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Il Nobel della Chimica alla microscopia fredda

Con buona pace della Clarivate Analytics (ex Thomson Reuters), che nelle sue tradizionali previsioni [1] quest’anno non ha azzeccato neanche una medaglia, il premio Nobel per la chimica del 2017 [2] è stato assegnato a Jacques Dubochet, Joachim Frank e Richard Henderson. Il loro merito? Aver rivoluzionato il mondo della microscopia, rendendo possibile l’utilizzo dei microscopi elettronici per osservare la materia vivente.

È la cosiddetta microscopia fredda, o crioelettronica, una tecnica di imaging che permette di congelare proteine e altre biomolecole, per osservarle con una risoluzione che raggiunge i singoli atomi. Una scoperta rivoluzionaria, assicura la giuria di esperti del Nobel, che ha aperto le porta a una nuova era della ricerca biochimica.

E in effetti, sono innumerevoli le scoperte in campo medico e biologico degli ultimi anni rese possibili dalla microscopia fredda. È a questa tecnologia, ad esempio, che ci si è affidati ai primi sospetti di un collegamento tra microcefalia e virus Zika [3]: visualizzando il virus con la microscopia crioelettronica è stato possibile studiarne struttura e composizione a livello atomico, e iniziare così la ricerca di potenziali target per lo sviluppo di nuovi farmaci e terapie.

Qualcosa di impensabile ancora solo fino a pochi anni fa.

Ma se è intorno al 2013 che la tecnologia in questione ha raggiunto al sua forma matura, le radici di questa tecnica affondano nel lavoro portato avanti dai tre premi Nobel a partire dalla seconda metà dello scorso secolo.

Fino agli anni ‘50, in effetti, era assolutamente impossibile osservare direttamente proteine, dna, rna, e tutte le altre biomolecole che fanno funzionare le cellule del nostro corpo.

A renderlo possibile è stato soprattutto lo sviluppo della cristallografia a raggi X, sviluppata nei laboratori di Cambridge a partire dagli anni ‘50. Una tecnica di imaging rivoluzionaria, ma non priva di difetti: uno su tutti, funziona solamente con molecole che formano cristalli ben organizzati. Un limite estremamente frustrante per il giovane Richard Henderson, che negli anni ‘70, dopo anni di tentativi infruttuosi dedicati a studiare alcune proteine con la cristollografia a raggi X, decise cambiare radicalmente strategia, volgendo l’attenzione ad un’altra potente tecnica di microscopia: la microscopia elettronica.

Un progetto che a molti colleghi sembrava destinato a fallire sin dall’inizio. Si riteneva infatti che i microscopi elettronici fossero utilizzabili solamente su materiali inorganici o tessuti morti. Per farli funzionare bisogna creare il vuoto intorno ai campioni da studiare, e in queste condizioni le molecole biologiche tendono a deteriorarsi troppo velocemente a causa dell’evaporazione del loro contenuto di acqua. I fasci di elettroni su cui si basa la tecnologia hanno poi la tendenza a carbonizzare qualunque materiale biologico, rendendo impossibile l’osservazione.

Come tanti pionieri della scienza, Henderson decise di ignorare i problemi teorici e sperimentare la tecnologia di persona. E con l’aiuto di un pizzico di fortuna, la sua scelta si rivelò un successo. Nel 1975 riuscì a produrre il primo modello tridimensionale di una proteina di membrana, la batteriorodopsina, utilizzando una soluzione di glucosio per proteggere il campione nel vuoto, e sfruttando la particolare conformazione spaziale della proteina per diminuire la potenza dei raggi di elettroni del microscopio, e usare poi i loro pattern di diffrazione per ricostruire la forma della molecola.

Il risultato di quel primo esperimento arrivava a una risoluzione di 7 Ångström (0,0000007 millimetri). Ma nei decenni successivi Henderson continuò a ottimizzare la tecnologia, arrivando a produrre nel 1990 un’immagine tridimensionale con risoluzione di 3 Ångström, sufficiente per osservarne la struttura a livello atomico. Una rivoluzione, che come abbiamo detto sfruttava però su la particolare struttura spaziale della batteriorodopsina. E non era quindi replicabile con altre proteine.

E non lo sarebbe mai diventata senza il lavoro di Joachim Frank, biofisico tedesco che tra il 1975 e il 1986 si è dedicato a migliorare la microscopia elettronica grazie ai computer. Gli algoritmi da lui sviluppati permettono di prende una serie di immagini bidimensionali e fonderle insieme, per aumentarne la risoluzione, e di fondere poi ancora una volta le immagini ad alta risoluzione per generare un modello tridimensionale della struttura analizzata. La risoluzione delle immagini di Frank non era particolarmente elevata (qualcuno alle spalle definiva la sua tecnica blobbologia) ma poteva quanto meno essere utilizzata su qualunque tipo di molecola biologica.

È con il lavoro di Jacques Dubochet però che arriva l’ultimo tassello necessario allo sviluppo della microscopia crioelettronica: l’aggiunta del freddo. La soluzione al glucosio utilizzata da Henderson per proteggere le molecole nel vuoto non è infatti utilizzabile con tutte le biomolecole, e in particolare non funziona nel caso di molecole solubili in acqua. Una possibilità alternativa è quella di congelare i campioni, perché il ghiaccio resiste all’evaporazione più dell’acqua liquida. Ma in questo modo i cristalli di acqua ghiacciata deviano i raggi di elettroni rendendo le immagini acquisite inutilizzabili.

La soluzione di Dubochet arrivò nel 1982: congelare i campioni così velocemente da impedire la formazione di cristalli, ottenendo quella che viene definita vetrificazione dell’acqua. È da questa scoperta che nasce la microscopia crioelettronica: una tecnica che oggi permette di “congelare” una molecola ottenendo un’istantanea che ne mostra forma e funzioni con una risoluzione elevatissima.

Per arrivare alla forma attuale della tecnologia sono serviti altri due decenni di lavoro, e il contributo di centinaia di ricercatori. Ma le basi di questa rivoluzione nascono dai pionieristici lavori di Jacques Dubochet, Joachim Frank e Richard Henderson.

Via: Wired.it [4]