I ricercatori della Tokyo Metropolitan University hanno determinato con successo l'alta risoluzione, struttura tridimensionale delle proteine ​​all'interno delle cellule eucariotiche viventi. Hanno combinato la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) "in-cell", un sistema di bioreattori e algoritmi computazionali all'avanguardia per determinare per la prima volta le strutture proteiche in ambienti intracellulari affollati. La tecnica promette informazioni sul comportamento intracellulare delle proteine ​​che causano malattie e nuove applicazioni di screening dei farmaci, consentendo la visualizzazione in situ di come le proteine ​​rispondono agli stimoli biochimici.

Le cellule eucariotiche sono gli elementi costitutivi di una vasta gamma di organismi, compresi tutti i funghi, Piante e animali. La loro struttura interna è estremamente complessa e variegata, con un'intricata gerarchia strutturale e una vasta gamma di biomacromolecole distribuite attorno a una rete citoscheletrica. Ciò ha reso difficile vedere cosa fa ogni proteina all'interno delle cellule nel suo ambiente naturale, nonostante gli ovvi benefici biomedici del sapere, per esempio. come reagisce una particolare proteina quando le cellule sono sottoposte a stimoli chimici, come i farmaci.

Per affrontare questa sfida, un team della Tokyo Metropolitan University guidato dall'assistente professore Teppei Ikeya e dal professor Yutaka Ito ha applicato misurazioni della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) a specifiche proteine ​​espresse all'interno sf9 cellule di insetto coltivate, un ceppo di cellule originariamente derivato da un tipo di larva di falena ampiamente utilizzata per la produzione di proteine. Il lavoro pionieristico della NMR del team era già riuscito a chiarire le strutture proteiche ad alta risoluzione all'interno dei batteri (non eucarioti). Il problema con la semplice applicazione delle stesse tecniche alle proteine ​​in sf9 cellule era la concentrazione significativamente più bassa di proteine ​​bersaglio e la breve durata delle cellule, rendendo difficile la raccolta di spettri NMR multidimensionali di alta qualità per la spettroscopia nucleare a effetto Overhauser (NOESY) che fornirebbe informazioni precise su come i diversi atomi sono distanziati all'interno delle singole molecole. Così, hanno combinato uno schema di misurazione NMR rapido basato su un campionamento sparso con metodi computazionali all'avanguardia che impiegano tecniche statistiche come l'inferenza bayesiana, metodi su misura per chiarire le strutture proteiche in modo efficiente sulla base di una quantità limitata di informazioni strutturali da spettri NMR nelle cellule con intrinsecamente bassa sensibilità. All'interno dell'apparato NMR è stato inoltre dotato di un sistema di bioreattore che ha mantenuto le cellule in uno stato di salute durante le misurazioni.

Con questi nuovi dati, il team è stato in grado di chiarire la struttura 3D di tre proteine ​​modello con una risoluzione senza precedenti, con una precisione di 0,5 Angstrom (0,05 nanometri) per la posizione degli atomi della catena principale della proteina. In particolare, hanno identificato una conformazione significativamente diversa in una regione localizzata di una delle proteine ​​rispetto alla sua struttura di riferimento in soluzione diluita. La differenza conformazionale tra le proteine ​​"nelle cellule" e "nelle provette" è stata presumibilmente causata da interazioni non specifiche con altre molecole all'interno delle cellule. Sta diventando chiaro che queste interazioni contribuiscono alle funzioni biologiche delle proteine:si prevede che la capacità di localizzare e quantificare i cambiamenti strutturali delle proteine ​​in un ambiente intracellulare avrà un impatto significativo sulla ricerca biomedica, rendendo possibile vedere come diverse condizioni, ad es. malattie neurodegenerative influenzano le conformazioni proteiche in situ, e misurare quantitativamente come i trattamenti influiscono sulle anomalie strutturali.