Ganan el Nobel de Química de 2017 por desarrollar la microscopía crioelectrónica

El premio Nobel de Química de 2017 ha sido otorgado a Jacques Dubochet de la Universidad de Lausanne, Joachim Frank de la Universidad de Columbia y Richard Henderson del MRC Laboratory of Molecular Biology en Cambridge, Inglaterra. Han ganado el premio “por desarrollar la microscopía crioelectrónica para la determinación en alta resolución de la estructura de biomoléculas en disolución.” Los científicos se repartirán el premio de 1.11 millones de dólares de forma equitativa. 

En la microscopía crioelectrónica (cryo-EM), se hace pasar un rayo de electrones a través de una muestra biomolecular que ha sido congelada, normalmente con etano líquido. El material desvía los electrones de forma que permite a los investigadores determinar la estructura de la biomolécula. Los rayos de electrones dañan físicamente las biomoléculas, pero, al congelarlas, la parte crío de la microscopía crioelectrónica hace que queden protegidas del daño que causan los electrones e impide que se deshidraten en la cámara de vacío del microscopio electrónico.

Las estructuras halladas a través de la cryo-EM y técnicas relacionadas son de una importancia fundamental a la hora de entender la química de la vida, y pueden ayudar a los científicos a desarrollar medicamentos, al dilucidar la manera en la que los agentes bioactivos interaccionan con las biomoléculas.

“Las proteínas se encuentran en todas las cosas vivientes —humanos, plantas, animales, bacterias—” dice Allison A. Campbell, presidente de la ACS. El premio “destaca el papel que la química juega en todos los aspectos de nuestras vidas. Desde los medicamentos que tomamos hasta las plantas que cultivamos, entender las proteínas —y su química— es fundamental.”

Tradicionalmente, los científicos recurrían a la cristalografía de rayos X y la resonancia magnética nuclear para hallar las estructuras biomoleculares. El progreso en cryo-EM, sin embargo, permitió que la técnica trabajase con algunas estructuras con las que la cristalografía y la RMN no puede. Por ejemplo, elimina la necesidad de cristalizar las biomoléculas, obligatoria para la cristalografía, y que puede ser extremadamente difícil de conseguir en algunos casos.

La cryo-EM también puede resolver estructuras más grandes que la RMN o la cristalografía: la especialista en cryo-EM Sarah Butcher de la Universidad de Helsinki estima que la técnica puede analizar estructuras 100 veces mayores, incluyendo virus enteros e incluso células congeladas. Esto hace que “sea mucho más adaptable a diferentes preguntas biológicas que la RMN o la cristalografía de rayos X”, dice.

Henderson allanó el terreno para la cyo-EM en 1975, al usar la microscopía electrónica para determinar un modelo tridimensional de Bacteriorodopsina al promediar diversas imágenes obtenidas con rayos de electrones débiles. El estudio mostró que la microscopía electrónica podría obtener imágenes tan detalladas como las de la cristalografía, que era la técnica de mayor resolución en aquella época. A lo largo de la década siguiente Frank, que en esos momentos trabajaba en el departamento de salud de Nueva York del Wadsworth Center, desarrolló una tecnología de procesamiento de imágenes para convertir la microscopía electrónica convencional en 2-D a estructuras en 3-D. Henderson también contribuyó en las técnicas de procesamiento de imágenes.

Al principio de los años 80, Dubochet diseñó métodos para congelar rápidamente muestras biomoleculares y protegerlas del daño electrónico y la deshidratación, y mantener así sus formas moleculares originales. En 1990, Henderson pudo obtener la primera estructura con resolución atómica gracias a la cryo-EM— la de la Bacteriorodopsina, cuya estructura ordenada hacía más fácil conseguir una resolución alta, frente a otras biomoléculas.

En la década pasada, los avances en la tecnología de detección de electrones, particularmente el desarrollo de detectores directos de electrones, ha mejorado enormemente las capacidades resolutivas de la cryo-EM. La llegada de estos detectores, disponibles a nivel comercial hoy en día, y las mejoras en las técnicas de manejo de datos “causaron una gran revolución en la calidad de los datos de la cryo-EM”, dice Butcher. “Eso quiere decir que ahora somos capaces de recabar toda la información y llegar a una resolución atómica, que es lo que hacen los cristalógrafos. Pero nosotros lo hacemos sin tener que hacer cristales, que son peor que un dolor de muelas”.

En este episodio de “Hablando de química”, lleno de imágenes de microscocopía microelectrónica, el periodista Matt Davenport de C&EN explica la ciencia que hay detrás del premio Nobel de Química de 2017. Crédito: C&EN/ACS Productions

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