Molécula

Los científicos de Weill Cornell Medicine han desarrollado una técnica computacional que aumenta enormemente la resolución de la microscopía de fuerza atómica, un tipo de microscopio especializado que “siente” los átomos en una superficie.

El método revela detalles a nivel atómico sobre proteínas y otras estructuras biológicas en condiciones fisiológicas normales, abriendo una nueva ventana sobre biología celular, virología y otros procesos microscópicos.

En un estudio, publicado el 16 de junio en Naturaleza, los investigadores describen la nueva técnica, que se basa en una estrategia utilizada para mejorar la resolución en microscopía óptica.

Para estudiar proteínas y otras biomoléculas a alta resolución, los investigadores se han basado durante mucho tiempo en dos técnicas: cristalografía de rayos X y microscopía crioelectrónica. Si bien ambos métodos pueden determinar estructuras moleculares hasta la resolución de átomos individuales, lo hacen en moléculas que están formadas en cristales o congeladas a temperaturas ultra frías, posiblemente alterando sus formas fisiológicas normales.

La microscopía de fuerza atómica (AFM) puede analizar moléculas biológicas en condiciones fisiológicas normales, pero las imágenes resultantes han sido borrosas y de baja resolución.

La microscopía de fuerza atómica puede resolver fácilmente átomos en física, en superficies sólidas de silicatos y en semiconductores, por lo que significa que, en principio, la máquina tiene la precisión para hacer eso “.

Dr. Simon Scheuring, autor principal del estudio y profesor, fisiología y biofísica, anestesiología, Weill Cornell Medicine

“La técnica es un poco como si tuvieras que tomar un bolígrafo y escanear las Montañas Rocosas, de modo que obtengas un mapa topográfico del objeto. En realidad, nuestro bolígrafo es una aguja afilada hasta unos pocos átomos y el los objetos son moléculas de proteína únicas “.

Sin embargo, las moléculas biológicas tienen muchas partes pequeñas que se mueven, difuminando sus imágenes AFM. Para abordar ese problema, el Dr. Scheuring y sus colegas adaptaron un concepto de microscopía óptica llamado microscopía de superresolución.

“En teoría, no era posible mediante microscopía óptica resolver dos moléculas fluorescentes que estaban más juntas que la mitad de la longitud de onda de la luz”, dijo. Sin embargo, al estimular las moléculas adyacentes para que emitan fluorescencia en diferentes momentos, los microscopistas pueden analizar la propagación de cada molécula y señalar sus ubicaciones con alta precisión.

En lugar de estimular la fluorescencia, el equipo del Dr. Scheuring observó que las fluctuaciones naturales de las moléculas biológicas registradas en el transcurso de las exploraciones AFM producen extensiones similares de datos posicionales.

El primer autor, el Dr. George Heath, que era asociado postdoctoral en Weill Cornell Medicine en el momento del estudio y ahora es miembro de la facultad de la Universidad de Leeds, participa en ciclos de experimentos y simulaciones computacionales para comprender el proceso de imágenes AFM en mayor medida. detallar y extraer el máximo de información de las interacciones atómicas entre la punta y la muestra.

Utilizando un método como el análisis de superresolución, pudieron extraer imágenes de mucha mayor resolución de las moléculas en movimiento. Continuando con la analogía topográfica, el Dr. Scheuring explicó que “si las rocas (es decir, los átomos) se mueven un poco hacia arriba y hacia abajo, puede detectar esta, luego aquella, y luego promedia todas las detecciones a lo largo del tiempo y recibe altas información de resolución “.

Debido a que los estudios de AFM anteriores han recopilado de forma rutinaria los datos necesarios, la nueva técnica se puede aplicar retroactivamente a las imágenes borrosas que el campo ha generado durante décadas. Como ejemplo, el nuevo artículo incluye un análisis de un escaneo AFM de una proteína de membrana de acuaporina, originalmente adquirida durante la tesis doctoral del Dr. Scheuring.

El reanálisis generó una imagen mucho más nítida que coincide estrechamente con las estructuras de cristalografía de rayos X de la molécula. “Básicamente, ahora se obtiene una resolución casi atómica en estas superficies”, dijo el Dr. Scheuring. Para mostrar el poder del método, los autores proporcionan nuevos datos de alta resolución sobre la anexina, una proteína involucrada en la reparación de la membrana celular, y sobre un antiportador de cloruro de protones del cual también informan cambios estructurales relacionados con su funcionalidad.

Además de permitir a los investigadores estudiar moléculas biológicas en condiciones fisiológicamente relevantes, el nuevo método tiene otras ventajas. Por ejemplo, la cristalografía de rayos X y la microscopía crioelectrónica se basan en promediar datos de un gran número de moléculas, pero el AFM puede generar imágenes de moléculas individuales. “En lugar de tener observaciones de cientos de moléculas, observamos una molécula cien veces y calculamos un mapa de alta resolución”, dijo el Dr. Scheuring.

La obtención de imágenes de moléculas individuales mientras llevan a cabo sus funciones podría abrir tipos de análisis completamente nuevos. “Digamos que tienes un [viral] proteína de pico que está en una conformación y luego se activa y pasa a otra conformación “, dijo el Dr. Scheuring.

“En principio, sería posible calcular un mapa de alta resolución a partir de esa misma molécula a medida que pasa de una conformación a la siguiente, no de miles de moléculas en una u otra conformación”. Estos datos de una sola molécula de alta resolución podrían proporcionar información más detallada y evitar los resultados potencialmente engañosos que pueden ocurrir al promediar los datos de muchas moléculas. Además, el mapa podría revelar nuevas estrategias para redirigir o interrumpir con precisión dichos procesos.