Le proteine ​​sono gli strumenti della vita. In futuro, gli scienziati potrebbero essere in grado di esaminare singole molecole con un metodo particolarmente delicato per determinare come sono costruite, come svolgono le loro funzioni nelle cellule, e come interagiscono con potenziali farmaci. Questo è possibile grazie a ologrammi di proteine ​​che, per la prima volta, hanno prodotto utilizzando elettroni molto lenti da scienziati dell'Università di Zurigo e del Max Planck Institute for Solid State Research di Stoccarda.

Conoscere la struttura delle proteine ​​è interessante non solo per i biologi che vogliono capire come funziona un organismo ma anche per medici e farmacologi che hanno bisogno di sapere come sono costruite le proteine, come interagiscono con altre proteine ​​e molecole più piccole, e come questi siti di legame cambiano mentre la proteina svolge le sue funzioni. Con questa conoscenza, i ricercatori possono sviluppare farmaci che interagiscono con il macchinario proteico quando si rompe e ci ammaliamo.

La capacità di visualizzare singole proteine ​​potrebbe essere estremamente utile:metodi comuni come l'analisi della struttura a raggi X e la microscopia crioelettronica richiedono cristalli delle biomolecole o una grande quantità di una proteina. Un difetto di questi metodi è che i cristalli di molte proteine ​​sono impossibili da coltivare. Inoltre, a causa della media, le tecniche spesso non riescono a rilevare le differenze tra le varie conformazioni, cioè varianti strutturali, della biomolecola. Eppure sono proprio queste variazioni che sono importanti nella ricerca di nuovi farmaci, poiché le proteine ​​assumono varie conformazioni quando svolgono le loro funzioni.

L'idea originale dell'olografia è ora realtà

"Abbiamo ora visualizzato per la prima volta singole proteine, "dice Hans-Werner Fink, professore all'Università di Zurigo e capo dell'esperimento. "Ciò è stato ottenuto combinando due metodi unici nel mondo scientifico:l'olografia elettronica e la deposizione di fasci di ioni elettrospray, che consente di preparare i campioni molto delicatamente." Usando questa combinazione, i ricercatori hanno generato ologrammi del citocromo C, albumina ed emoglobina. Poiché le strutture di queste proteine ​​sono già note, i ricercatori sono stati in grado di usarli per confermare l'accuratezza e l'utilità degli ologrammi.

Per l'olografia elettronica, i ricercatori del gruppo zurighese di Hans-Werner Fink hanno sviluppato un microscopio innovativo che sfrutta le proprietà ondulatorie degli elettroni. Il microscopio irradia elettroni a bassa energia attraverso una proteina e sovrappone gli elettroni dispersi con la parte del fascio di elettroni che non ha interagito con la proteina. Il modello di interferenza risultante, che può essere registrato al microscopio, forma un ologramma simile a quelli ottenuti dall'olografia ottica. "Poiché gli elettroni hanno pochissima energia, c'è pochissimo danno da radiazioni, anche se immaginiamo una proteina per ore, a differenza di altri metodi di analisi strutturale, " spiega Hans-Werner Fink.

Con il microscopio olografico elettronico, il fisico ha realizzato l'idea originale di Dennis Gábor. Quando l'ingegnere ungherese-britannico inventò l'olografia nel 1947, in realtà aveva in mente un microscopio elettronico migliorato. Però, all'epoca non esistevano sorgenti di elettroni adatte, affinché, dopo l'invenzione del laser, questo nuovo principio di imaging ottico poteva essere messo in pratica solo con la luce. Dennis Gábor ha ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 1971. "Dopo l'invenzione di una sorgente puntiforme di elettroni ultra nitidi, che emette elettroni con proprietà simili a una luce laser, abbiamo finalmente realizzato la brillante idea di Dennis Gábor con le onde elettroniche, "dice Hans-Werner Fink.

La proteina gassosa viene posizionata delicatamente sul grafene

Però, per l'immagine di singole proteine ​​con olografia elettronica, i ricercatori svizzeri avevano ancora bisogno di un materiale di supporto per le proteine ​​che fosse trasparente alle onde degli elettroni e di un metodo per collocarvi biomolecole senza causare danni. Il grafene si è rivelato il materiale più adatto per il supporto. I ricercatori del Max Planck Institute for Solid State Research hanno trovato la migliore soluzione per depositare proteine ​​sui fogli costituiti da strati di carbonio:deposizione di fasci di ioni elettrospray, che è stato sviluppato da un team guidato da Stephan Rauschenbach nel dipartimento di Klaus Kern. I ricercatori espongono la soluzione proteica a un'elevata tensione elettrica in modo che il liquido sia altamente carico. La repulsione elettrica fa quindi atomizzare il liquido in una nebbia sottile. Quando le goccioline di nebbia sono esposte al vuoto, il liquido evapora e i costituenti disciolti, cioè proteine ​​e impurità, rimanere indietro come gas. Uno spettrometro di massa quindi ordina le proteine ​​in base ai loro rapporti massa-carica e separa anche le impurità.

"Il nostro metodo consente di trasferire singole molecole biologiche nel vuoto e depositarle su una superficie così delicatamente da preservare la loro fragile struttura proteica ripiegata tridimensionale, " dice Stephan Rauschenbach. "Grazie alla spettrometria di massa preparativa, evitiamo anche la contaminazione dei campioni di grafene con altre molecole, che è cruciale per la qualità dell'immagine olografica." La spettrometria di massa consente anche di separare miscele proteiche o proteine ​​pure da complessi con partner leganti.

Informazioni sull'assemblaggio delle subunità

Una volta che Stephan Rauschenbach e i suoi colleghi hanno depositato le proteine ​​sui substrati di grafene a Stoccarda, i campioni devono essere trasportati a Zurigo, dove si trova il microscopio olografico elettronico. I campioni devono arrivare in uno stato incontaminato, il che significa che nessun'altra molecola può essere lasciata depositare sul grafene. Per trasportare i campioni in Svizzera, i ricercatori hanno sviluppato un caso in cui prevale un vuoto ultra spinto, come nell'apparato stesso.

Grazie anche alla meticolosa cura e pulizia osservate durante la preparazione e il trasporto dei campioni, gli ologrammi elettronici raggiungono già una risoluzione inferiore a un nanometro. "Questo ci permette di studiare come vengono assemblate le singole subunità di grandi complessi proteici, " dice Stephan Rauschenbach. I primi ologrammi di singole proteine ​​forniscono anche informazioni sulla loro struttura tridimensionale.

"Però, per visualizzare accuratamente le strutture proteiche a livello atomico, dobbiamo ancora migliorare un po' la risoluzione, " spiega Klaus Kern. ", non ci sono ostacoli fisici che lo impediscono." Gli scienziati con sede a Zurigo e Stoccarda hanno ora in programma di costruire un microscopio in cui le vibrazioni delle proteine ​​vengono soppresse raffreddando i campioni a circa meno 200 gradi Celsius. Inoltre, un laboratorio di precisione unico è stato recentemente costruito presso l'Istituto Max Planck di Stoccarda, che offre condizioni perfette per misurazioni altamente sensibili come l'olografia. Questo laboratorio è stato costruito su iniziativa di Klaus Kern ed è attualmente il gold standard per un ambiente di misurazione a basse vibrazioni. Non appena il microscopio olografico elettronico è stato ottimizzato, gli scienziati biomedici possono utilizzare questo nuovo strumento per studiare le complessità del funzionamento degli strumenti della vita.