Nobel de Química: cómo es el avance que permite ver proteínas en vivo y en 3D

Suele decirse que una imagen vale más que mil palabras. Y si esto es cierto en muchos aspectos, suele ser crucial en la vida de un científico. Tal vez por eso, el Nobel de Química 2017 se adjudicó a tres científicos que lograron obtener las imágenes de más alta resolución con que se cuente hasta ahora de la maquinaria molecular de la vida: la superficie del virus del zika, proteínas que confieren resistencia a los antibióticos; engranajes que gobiernan los ritmos biológicos; moléculas que reaccionan frente a la luz en la fotosíntesis.

Estos son sólo algunos ejemplos de las cientos de biomoléculas que hoy pueden verse desde todos los ángulos y en acción gracias a la tecnología desarrollada por Richard Henderson, Jacques Dubochet y Joachim Frank, la criomicroscopía electrónica (cryo-EM, según sus siglas en inglés).

"Muchas de las técnicas de microscopía para hacer biología estructural son indirectas, mediante la difracción de rayos X, que permite deducir la estructura cristalina de las moléculas -explica Galo Soler Illia, decano del Instituto de Nanosistemas de la Universidad Nacional de San Martín e investigador del Conicet-. Pero querer analizar así la estructura funcional de una proteína es como tratar de ver cómo nada un pez observando sardinas en una lata. Lo que lograron los premiados de este año son tres avances muy potentes: mejorar los detectores del microscopio electrónico, mejorar el congelamiento con un método muy inteligente para evitar que el agua de las moléculas biológicas se cristalice, lo que deja todo como estaba funcionando, y desarrollar la capacidad de cálculo para reconstruir la imagen en 3D".

Un universo invisible al ojo humano

Las imágenes de objetos invisibles al ojo humano son claves para entender procesos biológicos. Sin embargo, hasta ahora el mapa de la bioquímica estaba salpicado de espacios en blanco porque la tecnología disponible no permitía generar imágenes de gran parte de la maquinaria molecular de la vida, dice el comunicado de la Academia Nobel.

En la primera mitad del Siglo XX, biomoléculas como las proteínas eran una "terra incognita" para los exploradores de la biología. En los años 50, Rosalind Franklin y otros investigadores británicos utilizaron la cristalografía de rayos X para dilucidar la estructura del ADN. En los años ochenta, esta tecnología fue complementada por la resonancia magnética nuclear, que no solo revela la estructura de biomoléculas, sino también cómo se mueven e interactúan entre sí.

Sin embargo, estos métodos tenían varias limitaciones. "Biomoléculas como las proteínas de membrana son muy difícil de cristalizar y, por lo tanto, es imposible estudiarlas por rayos X –detalla via mail desde Hamburgo, Alemania, Gastón Corthey, doctor en Química por la Universidad Nacional de La Plata e investigador adjunto del Conicet en el Instituto de Nanosistemas de la UNSAM–. Por otra parte, la utilización de rayos X requiere de instalaciones gigantescas como los sincrotrones y los láseres de electrones libres con costos de miles de millones de dólares. La microscopía electrónica, en cambio, requiere de un equipo de laboratorio con costos mucho menores."

A partir de la tecnología desarrollada por Henderson, Dubochet y Frank se pueden congelar las biomoléculas en pleno movimiento y visualizar procesos que nunca antes se habían visto. Entre 1975 y 1986, Frank desarrolló un método de procesamiento de imágenes que las fusiona para revelar su estructura tridimensional. En 1990, Henderson generó por primera vez una imagen tridimensional de una proteína a resolución atómica.

Y Dubochet descubrió cómo evitar que las moléculas se mueran cuando el agua se evapora en el vacío del microscopio electrónico: consiguió vitrificarlas enfriándola con tanta rapidez que el agua se solidifica en su forma líquida alrededor de la muestra biológica y conservan su forma natural. Con estos avances, en 2013 se logró la resolución máxima alcanzada hasta ahora en microscopía electrónica de muestras biológicas.

"Esta técnica se empezó a usar en 2000, pero nadie le creía a los datos –cuenta Fernando Goldbaum, investigador superior del Conicet en el Instituto Leloir, y próximo director del Centro de Rediseño e Ingeniería de Proteínas de la Universidad Nacional de San Martín–; a veces, usando la misma tecnología, se obtenían imágenes completamente distintas. Al principio, se empleaba más que nada para células y tejidos, pero gracias a que mejoraron muchísimo la calidad de los detectores y las técnicas matemáticas de validación de datos, hoy se llega a una resolución del 100% o 3 ångströms. La resolución de la cristalografía alcanzaba alrededor de un ångström (una diez mil millonésima parte del metro)".

Un desarrollo formidable

"Es un desarrollo formidable –dice Roberto Salvarezza, director del Instituto de Investigaciones Fisicoquíicas Teóricas y Aplicadas, de La Plata, donde fuciona el Laboratorio de Microscopía de Fuerzas Atómicas, que también estudia moléculas biológicas–. Los tiempos de exposición son muy cortos y no se pierde el agua de las muestras, lo que permite mantener la forma, que es esencial también para la función. Alcanza una resolución que permite reconstruir la ubicación de cada átomo".

"Conocer esta estructura es muy importante para poder entender cómo funcionan moléculas como las proteínas –explica Corthey–. En la industria farmacéutica, por ejemplo, es crucial para poder diseñar una droga que tenga una acción determinada".

Para hacerse una idea del avance que significa este desarrollo, obtener por cristalografía la estructura del ribosoma (engranaje del citoplasma de una célula que participa en la síntesis de proteínas), exigió un esfuerzo de más de dos décadas. Con la criomicroscopía electrónica, puede lograrse en días o meses.

"Esto abre una revolución en la biología –agrega Goldbaum–. El año pasado, en un congreso, un profesor de Oxford mostró cómo está estudiando el virus de la aftosa y puede dilucidar su estructura y ver dónde se pegan los anticuerpos de la vaca, algo fundamental para desarrollar vacunas. La ventaja enorme es que no se necesita conseguir cristales para lograr la difracción, como antes. Y se puede resolver la estructura de una molécula aislada."

La aplicación de la criomicroscopía electrónica es reciente. Cada uno de estos microscopios tiene el tamaño de una habitación y cuesta entre siete y 10 millones de euros. "Debe haber unos 10 o 15 en el mundo", dice Goldbaum.

Jean Dubochet nació en Suiza, en 1942, y trabaja en la Universidad de Lausanne. En una entrevista telefónica, contó que estaba acostumbrado a que lo despertara su perro, pero que esta vez lo hizo la llamada desde Suecia.

Richard Henderson nació en Edimburgo, Escocia, en 1945. La noticia lo encontró precisamente en una reunión sobre... criomicroscopía electrónica.

Joachim Frank nació en Siegen, Alemania, en 1940. Los tres comparten el premio de 1.100.000 dólares por partes iguales.