Νέα τεχνική ηλεκτρονικού μικροσκοπίου φέρνει επανάσταση στη μελέτη πρωτεϊνών και άλλων βιομορίων. Cryo–electron microscopy breaks the atomic resolution barrier at last

Η νέα τεχνική επέτρεψε τη χαρτογράφηση των ατόμων στην πρωτεΐνη αποφερριτίνη. Cryo–electron microscopy reveals the atomic details of apoferritin, a hollow, spherically shaped protein complex that stores iron. PAUL EMSLEY/MRC LABORATORY OF MOLECULAR BIOLOGY

Το πρώτο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο που σπάει το φράγμα της ατομικής ανάλυσης φέρνει επανάσταση στην μελέτη των πρωτεϊνών και άλλων βιομορίων, υπόσχεται διεθνής ομάδα ερευνητών που παρουσιάζει το επίτευγμα στο Nature.

Κανένα συμβατικό μικροσκόπιο δεν μπορεί να διακρίνει άτομα, δεδομένου ότι η διάμετρός τους είναι πολύ μικρότερη από το μήκος κύματος του ορατού φωτός.

Μέχρι σήμερα, η κύρια τεχνική για την χαρτογράφηση μεμονωμένων ατόμων μέσα σε μόρια είναι η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ, η οποία αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1950 και μεταξύ άλλων επέτρεψε τον προσδιορισμό της δομής του DNA. Στη μέθοδο αυτή, μια δέσμη ακτίνων Χ διαπερνά το δείγμα και πέφτει σε μια οθόνη πίσω του, σχηματίζοντας ένα αποτύπωμα που επιτρέπει τον υπολογισμό της θέσης των ατόμων.

Το πρόβλημα είναι ότι η τεχνική της κρυσταλλογραφίας λειτουργεί μόνο για μόρια που μπορούν να σχηματίσουν κρυστάλλους. Επιπλέον, δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε συνδυασμούς πρωτεϊνών ή σε πολύ μεγάλα μόρια.

The IRIG/IBS, in Grenoble, has state-of-the-art techniques in structural biology. The researchers present here the potential of cryo-microscopy, especially for biological samples. They will meet you at IBS to study your samples.

Στις περιπτώσεις αυτές, η μόνη διαθέσιμη λύση είναι η κρυο-ηλεκτρονική μικροσκοπία (cryo-EM), στην οποία το δείγμα καταψύχεται και βομβαρδίζεται από ηλεκτρόνια. Η εκτροπή των ηλεκτρονίων λόγω αλληλεπίδρασης με το δείγμα δίνει μια εικόνα της δομής του, σε χαμηλότερη όμως ανάλυση σε σχέση με την κρυσταλλογραφία.

Cryo-EM visualizes individual atoms in a protein for the first time. The cartoon shows a part of the apoferritin protein (yellow) with a tyrosine side chain highlighted in grey. Atoms are individually recognizable (red grid structures). © Holger Stark / Max Planck Institute for Biophysical Chemistry

Τουλάχιστον μέχρι σήμερα. Ερευνητές στη Γερμανία και τη Βρετανία αναφέρουν ότι αύξησαν την ανάλυση της τεχνικής στα 1,25 angstrom (0,125 νανόμετρα ή δισεκατομμυριοστά του μέτρου) ώστε να γίνουν ορατά ακόμα και μεμονωμένα άτομα. Η διάμετρος των ατόμων κυμαίνεται από 0,3 έως 3,0 angstrom.

Όπως εξηγεί ο δικτυακός τόπος του Science, η θεαματική αύξηση της ανάλυσης κατέστη εφικτή χάρη σε βελτιώσεις της δέσμης ηλεκτρονίων του μικροσκοπίου, των ανιχνευτών αλλά και του λογισμικού που χρησιμοποιείται για την απεικόνιση του στόχου.

Η εξέλιξη αναμένεται τώρα να επιταχύνει την αντικατάσταση της κρυσταλλογραφίας από την τεχνολογία cryo-EM στη δομική βιολογία. Προς το παρόν, η τεχνική είναι αποτελεσματική μόνο σε σχετικά άκαμπτες πρωτεΐνες. Ωστόσο οι ερευνητές εργάζονται για την εφαρμογή της σε λιγότερο άκαμπτες πρωτεΐνες αλλά και σε σύμπλοκα πρωτεϊνών που ήταν αδύνατο να χαρτογραφηθούν ολόκληρα μέχρι σήμερα. Οι δύο μελέτες για το τελευταίο επίτευγμα είναι διαθέσιμες εδώ και εδώ.

Πηγές: Ka Man Yip, Niels Fischer, Elham Paknia, Ashwin Chari, Holger Stark: Atomic-resolution protein structure determination by cryo-EM. Nature, October 21, 2020, http://doi.org/10.1038/s41586-020-2833-4 - https://www.mpibpc.mpg.de/17524749/pr_2023 - https://www.sciencemag.org/news/2020/10/cryo-electron-microscopy-breaks-atomic-resolution-barrier-last - https://www.in.gr/2020/10/22/tech/ilektroniko-mikroskopio-vlepei-gia-proti-fora-memonomena-atoma/