Microscopia Crio-Elettronica (Cryo-em)

Jacques Dubochet, Joachim Frank e Richard Henderson sono stati premiati col #Nobel per aver sviluppato la tecnica, la quale offre possibilità di analisi senza precedenti su importantissime macromolecole biologiche.

Nella cryo-EM (Microscopia crio-Elettronica), un raggio di elettroni viene sparato attraverso un campione molecolare che è stato precedentemente congelato (tipicamente con etano liquido). Il materiale deflette gli elettroni in un modo che permette ai ricercatori di determinare la struttura del campione. I raggi di elettroni danneggerebbero fisicamente le biomolecole, ma, congelandole (e qui interviene il “crio” della cryo-EM), le si protegge dal danno elettronico e - allo stesso tempo - si prevengono forme di disidratazione tipiche della microscopia sotto vuoto.

Le strutture ottenute con la cryo-EM e altre tecniche strutturali sono di fondamentale importanza per la comprensione della biochimica ed aiutano gli scienziati a sviluppare farmaci, chiarendo la via attraverso cui essi interagiscono con le biomolecole e come queste interagiscono tra loro.

“Le proteine sono presenti in tutti gli esseri viventi - umani, piante, animali, batteri,” dice Allison A. Campbell, presidente della ACS (American Chemical Society). Il premio di oggi “evidenzia il ruolo che la chimica gioca in ogni aspetto delle nostre vite. Dai farmaci che usiamo alle piante che coltiviamo, comprendere le proteine - e la chimica delle proteine stesse - è fondamentale.”

Tradizionalmente, gli scienziati sfruttavano la cristallografia a raggi X e la risonanza magnetica nucleare (NMR) per ottenere le strutture delle biomolecole. La cryo-EM, d’altra parte, può gestire strutture che la cristallografia e l’NMR non potrebbero trattare. Per esempio permette di effettuare le analisi direttamente in soluzione, eludendo la problematica di dover cristallizzare proteine la cui struttura renderebbe il compito estremamente difficile.

La cryo-EM, inoltre, fornisce il vantaggio di poter analizzare più facilmente delle strutture molto più grandi di quanto non fosse possibile con l’NMR e, in certi casi, persino con la cristallografia a raggi X: Sarah Butcher, specialista di cryo-EM dell’Università di Helsinki, stima che la tecnica sia adatta ad analizzare strutturalmente oggetti decisamente fuori portata per la cristallografia, inclusi certi #virus e persino cellule. Questo la rende “molto, ma molto più flessibile [di cristallografia e NMR] ed adatta a risolvere innumerevoli problemi biologici”, spiega.

Henderson ha tracciato il cammino verso la cryo-EM nel 1975, quando utilizzò la microscopia elettronica per determinare un modello tridimensionale di batteriorodopsina sovrapponendo più immagini ottenute con deboli raggi di elettroni. Questo studio mostrò che la microscopia elettronica avrebbe potuto ottenere immagini dettagliate quanto quelle della cristallografia a raggi-X, la quale era la tecnica a massima risoluzione, al tempo. In quel decennio, Frank, allora al New York State Dept. of Health, sviluppò la tecnologia di image-processing per convertire la convenzionale microscopia elettronica 2D in una tecnica utile ad ottenere strutture 3D. Henderson ha anche contribuito al progresso delle tecniche di image processing.

Nei primi anni Ottanta, Dubochet concepì delle metodiche per congelare rapidamente dei campioni biomolecolari così da proteggerli dai danni elettronici e comunque lasciarli idratati, anche nel vuoto, mantenendo la loro forma nativa. Dal 1990, la tecnologia migliorò a tal punto che Henderson riuscì ad ottenere la prima struttura cryo-EM ad alta risoluzione. Il suo target, la batteriorodopsina, ha una struttura molto ordinata e questo ha facilitato l’ottenimento dell’alta risoluzione; sarebbe stato chiaramente più complesso con altre biomolecole.

Nell'ultimo decennio, il perfezionarsi della tecnologia dei rivelatori elettronici, ed in particolar modo lo sviluppo dei rivelatori elettronici diretti, ha dato una spinta enorme alle capacità risolutive della cryo-EM. I rivelatori elettronici diretti, adesso disponibili in commercio, insieme ad altri recenti sviluppi nelle tecniche di gestione dei dati, “hanno determinato una rivoluzione nella qualità dei dati cryo-EM”, dice Butcher.

“Questo significa che adesso noi possiamo raccogliere tutte le informazioni utili per andare persino alla risoluzione atomica, così come si fa in cristallografia. Ma noi possiamo farlo senza dover fare i cristalli, ed i cristalli sono una spina nel fianco.”

Fonti:

C&EN

Il contenuto è stato anche parzialmente riportato dal sottoscritto sulla pagina Wikipedia italiana della cryo-EM.