La risoluzione del microscopio elettronico è radicalmente migliorata negli ultimi anni, dal mostrare per lo più macchie informi (a sinistra) nel 2013 ad essere ora in grado di visualizzare le proteine a risoluzione atomica (a destra) nel presente. Credito:Martin Högbom/The Royal Swedish Academy of Sciences
Gli scienziati che hanno sviluppato la capacità di vedere alcuni degli elementi costitutivi della vita al microscopio elettronico hanno ricevuto il Premio Nobel per la Chimica 2017.
Jacques Dubochet, Joachim Frank e Richard Henderson sono stati i pionieri della microscopia crioelettronica, che, secondo l'Accademia reale svedese delle scienze, semplifica e migliora l'imaging delle molecole biologiche, note come biomolecole.
Il premio di 9 milioni di corone svedesi (1,4 milioni di dollari australiani) è diviso equamente tra Dubochet, presso l'Università svizzera di Losanna, Franco, alla Columbia University di New York, e Henderson, presso il Laboratorio MRC di Biologia Molecolare, Cambridge nel Regno Unito.
L'Accademia ha affermato che il metodo sviluppato dai tre ricercatori ha spostato la biochimica in una nuova era. La tecnologia ora consente ai ricercatori di generare una visione ad alta risoluzione delle biomolecole mentre esistono nel loro stato naturale.
La serratura e la chiave biologica
Il corpo umano è straordinariamente complesso e richiede la cooperazione di una serie di meccanismi biochimici, come la digestione e la produzione di energia, per funzionare bene. Questi intricati processi comportano l'uso di biomolecole, tipicamente grandi entità costituite da amminoacidi, gli elementi costitutivi della vita.
È importante sottolineare che proprio come la costruzione di qualsiasi casa di mattoni, la configurazione o il posizionamento dei blocchi è fondamentale per la resistenza della nostra costruzione, o quanto bene funzionano le nostre biomolecole.
Per di più, le biomolecole presentano la loro capacità di svolgere compiti interagendo con altre entità, tali enzimi, nel corpo. Questi si basano su una configurazione specifica, proprio come una sola chiave può aprire un particolare lucchetto.
La sfida significativa vinta dal team pluripremiato è stata quella di sviluppare la capacità di osservare le biomolecole nel loro stato naturale. Prima dell'avvento della microscopia crioelettronica, sono stati visualizzati con cristallografia a raggi X.
Si pensava anche che i microscopi elettronici fossero adatti solo per l'imaging di materia morta, perché il potente fascio di elettroni distrugge il materiale biologico.
La svolta chiave è arrivata con lo sviluppo di un processo per congelare rapidamente un campione. Ciò ha consentito di catturare le biomolecole nella loro configurazione personalizzata.
Il team ha identificato all'inizio del loro lavoro che il congelamento di un campione prima della visualizzazione può consentire il miglioramento necessario per interrogare completamente le biomolecole.
Negli ultimi anni, ricercatori hanno pubblicato strutture atomiche di numerosi complessi proteici complicati:(a sinistra, a) un complesso proteico che governa il ritmo circadiano, (centro, b) un sensore del tipo che legge le variazioni di pressione nell'orecchio e ci permette di sentire, e (a destra, c) il virus Zika. Credito:Accademia reale svedese delle scienze
Congelato in tempo
Qui è dove inizia il divertimento. Pur suonando intrinsecamente semplice, il congelamento rapido di un campione è particolarmente impegnativo.
Se il processo rimuove l'acqua dal campione, la biomolecola collassa, perdendo la configurazione naturale voluta dai ricercatori. Se il campione viene congelato troppo lentamente si formano cristalli di ghiaccio, che interferisce anche con la configurazione della biomolecola.
Il team ha sviluppato un processo noto come vetrificazione. Questo congela il campione a -190℃ mentre è posto su una rete metallica, un approccio elegantemente semplice per risolvere un problema difficile.
Come la maggior parte dei risultati scientifici vincitori del premio Nobel, lo sviluppo è stato incrementale. I cambiamenti del team nel corso di molti anni hanno permesso la combinazione del processo di congelamento (sviluppato nel 1978) e della tecnologia di microscopia che è stata completamente realizzata solo nel 2013.
Questa combinazione e il progresso tecnologico hanno consentito l'imaging ad alta risoluzione delle biomolecole.
Sbloccare un virus
Allora cosa significa tutto questo? Bene, la comprensione della configurazione della serratura consente agli scienziati di tagliare una chiave particolare.
I virus sono grandi biomolecole. Una volta visualizzato, gli scienziati possono identificare molecole o sviluppare chiavi farmaceutiche che possono inserirsi nella loro struttura per separarle o interromperne la funzione.
Un esempio del potere della microscopia crioelettronica è visto attraverso la rapida caratterizzazione del virus Zika subito dopo che è stato identificato per la prima volta come un grave rischio per la salute globale.
L'identificazione della configurazione del virus e della tasca della biomolecola che si unisce al suo ospite costituirà la base per studi in corso su come combattere al meglio questo virus.
La tecnologia ha avuto un impatto anche a tavola. Un gruppo di ricerca statunitense ha studiato il componente sensibile al calore della lingua, evidenziando il sensore wasabi. Ciò può offrire il potenziale per comprendere meglio i nuovi approcci di gestione del dolore.
In Australia, un consorzio sta sfruttando la potenza di questa tecnologia per sondare le malattie legate al sistema immunitario al fine di sviluppare protocolli di trattamento migliori.
La microscopia crioelettronica sarà un'area entusiasmante da osservare nel prossimo futuro, per fabbri e appassionati di scienza.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale. 
