Martes 14 de noviembre del 2017

Criomicroscopía electrónica: una revolución en la biología molecular

Para entender los procesos moleculares que ocurren en una célula es indispensable conocer la estructura atómica de las biomacromoléculas que participan en dichos procesos, y para ello se han usado diferentes métodos. Una nueva técnica denominada criomicroscopía electrónica ha surgido como una alternativa que con mayor rapidez puede determinar la estructura de macromoléculas de gran complejidad que había sido imposible de estudiar de otras formas.

Sin duda, esta técnica abre una ventana al mundo molecular de la célula, sostuvo Héctor Viadiu Ilarraza, que antes de iniciar su carrera como investigador independiente, realizó estudios postdoctorales en Harvard aprendiendo esta técnica en uno de los grupos punteros en el área.

El científico explicó, a propósito del Premio Nobel de Química 2017 a Jacques Dubochet (Aigle, Suiza, 1942), Joachim Frank (Siegen, Alemania, 1940) y Richard Henderson (Edimburgo, Reino Unido, 1945) por “el desarrollo de la criomicroscopía electrónica para la determinación a alta resolución de la estructura de biomoléculas en una solución”, que en México y otros países tradicionalmente se han usado dos técnicas: la cristalografía de rayos X y la resonancia magnética nuclear.

Ventajas de la nueva tecnología

Ambas técnicas han servido para determinar la estructura atómica de proteínas y ácidos nucleicos, y a través de ellas se han logrado avances notables en el entendimiento de los procesos celulares a nivel molecular, pero “aún queda un gran número de mecanismos biológicos de los que desconocemos su funcionamiento”, comentó Viadiu Ilarraza.

Desde hace cinco décadas la principal técnica para entender la estructura atómica de proteínas y ácidos nucleicos ha sido la cristalografía de rayos X. La crisomicroscopía electrónica es un avance tecnológico que demuestra que se puede utilizar un microscopio electrónico para también determinar la estructura atómica de biomacromoléculas. El resultado es el mismo que en la cristalografía de rayos X, pero la ventaja de la criomicroscopía electrónica es que no es necesario cristalizar las moléculas que se desean estudiar.

Además, se pueden observar complejos macromoleculares de gran tamaño y flexibilidad, muy difíciles de estudiar por otros procedimientos. Estos factores, junto con el hecho de que se pueden utilizar concentraciones mil veces menores de estos complejos macromoleculares, ha hecho que la criomicroscopía electrónica se convierta en la técnica de elección en el estudio a nivel molecular de numerosos mecanismos bioquímicos que ocurren en la célula.

“El tamaño molecular más pequeño que se puede estudiar con esta nueva técnica –explicó el investigador– es de alrededor cien mil daltons, lo que equivale al tamaño de una proteína de 900 aminoácidos. Como la proteína promedio cuenta con unos 300 aminoácidos, quiere decir que la criomicroscopía electrónica sólo se puede utilizar para proteínas grandes o para complejos macromoleculares. Lo interesante es que en la mayoría de los fenómenos celulares intervienen muchas proteínas, lo que hace que esta técnica sea aplicable al estudio de un sinnúmero de mecanismos bioquímicos”.

Como toda técnica, la criomicroscopía electrónica también tiene sus limitaciones. La resolución obtenida en las estructuras determinadas tiende a ser menor que la obtenida por cristalografía de rayos X. La resolución es una medición muy importante, ya que a mayor resolución en la determinación de una estructura se tiene mayor certeza en la posición de cada átomo.

Si la resolución es baja, la incertidumbre en la posición de cada átomo es mayor. El investigador señaló que, si bien la criomicroscopía electrónica será cada vez más usada, la cristalografía de rayos X no dejará de existir porque es una técnica excelente para la determinación de estructuras de moléculas o proteínas pequeñas que la criomicroscopía electrónica no puede resolver. Estas técnicas son complementarias.

Logros obtenidos por los galardonados

Existen problemas bioquímicos que aún no se han podido estudiar a nivel atómico por esta dificultad en cristalizar las biomacromoléculas involucradas en estos procesos. Como la cristalización de proteínas y ácidos nucleicos es difícil de controlar, las técnicas de congelación de macromoléculas desarrolladas por el galardonado Jacques Dubochet han quitado este obstáculo. La criomicroscopía electrónica se ha convertido en la metodología de elección para entender mecanismos celulares que han permanecido inexplorados, particularmente aquellos en que complejos macromoléculares formados por gran número de proteínas están involucrados.

Hay ejemplos que demuestran que la criomicroscopía electrónica puede resolver estructuras con mayor facilidad que la cristalografía de rayos X. Uno de estos ejemplos son los ribosomas, la maquinaria celular encargada de sintetizar proteínas.

En 2009 se otorgó el Premio Nobel de Química a tres cristalógrafos por resolver la estructura atómica de los ribosomas. Hoy en día, gracias a las técnicas computacionales de procesamiento de imágenes desarrolladas por el recientemente galardonado Joachim Frank, ya nadie utiliza cristalografía para estudiar a los ribosomas.

La criomicroscopía ha resultado una técnica más fácil y poderosa para dilucidar los numerosos complejos que explican la síntesis de proteínas. Estos detalles estructurales están sirviendo para diseñar poderosos antibióticos que bloquean la síntesis de proteínas de bacterias patógenas.

También existen ejemplos de proteínas de membrana que nunca habían podido ser cristalizadas y que ahora se puede entender su estructura atómica gracias a la criomicroscopía electrónica. Richard Henderson, quien también recibió el Nobel, fue el primer investigador en utilizar la microscopía electrónica para determinar la estructura de proteínas de membrana. Por ejemplo, recientemente, la estructura atómica de los receptores membranales del dolor ha sido determinada por la criomicroscopía electrónica; estos detallados estudios son utilizados para diseñar analgésicos más efectivos.

Viadiu Ilarraza informó que en los últimos tres años ha realizado esfuerzos por establecer esta técnica en nuestro país, pero el alto costo del equipo, entre dos y tres millones de dólares, ha hecho que aún no se cuente con ningún laboratorio de criomicroscopía electrónica de biomacromoléculas en México.

Nuevo proyecto

Héctor Viadiu formó parte del Instituto de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), en la actualidad lleva a cabo un proyecto para establecer un centro de investigación independiente llamado Instituto de Inmunología del Cáncer.

El objetivo de salir de la UNAM ha sido el de impulsar el proyecto que encabeza a través de la conformación de una sociedad civil, poder concentrarse en diseñar medicamentos de carácter proteico que promuevan que el sistema inmune ataque a las células cancerígenas.

El especialista en biología estructural dijo que su entrenamiento en cristalografía de rayos X y en criomicroscopía electrónica le permitirá optimizar el diseño de anticuerpos para distintos blancos celulares que promueven el reconocimiento de las células cancerígenas por nuestro propio sistema inmune. “Este proyecto es algo institucionalmente novedoso que está apenas en el inicio, pero de realizarse sería algo nuevo para el país en el tema de salud”, resaltó.