La microscopia crioelectrònica (Dubochet, Frank, Henderson; Premi Nobel de Química, 2017)

Avui la Reial Acadèmia Sueca de Ciència ha fet pública la concessió del Premi Nobel de Química a Jacques Dubochet, Joachim Frank i Richard Henderson “pel desenvolupament de la microscopia crioelectrònica per a la determinació d’alta resolució de l’estructura de biomolècules en solució“.

Jacques Dubochet

Jacques Dubochet (*Aigle, Vaud, 8.6.1942) es va doctorar en biofísica amb una tesi defensada en el 1973, elaborada entre les universitats de Ginebra i de Basilea sota la supervisió d’Eduard Kellenberger. Treballà en l’EMBL de Heidelberg en la vitrificació d’aigua per a la microscopia electrònica, de manera que fos possible l’observació de solucions biològiques (Dubochet & McDowall, 1981; Dubochet et al., 1982). Les contribucions de Dubochet posaren la base de la microscopia crio-electrònica, aplicada a l’estudi d’estructures biològiques com complexos proteics o partícules víriques en solució aquosa. Entre el 1987 i el 2007 fou professor de la Universitat de Lausanna, on dirigí el Laboratori d’Anàlisi Ultrastructural (LAU) i el Centre de Microscopia Electrònica.

Joachim Frank

Joachim Frank (*Siegen, 12.9.1940) es va graduar en física a la Universitat de Freiburg (1963). Va fer un mestratge sota la supervisió de Walter Rollwagen en la Universitat Ludwig Maximilian de Munic, amb un treball sobre l’emissió d’electrons secundaris de l’or en el punt de fusió (1967). Va fer la tesi doctoral en el laboratori de Walter Hoppe en el Max Planck Institut für Eiweiss- und Lederforschung amb l’aplicació de mètodes de reconstrucció en l’obtenció d’electromicrografies, que defensà reeixidament el 1970. Va fer estades postdoctorals al laboratori de Robert Nathan al JPL del California Institute of Technology; al de Robert M. Glaeser a Berkeley; al de Benjamin M. Siegel a la Cornell University. El 1972 passà al Max Planck Institute de Bioquímica, com a ajudant de recerca en la teoria de coherència parcial en microscopia electrònica. El 1973 passà al Cavendish Laboratory, sota la direcció de Vernon Ellis Cosslett. El 1975 començà a treballar en microscopia electrònica de partícula única a la Division of Laboratories and Research del Departament de Sanitat de l’Estat de Nova York. El 1985 esdevingué professor a la State University at Albany. El 2003 esdevingué professor a la Universitat Colúmbia, i des del 2008 hi és professor de bioquímica i biofísica molecular.

Richard Henderson

Richard Henderson (*Edinburgh, 19.7.1945) va formar-se a la Boroughmuir High School i a Edinburgh University. Es va doctorar a la Cambridge University el 1969 sota la supervisió de David Blow. Ha desenvolupat des del 1973 la seva carrera científica en el Laboratory of Molecular Biology del Medical Research Council de Cambridge. El 1975, juntament amb Nigel Unwin, estudià l’estructura de la bacteriorodopsina (bR) a través de microscopia electrònica. Elucidaren que aquesta proteïna transmembrana disposa de set segments d’estructura alfa-hèlix que creuen la bicapa lipídica (Henderson & Unwin, 1975). La bR resultà el primer cas descrit d’un ample ventall de proteïnes transmembrana amb set dominis (7TM). Henderson aprofundí en l’estructura de la bR gràcies a la criomicroscopia electrònica d’alta resolució (Henderson et al., 1990). Henderson treballà sobre el refinament d’aquesta tècnica (Henderson, 1995) amb la voluntat d’aplicar-la en la modelització a nivell atòmic de l’estructura de biomolècules en condicions normals de solució.

La microscopia crioelectrònica en l’elucidació de l’estructura de biomolècules en solució

La microscopia crioelectrònica permet la visualització de processos biomoleculars d’una manera més directa, basada en la vitrificació de solucions i suspensions biològiques. La microscopia electrònica clàssica es basa en preparacions fixades de manera agressiva que, si bé preserven estructures, s’allunyen de les condicions funcionals. La microscopia electrònica de transmissió treballa amb talls ultrafins, si bé la microscopia electrònica d’agranatge pot visualitzar superfícies biològiques de manera tridimensional. En un cas i en l’altre, la microscopia electrònica clàssica exigeix la deshidratació prèvia de la mostra.

A començament dels anys 1980, Dubochet desenvolupà una tècnica de vitrificació de l’aigua, a través d’una congelació ultraràpida, que obria la porta a una microscopia crioelectrònica. Bàsicament, consistia en un mètode de solidificació de l’aigua damunt d’una pel·lícula de carboni que donava com a resultat una làmina sòlida no-cristal·lina (un sòlid amorf o vidre). La rapidesa de la solidificació era assolida en immergir la preparació en età o propà líquid (80 K), per després treballar-hi sota nitrogen líquid, sempre amb cura de no ultrapassar la temperatura de 130 K, que conduiria a la cristal·lització de la mostra. Dubochet et al. (1988) mostraren que era factible observar amb microscopia electrònica espècimens vitrificats d’aquesta manera.

Des del 1975, Joachim Frank desenvolupà un mètode de processament d’electromicrografies bidimensionals en un model tridimensional (Frank, 1975; Saxton & Frank, 1977). Aquesta reconstrucció fou aplicada a l’estructura de la glutamina-sintetasa (Frank et al., 1978) i a la subunitat 50S del ribosoma d’Escherichia coli (Radermacher et al., 1986).

En el 1990, Richard Henderson obtingué una imatge tridimensional de la bacteriorodopsina de resolució atòmica (Henderson et al., 1990), basada en l’observació de milions de molècules de bR atrapades en un cristall bidimensional criogenitzat.

Esquema de l’estructura de la bacteriorodopsina. És un trímer (cada monòmer rep ací un color diferent) de proteïnes amb set dominis transmembrana. La bacteriorodopsina tradueix energia lluminosa en energia química en bombejar protons cap enfora de la cèl·lula: és el fonament del metabolisme fotosintètic dels haloarqueons

Henderson, 1995 sostingué que per arribar a la capacitat d’elucidar l’estructura d’una sola molècula calia l’ús d’una irradiació electrònica de baixa densitat (microscopi electrònic de contrast de fase).

Electromicrografia d’una suspensió vitrificada de la xaperona GroEL. Amb imatges com aquesta, amb una multitud de molècules orientades de manera diversa en la pel·lícula vitrificada és possible determinar l’estructura de doble anell d’aquesta proteïna tetradecamèrica

El desenvolupament de nous detectors electrònics, basats en semiconductors d’òxids metàl·lics permeteren que en el 2013, la crioelectromicrografia ja fos prou potent com per dilucidar l’estructura tridimensional a nivell atòmic de biomolècules nadiues.



Aquesta entrada ha esta publicada en 3. La Vida. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *