Premi Nobel de Química, 2017: Molècules de vida, capturades en 3D
L'ús de la microscòpia crioelectrònica, desenvolupada per separat pels laureats, permet que les biomolècules es congelin a mig moviment i es representin amb resolució atòmica. Aquesta tecnologia, va dir el Comitè Nobel, 'ha traslladat la bioquímica a una nova era'.
Richard Henderson (L), Joachim Frank (C), Jacques Dubochet (R). El Premi Nobel de Química 2017 va ser atorgat dimecres a Jacques Dubochet, Joachim Frank i Richard Henderson per desenvolupar la microscòpia crioelectrònica per a la determinació d'estructura d'alta resolució de biomolècules en solució.
El microscopi electrònic va ser dissenyat a principis dels anys 30 pel físic alemany Ernst Ruska, pel qual va rebre el Premi Nobel de Física l'any 1986 (juntament amb Gerd Binnig i Heinrich Rohrer que compartien l'altra meitat del Premi). Quatre anys abans, el Nobel de Química de 1982 havia anat a Aaron Klug pel seu desenvolupament de la microscòpia electrònica cristal·logràfica i la seva dilucidació estructural de complexos àcid nucleic-proteïna biològicament importants.
Debbie Higgins McCall Death
Durant gran part de la primera meitat del segle XX, la determinació de l'estructura de les biomolècules (proteïnes, ADN i ARN) havia aparegut com un repte important en el camp de la bioquímica. El coneixement dels científics va evolucionar de manera constant durant les últimes sis dècades, començant amb els estudis cristal·logràfics pioners de les estructures de proteïnes globulars que van obtenir Max F Perutz i John C Kendrew el Nobel de Química el 1962, per dominar la microscòpia crioelectrònica (crio-EM) per que s'ha atorgat el Premi 2017.
A la dècada dels 50, la cristal·lografia de raigs X (exposant els cristalls de proteïnes als raigs X) es va utilitzar per desenvolupar models de biomolècules per a la investigació i el desenvolupament; als anys 80, també es va utilitzar l'espectroscòpia de ressonància magnètica nuclear (RMN) amb aquesta finalitat. L'ús d'ambdues tècniques, però, estava subjecte a les limitacions imposades per la naturalesa de les biomolècules. La cristal·lografia de raigs X requeria cristalls ben organitzats; normalment les biomolècules mai s'organitzen com a cristalls. I la RMN només va funcionar per a un conjunt relativament petit de proteïnes.
Els guanyadors del Premi 2017 van emprar tres enfocaments diferents que junts van superar aquests reptes, portant, com va dir el Comitè Nobel, la bioquímica a una nova era, fent més fàcil que mai captar imatges de biomolècules.
Cristal·lografia de raigs X al microscopi electrònic
Richard Henderson va abandonar la cristal·lografia de raigs X i va recórrer a la imatge de proteïnes mitjançant la microscòpia electrònica de transmissió, en la qual, en comptes de la llum, s'envia un feix prim d'electrons a través de la mostra. Tanmateix, mentre que el microscopi electrònic és bo per obtenir l'estructura atòmica de, per exemple, una proteïna de membrana, el feix d'electrons intens necessari per a imatges d'alta resolució incinera material biològic. I una reducció de la intensitat del feix significa una pèrdua substancial en contrast, i la imatge es torna borrosa.
A més, l'exigència del buit per a la microscòpia electrònica va suposar el deteriorament de les biomolècules amb l'evaporació de l'aigua circumdant.
Henderson va treballar amb la bacteriorrodopsina, una proteïna de color porpra incrustada a la membrana d'un organisme que fa la fotosíntesi. Per evitar que s'incinerés, va deixar la proteïna sensible a la membrana i va disparar un feix d'electrons més feble a través de la mostra. Es van prendre imatges des de molts angles diferents de la mateixa membrana sota el microscopi electrònic per produir un model 3D aproximat de l'estructura de la bacteriorhodopsina.
Això va ser l'any 1975. A mesura que la microscòpia electrònica va evolucionar amb millors lents i el desenvolupament de la criotecnologia (en què les mostres es refredaven amb nitrogen líquid a uns – 190 graus centígrads per tal de protegir-les del feix d'electrons), la seva tècnica va aconseguir produir, el 1990. , una estructura de bacteriorrodopsina a resolució atòmica.
Processament matemàtic d'imatges d'imatges microscòpiques d'electrons 2D
També el 1975, Joachim Frank va preparar una estratègia teòrica per combinar qualsevol informació que es transportés a les imatges bidimensionals d'un microscopi electrònic, per generar un tot tridimensional d'alta resolució. El seu mètode matemàtic va filtrar imatges en 2D per identificar patrons recurrents i ordenar-los en grups per combinar la seva informació, produint imatges més nítides. Aquest model va ajudar a evitar les imatges menys que nítides produïdes a causa dels feixos d'electrons més febles utilitzats per a les biomolècules. Les eines matemàtiques per a l'anàlisi d'imatges es van compilar com un programa informàtic.
Preparació de la mostra
Jacques Dubochet va resoldre el repte bàsic d'assegurar que les mostres de biomolècules no es deshidratessin i no es col·lapsissin al buit de la imatge crio-EM sota el feix d'electrons.
La solució natural al problema va ser congelar les mostres. Com que el gel s'evapora més lentament que l'aigua, hauria d'haver funcionat. No obstant això, l'aigua cristal·lina va difondre les imatges a mesura que els feixos d'electrons es difractaven a través de cristalls d'aigua.
Dubochet va resoldre el problema mitjançant un refredament ràpid que no permetia que les molècules d'aigua s'organitzassin en forma cristal·lina; en canvi es van convertir en aigua vitrificada que actuaria com a vidre per al feix d'electrons. La seva investigació va desenvolupar una tècnica de preparació de mostres on les biomolècules es protegeixen sota aigua vitrificada. La tècnica s'utilitza en crio-EM.
Adam Scott patrimoni net
L'últim ús
Els últims desenvolupaments tècnics, com la introducció de nous detectors d'electrons, detectors directes d'electrons, als microscopis electrònics, van ajudar a millorar encara més la resolució de les imatges capturades amb crio-EM de feix baix per a biomolècules. La introducció dels detectors d'electrons directes als microscopis electrònics el 2012-13 va resultar ser una eina poderosa per als científics, ja que es van trobar amb el repte del Zika virus que es va estendre ràpidament per diversos països el 2015-16.
JACQUES DUBOCHET
Va néixer l'any 1942 a Aigle, Suïssa. Va completar el seu doctorat l'any 1973 per la Universitat de Ginebra i la Universitat de Basilea, Suïssa. És professor honorari de Biofísica a la Universitat de Lausana, Suïssa.
JOACHIM FRANK
Va néixer l'any 1940 a Siegen, Alemanya. Va completar el seu doctorat l'any 1970 a la Universitat Tècnica de Munic, Alemanya. És professor de Bioquímica i Biofísica Molecular i de Ciències Biològiques a la Universitat de Columbia, EUA.
RICHARD HENDERSON
Va néixer l'any 1945 a Edimburg, Escòcia. Va completar el seu doctorat el 1969 a la Universitat de Cambridge, Regne Unit. És líder del programa, MRC Laboratory of Molecular Biology, Universitat de Cambridge.
GUANYADORS 2016: JEAN-PIERRE SAUVAGE, SIR J FRASER STODDART i BERNARD L FERINGA pel seu desenvolupament de nanomàquines, fetes de molècules en moviment, que eventualment es poden utilitzar per crear nous materials, sensors i sistemes d'emmagatzematge d'energia.
Comparteix Amb Els Teus Amics:
