El campo de la biología estructural se encarga de estudiar los mecanismos funcionales de las macromoléculas (ADN, ARN y proteínas). Hasta hace algunos años, las técnicas más usadas en esta fascinante área de la ciencia eran la resonancia magnética nuclear (NMR) y la cristalografía de rayos-X. Estas dos técnicas siguen dominando al campo, ya que producen modelos atómicos, es decir, la resolución de imágenes que se obtiene permite observar la interacción entre los bloques componentes del ADN y ARN, denominados nucleótidos; y de las proteínas, denominados a su vez, aminoácidos.

Los estudios estructurales de las proteínas han sido de enorme importancia, por ejemplo, los profesores Max Perutz y John Kendrew, recibieron el Premio Nobel de Química en 1962 por obtener la estructura cristalográfica de la mioglobina, con la que se resolvió el mecanismo mediante el cual esta molécula transporta oxígeno en músculo. Otro gran ejemplo es Sir John E. Walker, quien también recibió el Premio Nobel de Química en 1997, junto con Paul D. Boyer, por descifrar el mecanismo mediante el cual se sintetiza la molécula que produce energía usada por los seres vivos, el adenosín trifosfato, para sus procesos biológicos. Esto, mediante la resolución atómica de la estructura cristalográfica de la F1-ATPasa.

Los resultados obtenidos con el estudio estructural de las proteínas revolucionaron a la ciencia, contribuyendo en áreas como biología, física, química, farmacología y medicina, entre otras. Desafortunadamente existen limitantes para ambas técnicas; en el caso de la NMR, sólo se pueden estudiar proteínas pequeñas (<15 kilodaltones), tomando en cuenta que las proteínas tienen un peso promedio de 50-100 kDa, esta limitante es muy importante. Para el caso de la cristalografía de rayos-X, la limitante no es el tamaño de la proteína, sino que la proteína o complejo forme cristales. Además, en general, se necesita un aparato de muy alta energía de producción de rayos-X, un sincrotrón, el cual no poseen muchos países en vías de desarrollo, tal es el caso de México.

Hay una técnica que está revolucionando al campo de la biología estructural; la criomicroscopía electrónica. El microscopio que se utiliza tiene un costo aproximado de 14 millones de dólares; se debe instalar en una habitación a temperatura constante, libre de campos electromagnéticos y de vibraciones.

El número de estructuras de proteínas y de complejos de proteínas y ADN o ARN resueltos mediante esta novedosa técnica está creciendo de manera exponencial. Tan solo en 2015, se resolvieron 100 estructuras de biomoléculas gracias a ella. Complejos proteicos que se consideran imposibles de estudiar mediante cristalografía de rayos-X, fueron resueltos con relativa facilidad mediante la criomicroscopía electrónica. Ejemplos de estos son: ribosomas de diferentes organismos (Matzov, 2017; Amunts, 2015) , la dineína citoplásmica humana (Zhang, 2017) o una bomba expulsadora de drogas bacteriana (Du, 2014).

El Premio Nobel de Química 2017 fue otorgado a los profesores Jacques Dubochet, Joachim Frank y Richard Henderson “por el desarrollo de la criomicroscopía electrónica para la determinación de estructuras de biomoléculas en solución a alta resolución”. Los investigadores fueron pioneros en la preparación de la muestra, análisis de datos y desarrollo de un nuevo detector, respectivamente.

De este último antes se utilizaba una película fotográfica o detectores parecidos a los empleados en las cámaras digitales. Sin embargo, no fue sino hasta el desarrollo del detector directo de electrones por Henderson, del Laboratorio de Biología Molecular de Cambridge, Reino Unido, cuando se comenzó esta revolución en el área de la biología estructural.

La técnica consiste en aislar a la proteína de interés, congelarla en una rejilla y montarla en el microscopio electrónico. Posteriormente, se hace incidir un haz de electrones sobre la muestra y se colectan varias imágenes con el detector. Cada una contiene varias moléculas de la proteína de interés en orientaciones diferentes en dos dimensiones. Gracias a estas diferentes orientaciones, con métodos computacionales, se logran obtener imágenes en tres dimensiones.

Como las proteínas se encuentran en solución, éstas se pueden capturar en diferentes estados dependiendo de lo que realicen en la célula. Por ejemplo, si una proteína actúa como un motor molecular, se pueden capturar diferentes conformaciones del mecanismo de la proteína y con esto, se puede realizar una “película” en la que se explique cómo es que la enzima lleva a cabo sus movimientos mecánicos.

Esta ventaja de observar procesos dinámicos es un arma de dos filos, ya que, para poder producir una estructura en tres dimensiones a buena resolución, se necesitan muchas moléculas de la misma proteína (en el orden de cientos de miles). Entonces al obtener muchas conformaciones de la misma y en el mismo campo, esta cifra se vería disminuida, igual que la probabilidad de resolver la estructura a una mejor resolución.

Con esta técnica se ha logrado resolver estructuras de proteínas a una resolución semejante a la cristalografía de rayos-X (2.2 Å) (Bartesaghi, 2015) y sin la limitante de la producción de cristales. Recientemente, se resolvió la estructura de los filamentos de la proteína tau, causante de la enfermedad de Alzheimer directamente de una muestra de un paciente (Fitzpatrick, 2017) con la cual, en un futuro no muy lejano, se podrían diseñar fármacos que eviten estas fibras, y con ello la enfermedad que afecta a millones de personas en todo el mundo. De ahí la gran relevancia de la criomicroscopía electrónica y su enorme aportación para la ciencia en general.

El uso de esta técnica se está generalizando en el campo de la investigación. Actualmente se tienen 92 microscopios en el mundo; desafortunadamente en Latinoamérica aún no se posee esta tecnología. En el caso específico del Cinvestav, se podría planear adquirir un equipo para el aprovechamient de esta técnica a nivel nacional. La adquisición de un microscopio con esta tecnología colocaría no solo a la institución, sino a México, en la punta de lanza del desarrollo científico.

Una de las grandes ventajas que podrían resultar del uso de este microscopio en el país es que se podrían estudiar proteínas de pacientes con enfermedades que, debido a la localización geográfica y a la constitución genética de la población, sólo se presentan en México. Tales como enfermedades tropicales (parasitarias, bacterianas y virales) y las de tipo metabólicas, entre otras.

Referencias

Amunts A, et al. Ribosome, 2015, The structure of the human mitocondrial ribosome. Science.

Bartesaghi A, et al. 2.2., 2015, Å resolution cryo-EM structure of β-galactosidase in complex with a cell-permeant inhibitor. Science.

Du D, et al., 2015, Structure of the AcrAB-TolC multidrug efflux pump. Nature.

Fitzpatrick AWP, et al., 2017, Cryo-EM structures of tau filaments from Alzheimer’s disease. Nature.

Matzov D, et al., 2017, The cryo-EM structure of hibernating 100S ribosome dimer from pathogenic Staphylococcus aureus. Nat Commun. 2017

Zhang K, et al., 2017, Cryo-EM Reveals How Human Cytoplasmic Dynein Is Auto-inhibited and Activated. Cell.