I ricercatori dell'ETH hanno sviluppato un nuovo metodo per cristallizzare grandi proteine ​​di membrana al fine di determinarne la struttura. Ciò andrà a vantaggio della ricerca biologica e dell'industria farmaceutica.

Le proteine ​​incorporate nella membrana sono una parte essenziale delle cellule e di qualsiasi forma di vita. Non solo esistono in molte varietà diverse, ma anche svolgere una vasta gamma di funzioni, che vanno dalla comunicazione intracellulare e il trasporto di sostanze dentro o fuori la cellula alla mediazione della risposta immunitaria. Le proteine ​​di membrana sono considerate importanti strutture target terapeutiche e diagnostiche. Se si conoscono la loro struttura e le loro funzioni, i ricercatori farmaceutici possono sviluppare sostanze attive che influenzano queste funzioni in modo mirato.

Fino ad ora, però, chiarire la struttura delle proteine ​​di membrana è stato molto difficile poiché prima richiede ai ricercatori di isolare un gran numero di queste molecole e formare cristalli da esse. Qui sta la difficoltà:le proteine ​​di membrana sono insolubili in acqua e spesso troppo grandi ed eterogenee per essere cristallizzate con i metodi standard.

Ora, il gruppo guidato da Raffaele Mezzenga, Professore di Food and Soft Materials all'ETH di Zurigo, sta lavorando per eliminare questa restrizione. In una pubblicazione sulla rivista Comunicazioni sulla natura , il gruppo presenta un metodo generale, che può essere utilizzato per cristallizzare proteine ​​di membrana di qualsiasi tipo o dimensione.

Miscela di acqua e lipidi come camera di reazione

Le basi per il nuovo metodo sono state poste negli anni '90 con il metodo chiamato "in meso cristallizzazione":le proteine ​​vengono isolate e concentrate utilizzando miscele acqua-lipidi stabili note come mesofasi lipidiche. In mesofasi di questo tipo, un processo di autoassemblaggio porta ad una rete tridimensionale di canali d'acqua piegati le cui pareti sono costituite da lipidi, come in una biomembrana. Questi canali d'acqua hanno tipicamente un diametro di 3-4 nanometri, e il motivo cubico di base della rete viene ripetuto a intervalli regolari.

In canali di questo tipo, le proteine ​​di membrana si incastrano nelle pareti utilizzando la parte idrofoba che altrimenti si trova nella membrana cellulare. Il resto della proteina finisce all'interno del canale d'acqua, e le proteine, una volta correttamente ricostituito, può quindi iniziare a cristallizzare. È proprio perché i canali offrono così poco spazio che in passato, solo le piccole proteine ​​di membrana potevano essere cristallizzate:le proteine ​​grandi venivano frantumate e non formavano cristalli.

Canali espansi utilizzando lipidi carichi

I ricercatori dell'ETH hanno ora usato un trucco per espandere i canali:hanno mescolato una piccola percentuale di lipidi caricati elettricamente con i lipidi. Questi si respingono e quindi gonfiano i canali, aumentando il loro diametro a 20 nanometri. Sebbene i primi tentativi di dilatare elettrostaticamente i canali dell'acqua nelle mesofasi lipidiche risalgano all'inizio degli anni 2000 e siano continuati costantemente fino a tempi recenti, questa è la prima evoluzione dimostrata di questa strategia in una metodologia di significato generale.

Grazie a queste mesofasi lipidiche gonfie, infatti, Mezzenga e i suoi colleghi sono riusciti a cristallizzare grandi proteine ​​di membrana e quindi a chiarirne la struttura.

I ricercatori dell'ETH si sono esercitati sulla proteina di membrana chiamata GLIC (Gloeobacter ligand-gated ion channel), che deriva dai batteri. GLIC ha diverse grandi subunità che si trovano all'esterno della membrana batterica nella parte esterna della cellula. Nel passato, è stato utilizzato un metodo diverso per cristallizzare questo complesso poiché questi domini erano troppo grandi. "La nostra procedura non solo ha migliorato la cristallizzazione, ma ha anche prodotto cristalli estremamente compatti appartenenti a un nuovo gruppo cristallografico per questa proteina, " dice Mezzenga. Inoltre, i ricercatori sono stati in grado di cristallizzare per la prima volta questa proteina canale nella sua configurazione chiusa. Fino ad ora, i ricercatori sono stati in grado di cristallizzare il complesso solo nel suo stato aperto utilizzando un metodo diverso.

Incremento previsto per delucidazione strutturale

Il nuovo metodo "generalizzato in meso" potrebbe essere di grande interesse in particolare per i biologi strutturali, che fino ad ora hanno lottato per chiarire la struttura delle grandi proteine ​​di membrana. "Questo strumento darà nuovo impulso alla delucidazione strutturale, poiché apre proteine ​​che prima erano fuori portata, "dice Mezzenga.

Attualmente, gli scienziati conoscono l'esatta struttura di sole 360 ​​piccole proteine ​​di membrana, o circa un settimo di tutte le proteine ​​di membrana. La struttura delle molte proteine ​​di membrana rimanenti è sconosciuta.

Secondo Mezzenga, la ricerca può anche essere di beneficio per l'industria farmaceutica. "La capacità di determinare la struttura è di fondamentale importanza per lo sviluppo di nuovi farmaci, " dice. "Questo metodo semplificherà notevolmente le cose e darà nuovo impulso al campo".