Es profesor de Bioquímica y Biofísica Molecular y de Ciencias Biológicas, Universidad de Columbia, Estados Unidos.
RICHARD HENDERSON
Nació en 1945 en Edimburgo, Escocia. Completó su doctorado en 1969 en la Universidad de Cambridge, Reino Unido. Es líder de programa, Laboratorio de Biología Molecular MRC, Universidad de Cambridge.
GANADORES 2016: JEAN-PIERRE SAUVAGE, SIR J FRASER STODDART y BERNARD L FERINGA por el desarrollo de nano-máquinas, hechas de moléculas en movimiento, que eventualmente pueden ser utilizadas para crear nuevos materiales, sensores y sistemas de almacenamiento de energía.
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