La rivoluzionaria crio-EM sta conquistando la biologia strutturale

Una tecnica rivoluzionaria per determinare la forma 3D delle proteine è in piena espansione. La scorsa settimana, un database che raccoglie proteine e altre strutture molecolari determinate dalla crio-microscopia elettronica, o crio-EM, ha acquisito la sua 10.000esima voce.

Le iscrizioni all’Electron Microscopy Data Bank (EMDB) – un popolare archivio di strutture risolte utilizzando la microscopia elettronica – sono aumentate esponenzialmente negli ultimi anni, in gran parte a causa della crescita esplosiva del numero di microscopi crio-elettronici nei laboratori di tutto il mondo (vedi ‘Structure sleuths’). L’EMDB cura strutture risolte con altri metodi di microscopia, ma la maggior parte usa il crio-EM.

La tecnica comporta il congelamento di soluzioni di proteine o altre biomolecole e poi il bombardamento di elettroni per produrre immagini al microscopio di singole molecole. Queste sono usate per ricostruire la forma 3D, o struttura, della molecola. Tali strutture sono utili per scoprire come funzionano le proteine, come funzionano male nelle malattie e come bersagliarle con i farmaci.

Per decenni, i biologi strutturali hanno preferito usare la cristallografia a raggi X, una tecnica che prevede la cristallizzazione delle proteine, il loro bombardamento con i raggi X e la ricostruzione della loro forma dai modelli rivelatori di luce diffratta. La cristallografia a raggi X produce strutture di alta qualità, ma non è facile da usare con tutte le proteine – alcune possono richiedere mesi o anni per cristallizzare, e altre non cristallizzano mai. La crio-EM non richiede cristalli di proteine, ma la tecnica languiva perché tendeva a produrre strutture a bassa risoluzione – alcuni scienziati la chiamavano blobologia.

Immagine perfetta

Le scoperte nell’hardware e nel software nel 2012-13 hanno prodotto microscopi elettronici più sensibili e software sofisticati per trasformare le immagini catturate in strutture molecolari più nitide (vedi ‘Fine detail’). Questo ha spianato la strada per l’attuale crescita della crio-EM, dice Sjors Scheres, un biologo strutturale e specialista della tecnica al MRC Laboratory of Molecular Biology (LMB) di Cambridge, Regno Unito.

Richard Henderson, un biologo strutturale del LMB che ha condiviso il premio Nobel 2017 per la chimica per il suo lavoro di sviluppo della tecnica, dice che anche dopo questi progressi, la crescita è stata inizialmente lenta, perché solo un piccolo numero di laboratori aveva accesso alle attrezzature. Ma quando hanno iniziato a utilizzare la crio-EM per produrre mappe dettagliate di molecole come il ribosoma – le macchine per la produzione di proteine delle cellule – altri scienziati, così come le loro istituzioni e finanziatori, hanno rapidamente preso nota. “Tutte le persone che avevano investito in altre cose e preso le decisioni sbagliate, ci hanno messo un anno per mettersi in pari”, dice Henderson.

Si stima che entro il 2024, più strutture proteiche saranno determinate dalla crio-EM che dalla cristallografia a raggi X. La crio-EM ha già soppiantato la cristallografia a raggi X per una categoria di proteine a cui gli scienziati sono particolarmente interessati: quelle incorporate nelle membrane cellulari. Molte di queste proteine legate alla membrana sono implicate nelle malattie e servono come bersaglio per i farmaci.

Immagini avanzate

Le strutture delle molecole determinate dalla crio-EM stanno anche diventando più dettagliate, grazie ai continui miglioramenti di hardware e software, dice Scheres.

Inizialmente, le strutture crio-EM più nitide erano di proteine altamente stabili che venivano usate per testare i limiti della tecnologia. Ma Scheres ha notato che i ricercatori stanno ottenendo sempre più strutture ad alta risoluzione di molecole importanti dal punto di vista medico, come le proteine della membrana cellulare, anche se tendono a fluttuare.

“Stiamo arrivando al punto in cui i campioni facili sono stati fatti e la gente sta cercando problemi più complessi”, dice Ardan Patwardhan, un biologo strutturale presso l’European Molecular Biology Laboratory-European Bioinformatics Institute di Hinxton, Regno Unito, che guida il team che gestisce l’EMDB.

Henderson si aspetta che il boom delle strutture crio-EM rallenti ad un certo punto. Un fattore che potrebbe frenare la crescita, dice, è l’alto costo dei microscopi più potenti, che possono superare i 5 milioni di sterline (7 milioni di dollari). Costano anche migliaia di sterline ogni giorno per funzionare, e richiedono laboratori specializzati che minimizzano le vibrazioni. Henderson sta facendo una campagna per convincere le aziende a sviluppare microscopi più economici, ma comunque utili, che potrebbero diffondere ulteriormente la tecnica. “Al momento, non si può sbagliare mettendo più investimenti nella crio-EM”, dice.