Una técnica de difracción de electrones revela la estructura de diminutos cristales de proteínas

Para determinar con alta resolución la estructura de algunas moléculas, los científicos utilizan habitualmente una técnica llamada cristalografía de rayos X. Pero para que funcione esta técnica (que se desarrolló hace ya más de un siglo), es necesario que las sustancias formen grandes cristales –grandes en este caso significa 0.1 milímetros cúbicos, como mínimo. No obstante, es complicado trabajar con algunas biomoléculas, que cristalizan con dificultad y, por lo tanto, no pueden analizarse por rayos X.

Un nuevo artículo nos muestra cómo una técnica llamada difracción microelectrónica (abreviada microED) puede llegar a determinar la estructura de biomoléculas átomo por átomo en cristales un millón de veces más pequeños que los que necesita la cristalografía de rayos X. En este estudio, Tamir Gonen (del Howard Hughes Medical Institute en el Janelia Research Campus, en Virginia), David S. Eisenberg (Universidad de California, Los Ángeles) y sus colaboradores han utilizado microED para determinar estructuras de agregados de péptidos. Han estudiado dos péptidos de la α-sinucleína que juega un papel fundamental en la enfermedad de Párkinson (Nature 2015, DOI: 10.1038/nature15368).

Las estructuras obtenidas son similares a otras descubiertas por diversos equipos de investigación que habían estudiado otros péptidos involucrados en otras enfermedades neurodegenerativas, apunta Michel Goedert del Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology (MRC LMB) de Cambridge, Reino Unido, en un comentario en Nature. Pero también proporcionan nueva información que podría ayudar en el desarrollo de fármacos para luchar contra el Párkinson inhibiendo la formación de estos agregados de α-sinucleína.

La cristalografía de rayos X necesita cristales grandes porque los rayos X estropean muy rápido los pequeños, destruyendo la muestra antes de que haya podido ser analizada. Los láseres de electrones libres, o XFEL, pueden medir cristales mil veces más pequeños usando pulsos ultrarrápidos, pero son instrumentos muy poco habituales y generalmente muy caros. Los análisis de partículas individuales por criomicroscopía electrónica, que son cada vez más populares, no requieren cristales, pero están limitados a grandes biomoléculas.

En 2013, el grupo de Gonen y Janelia desarrollaron la microED, que estaría incluida dentro de la familia de técnicas de criomicroscopía electrónica. El haz de electrones usado en este método interacciona con las moléculas mucho más suavemente que los rayos X, pero aun así las estropea. Posteriormente, Gonen y sus colaboradores han conseguido que funcione disminuyendo la potencia del haz de electrones a niveles bajísimos, aunque lo suficientemente potentes como para permitir que se recojan datos para la resolución de estructuras.

El experto en criomicroscopía electrónica Richard Henderson (también del MRC LMB) ha comentado a C&EN que la microED podría hacerse “un hueco en la biología estructural” al poder llevar a cabo análisis a medio camino entre los grandes cristales que requieren los rayos X y las partículas (no cristalinas) de la criomicroscopía electrónica.

En su nuevo artículo, el equipo de Gonen y Eisenberg ha usado microED para analizar cristales tan pequeños que no pueden verse con microscopios ópticos convencionales. El grupo de Gonen había probado la microED en enzimas con estructuras muy conocidas, como las lisozimas. Pero este estudio afronta por primera vez análisis de muestras estructuralmente desconocidas. Gracias a la microED han podido desvelar la estructura de los agregados peptídicos de α-sinucleína con una resolución de tan sólo 1.4 Å, la mejor resolución jamás conseguida con técnicas de criomicroscopía.

Los instrumentos de criomicroscopía electrónica son relativamente baratos y están disponibles en muchos laboratorios de todo el mundo, por lo que la microED podría empezar a usarse de forma rutinaria. No obstante, no todo son ventajas: esta técnica no puede analizar cristales grandes, ni muy pequeños. Además, algunos de sus procesos para tratar los datos (como los ajustes de fase) todavía dan problemas, y son necesarios para calcular las estructuras.

>> Breaking the Crystal Ceiling ACS Central Science (10.1021/acscentsci.5b00295)

Traducción al español producida por Fernando Gomollón Bel de Divulgame.org para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.