¿Qué es la microscopía electrónica? ¿De dónde viene, para qué sirve? ¿Por qué merece un Premio Nobel?

El microscopio electrónico recibió el Premio Nobel de Física de 1986 (Ernst Ruska). Su gran problema era que no podía observar moléculas de interés bioquímico sin destruirlas. La solución parecía sencilla: usar muestras formadas por una sola biomolécula enfriada a muy baja temperatura, pero ponerla en práctica ha constado décadas de investigación. La clave era preservar intacta la biomolécula en su estado hidratado y usar una irradiación electrónica que no fuera destructiva. Se necesitaron muchos pasos y varios investigadores para allanar el camino a los hoy galardonados.

El suizo Jacques Dubochet, el germano-estadounidense de la U. de Lausana, Joachim Frank, de la Columbia University, y el británico Richard Henderson, del MRC Laboratory of Molecular Biology de Cambridge, fueron galardonados el pasado miércoles con el Premio Nobel de Química 2017 por su investigación sobre la microscopía crioelectrónica, un método revolucionario que permite observar en alta resolución biomoléculas.

«Los investigadores pueden ahora congelar biomoléculas» y «visualizar procesos que no habían visto nunca antes, algo decisivo para el entendimiento básico de la química de la vida y el desarrollo de medicinas».

Durante mucho tiempo se creyó que los microscopios electrónicos solo eran adecuados para analizar materia muerta, porque su potente haz de electrones destruye el material biológico. Sin embargo, en 1990, Richard Henderson logró generar la imagen tridimensional de una proteína con resolución atómica gracias a un microscopio electrónico, evidenciando el potencial de esta nueva tecnología.

Joachim Frank, por su parte, consiguió generalizar las aplicaciones de esta nueva tecnología y desarrolló un método para procesar las imágenes en dos dimensiones y transformarlas en 3dimensiones.

Jacques Dubochet añadió agua al microscopio electrónico -algo que hasta el momento no era posible porque trabaja en el vacío- para ello lo que hizo fue vitrificarla, enfriándola tan rápido que se solidificó en su forma líquida alrededor de una muestra biológica, permitiendo a las biomoléculas conservar su forma natural incluso en el vacío.

La técnica microscopía crioelectrónica de alta resolución actual nació en 1990, con el trabajo de Henderson y varios colegas. Lograron caracterizar a escala atómica una bacteriorodopsina (una proteína característica de las archaea, un grupo de microorganismos unicelulares que, al igual que las bacterias no tienen núcleo ni, en general, orgánulos membranosos internos, pero son fundamentalmente diferentes a éstas, de tal manera que conforman su propio dominio y reino, que actúa como bomba de protones, usa la energía de la luz para transportar protones a través de la membrana celular. El gradiente protónico que resulta se convierte posteriormente en energía química mediante la ATP sintasa. El resto de los sistemas fotosintéticos en bacterias, algas y plantas utilizan clorofila o bacterioclorofila, en vez de bacteriorodopsina). Para ello, usaron cristales bidimensionales enfriados a temperaturas criogénicas. Usando el mismo procedimiento se logró caracterizar otras biomoléculas, como los dímeros de tubulina (1998) y la acuaporina (2000). Estos trabajos pioneros, que usaron diferentes microscopios electrónicos de todo el mundo, permitieron determinar las características ideales que debería tener dicho instrumento para una criomicroscopia electrónica óptima.

Lo ideal era una fuente de electrones no destructiva, de baja intensidad, que se pudiera usar en un microscopio electrónico con contraste de fase. Así sería posible determinar la estructura atómica de una biomolécula con un peso molecular de hasta ~50 kDa con una resolución de unos ~3 Å en una muestra formada por unas ~10 000 biomoléculas idénticas situadas en un plano 2D pero cada una con una orientación diferente en 3D. Recuerda que el dalton «Da» es una unidad de masa, y se define como la doceava parte (1/12) de la masa de un átomo, neutro y no enlazado, de carbono-12, en su estado fundamental eléctrico y nuclear, y equivale a 1,660 538 921 × 10⁻²⁷ kg.

Había que manipular las moléculas individuales en la muestra para garantizar que sus orientaciones fueran diferentes y se pudieran observar desde todos los ángulos posibles. Frank y varios colegas había desarrollado una técnica para lograrlo con ciertas biomoléculas. A partir de su trabajo, Dubochet y otros colegas desarrollaron una técnica para la formación de biopelículas con estas biomoléculas para su uso como muestras en microscopia electrónica. En 1984 se lograron las primeras micrografías electrónicas de virus en suspensión usando estas técnicas de preparación de muestras.

Durante la década de los 1980 el camino fue allanándose para el desarrollo de las técnicas de microscopía crioelectrónica de alta resolución actuales. Los trabajos de Dubochet, Frank y Henderson han permitido el desarrollo de una nueva herramienta en biología estructural que nos ha ofrecido las maravillosas imágenes que hoy en día decoran todos los libros de texto de Bioquímica y Biología Molecular. Unos 60 años después de los trabajos en cristalografía de John Kendrew y Max Perutz (Premio Nobel de Química de 1962) la técnica de microscopía crioelectrónica ha ofrecido imágenes mucho más allá de lo que se pensaba al principio.

Hoy en día podemos ver con precisión atómica grandes biomoléculas, incluso virus completos y orgánulos celulares. Esta imagen de la proteína glutamato deshidrogenasa (334 kDa) muestra una resolución creciente de izquierda a derecha, hasta alcanzar una resolución máxima de 1,8 Å (combina imágenes obtenidas entre 2012 y 2013). Como en biología molecular la estructura determina la función de las proteínas (enzimas), los avances en microscopía crioelectrónica permiten comprender mucho mejor la fisiología de las células, lo que tiene importantes aplicaciones biomédicas.

 

¿Por qué nos interesa la fisiología de las células?

 

 

La caracterización inicial de estas células madre permitió el establecimiento indefinido in vitro de líneas celulares capaces de dar origen a un ratón indistinguible de sus congéneres, siendo además capaces de trasmitir su información en la línea germinal. Posteriormente se demostró la posibilidad de su manipulación génica convirtiéndose en células clave para la generación de modelos animales capaces de desarrollar enfermedades análogas a las presentes en humanos para el estudio de enfermedades humanas y en una herramienta insustituible para desvelar la función de los genes in vivo. La trascendencia de este trabajo para el desarrollo de la biomedicina moderna fue reconocida mediante la concesión del premio Nobel de Medicina en 2007, a los doctores Mario R. Capecchi, sir Martin J. Evans y Oliver Smithies. Los trabajos pioneros que permitieron desarrollar el trasplante de médula ósea, los estudios de células madre, todos los avances en fisiología celular aunados a las posibilidades que permite la microscopía crioelectrónica, nos ayudará a cuidar más la salud y definitivamente, a salvar muchas vidas.

Para mayor información recomiendo el siguiente material:

Daniel Cressey, Ewen Callaway, «Cryo-electron microscopy wins chemistry Nobel,» Nature News, 04 Oct 2017.