Revolutionaire cryo-EM neemt structurele biologie over

Een revolutionaire techniek om de 3D-vorm van eiwitten te bepalen, neemt een hoge vlucht. Vorige week werd de 10.000ste inzending geregistreerd in een database waarin eiwit- en andere moleculaire structuren worden verzameld die zijn bepaald met cryo-elektronenmicroscopie, ofwel cryo-EM.

Inzendingen in de Electron Microscopy Data Bank (EMDB) – een populaire opslagplaats voor structuren die zijn opgelost met behulp van elektronenmicroscopie – zijn de afgelopen jaren exponentieel toegenomen, grotendeels als gevolg van de explosieve groei van het aantal cryo-elektronenmicroscopen in laboratoria wereldwijd (zie ‘Structurele speurneuzen’). De EMDB beheert structuren die zijn opgelost met andere microscopiemethoden, maar de overgrote meerderheid maakt gebruik van cryo-EM.

De techniek houdt in dat oplossingen van eiwitten of andere biomoleculen in een flits worden bevroren en vervolgens worden gebombardeerd met elektronen om microscoopbeelden van afzonderlijke moleculen te maken. Deze worden gebruikt om de 3D-vorm, of structuur, van het molecuul te reconstrueren. Dergelijke structuren zijn nuttig om te ontdekken hoe eiwitten werken, hoe ze slecht functioneren bij ziekte en hoe ze met geneesmiddelen kunnen worden behandeld.

Decennia lang gaven structuurbiologen de voorkeur aan röntgenkristallografie, een techniek waarbij eiwitten worden gekristalliseerd, met röntgenstraling worden bestraald en hun vorm wordt gereconstrueerd aan de hand van de resulterende patronen van diffractief licht. Röntgenkristallografie levert structuren van hoge kwaliteit op, maar is niet gemakkelijk te gebruiken voor alle eiwitten – bij sommige duurt het maanden of jaren om te kristalliseren, en bij andere kristalliseert het helemaal niet. Cryo-EM vereist geen eiwitkristallen, maar de techniek kwijnde weg omdat het de neiging had structuren met een lage resolutie te produceren – sommige wetenschappers noemden het blobologie.

Picture perfect

Doorbraken in hardware en software in 2012-13 produceerden gevoeligere elektronenmicroscopen en verfijnde software om de beelden die ze vastlegden om te zetten in scherpere moleculaire structuren (zie ‘Fijn detail’). Dat maakte de weg vrij voor de huidige groei van cryo-EM, zegt Sjors Scheres, een structuurbioloog en specialist in de techniek aan het MRC Laboratory of Molecular Biology (LMB) in Cambridge, VK.

Richard Henderson, een structuurbioloog van het LMB die de Nobelprijs voor de Scheikunde van 2017 deelde voor zijn werk aan de ontwikkeling van de techniek, zegt dat zelfs na deze vooruitgang de groei aanvankelijk traag was, omdat slechts een klein aantal laboratoria toegang had tot de apparatuur. Maar toen ze cryo-EM begonnen te gebruiken om gedetailleerde kaarten te maken van moleculen zoals het ribosoom – de eiwitmakende machines van cellen – namen andere wetenschappers, evenals hun instellingen en financiers, dit snel in de gaten. “Alle mensen die in andere dingen hadden geïnvesteerd en de verkeerde beslissingen hadden genomen, hadden een jaar nodig om hun achterstand in te halen”, zegt Henderson.

Hij schat dat tegen 2024 meer eiwitstructuren zullen worden bepaald door cryo-EM dan door röntgenkristallografie. Cryo-EM heeft de röntgenkristallografie al verdrongen voor één categorie eiwitten waarin wetenschappers bijzonder geïnteresseerd zijn: eiwitten die zijn ingebed in celmembranen. Veel van deze membraangebonden eiwitten zijn betrokken bij ziekten en dienen als doelwit voor geneesmiddelen.

Geavanceerde beeldvorming

De structuren van moleculen bepaald door cryo-EM worden ook gedetailleerder, dankzij voortdurende verbeteringen in hardware en software, zegt Scheres.

In eerste instantie waren de scherpste cryo-EM structuren van zeer stabiele eiwitten die werden gebruikt om de grenzen van de technologie te testen. Maar Scheres heeft gemerkt dat onderzoekers steeds vaker zeer hoge-resolutie structuren verkrijgen van medisch belangrijke moleculen, zoals celmembraaneiwitten, ook al hebben ze de neiging om rond te floppen.

“We komen nu op het punt waar de gemakkelijke monsters zijn gedaan en mensen kijken naar meer complexe problemen,” zegt Ardan Patwardhan, een structuurbioloog bij het European Molecular Biology Laboratory-European Bioinformatics Institute in Hinxton, UK, die het team leidt dat de EMDB runt.

Henderson verwacht dat de hausse in cryo-EM-structuren op een gegeven moment zal vertragen. Een factor die de groei zou kunnen remmen, zegt hij, zijn de hoge kosten van de krachtigste microscopen, die meer dan 5 miljoen pond (7 miljoen dollar) kunnen kosten. Ze kosten ook duizenden ponden per dag en vereisen gespecialiseerde laboratoria waar trillingen tot een minimum worden beperkt. Henderson voert campagne om bedrijven ervan te overtuigen goedkopere, maar nog steeds bruikbare, microscopen te ontwikkelen die de techniek nog verder zouden kunnen verspreiden. “Op dit moment kun je niet fout gaan door meer te investeren in cryo-EM,” zegt hij.