La revolucionaria crio-EM se impone en la biología estructural

Una revolucionaria técnica para determinar la forma tridimensional de las proteínas está en auge. La semana pasada, una base de datos que recoge las estructuras de proteínas y otras moléculas determinadas por criomicrografía, o crio-EM, adquirió su entrada número 10.000.

Los envíos al Banco de Datos de Microscopía Electrónica (EMDB) -un popular repositorio de estructuras resueltas mediante microscopía electrónica- han aumentado exponencialmente en los últimos años, en gran parte debido al explosivo crecimiento del número de criomicrocopios electrónicos en los laboratorios de todo el mundo (véase ‘Structure sleuths’). La EMDB conserva estructuras resueltas con otros métodos de microscopía, pero la gran mayoría utiliza la crioelectrónica.

La técnica consiste en congelar soluciones de proteínas u otras biomoléculas y bombardearlas con electrones para producir imágenes microscópicas de moléculas individuales. Estas imágenes se utilizan para reconstruir la forma o estructura tridimensional de la molécula. Dichas estructuras son útiles para descubrir cómo funcionan las proteínas, cómo funcionan mal en las enfermedades y cómo dirigirlas con fármacos.

Durante décadas, los biólogos estructurales prefirieron utilizar la cristalografía de rayos X, una técnica que consiste en cristalizar las proteínas, bombardearlas con rayos X y reconstruir su forma a partir de los patrones reveladores de luz difractada resultantes. La cristalografía de rayos X produce estructuras de alta calidad, pero no es fácil de utilizar con todas las proteínas: algunas pueden tardar meses o años en cristalizar, y otras nunca lo hacen. La crio-EM no requiere cristales de proteínas, pero la técnica languideció porque tendía a producir estructuras de baja resolución; algunos científicos la llamaron blobología.

Imagen perfecta

Los avances en hardware y software en 2012-13 produjeron microscopios electrónicos más sensibles y un sofisticado software para transformar las imágenes que captaban en estructuras moleculares más nítidas (ver ‘Detalle fino’). Esto allanó el camino para el crecimiento actual de la crio-EM, dice Sjors Scheres, biólogo estructural y especialista en la técnica en el Laboratorio de Biología Molecular (LMB) del MRC en Cambridge, Reino Unido.

Richard Henderson, un biólogo estructural del LMB que compartió el Premio Nobel de Química de 2017 por su trabajo en el desarrollo de la técnica, dice que incluso después de estos avances, el crecimiento fue lento al principio, porque sólo un pequeño número de laboratorios tenía acceso al equipo. Pero cuando empezaron a utilizar la crio-EM para producir mapas detallados de moléculas como el ribosoma -las máquinas de fabricación de proteínas de las células-, otros científicos, así como sus instituciones y financiadores, se dieron cuenta rápidamente. «Toda la gente que había invertido en otras cosas y había tomado decisiones equivocadas, tardó un año en ponerse al día», dice Henderson.

Estima que en 2024 se determinarán más estructuras de proteínas por crio-EM que por cristalografía de rayos X. La crioelectrónica ya ha sustituido a la cristalografía de rayos X en una categoría de proteínas que interesa especialmente a los científicos: las integradas en las membranas celulares. Muchas de estas proteínas unidas a las membranas están implicadas en enfermedades y sirven de diana para fármacos.

Imágenes avanzadas

Las estructuras de las moléculas determinadas por crio-EM también son cada vez más detalladas, gracias a las continuas mejoras en el hardware y el software, dice Scheres.

Al principio, las estructuras de crio-EM más nítidas eran de proteínas muy estables que se utilizaban para probar los límites de la tecnología. Pero Scheres ha observado que los investigadores obtienen cada vez más estructuras de muy alta resolución de moléculas de importancia médica, como las proteínas de las membranas celulares, aunque tienden a desplazarse.

«Estamos llegando a un punto en el que las muestras fáciles se han hecho y la gente busca problemas más complejos», afirma Ardan Patwardhan, biólogo estructural del Laboratorio Europeo de Biología Molecular-Instituto Europeo de Bioinformática de Hinxton (Reino Unido), que dirige el equipo que gestiona la EMDB.

Henderson espera que el auge de las estructuras criogénicas se frene en algún momento. Un factor que podría frenar el crecimiento, dice, es el elevado coste de los microscopios más potentes, que pueden superar los 5 millones de libras (7 millones de dólares). También cuestan miles de libras diarias de funcionamiento y requieren laboratorios especializados que minimicen las vibraciones. Henderson está haciendo una campaña para convencer a las empresas de que desarrollen microscopios más baratos, pero igualmente útiles, que podrían difundir aún más la técnica. «En este momento, no se puede equivocar invirtiendo más en crio-EM», afirma.