(PhysOrg.com) - Cuando Gang Ren gira los controles de su microscopio crioelectrónico, lo compara con el ajuste fino de la palanca de cambios y los frenos de una bicicleta de carreras. Pero esta máquina del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) es un poco más compleja. Cuesta casi $ 1.5 millones, opera a la gélida temperatura del nitrógeno líquido, y permite a los científicos ver lo que nadie ha visto antes.

En la Fundición Molecular, El aclamado centro de investigación en nanotecnología de Berkeley Lab, Ren ha llevado su microscopio Zeiss Libra 120 Cryo-Tem a resoluciones nunca imaginadas por sus fabricantes alemanes, produciendo instantáneas detalladas de moléculas individuales. Hoy dia, él y su colega Lei Zhang están reportando las primeras imágenes tridimensionales de una proteína individual jamás obtenidas con suficiente claridad para determinar su estructura.

Los científicos crean de forma rutinaria modelos de proteínas mediante difracción de rayos X, resonancia magnética nuclear, y formación de imágenes por microscopio crioelectrónico convencional (cryoEM). Pero estos modelos requieren un "promedio" por computadora de los datos del análisis de miles, o incluso millones de moléculas similares, porque es muy difícil resolver las características de una sola partícula. Ren y Zhang han hecho precisamente eso, generando modelos detallados usando imágenes microscópicas electrónicas de una sola proteína.

Él llama a su técnica "tomografía electrónica de partículas individuales, ”O IPET. El trabajo se describe en la edición del 24 de enero de Más uno , la revista científica de código abierto, en un artículo titulado "IPET y FETR:enfoque experimental para estudiar la dinámica de la estructura molecular mediante tomografía crioelectrónica de una estructura de una sola molécula".

Las imágenes tridimensionales reportadas en el artículo incluyen las de un solo anticuerpo IgG y apolipoproteína A-1 (ApoA-1), una proteína involucrada en el metabolismo humano. El objetivo de Ren es producir imágenes tridimensionales individuales de proteínas de importancia médica, como el HDL, el “colesterol bueno” protector del corazón cuya estructura ha eludido los esfuerzos de legiones de científicos armados con herramientas de modelado de proteínas mucho más poderosas. “Estamos bien encaminados, ”Dice Ren.

Ren tiene las credenciales de alguien que sabe lo que puede hacer. Fue contratado para trabajar en Berkeley Lab en agosto de 2010 de la Universidad de California en San Francisco, donde había utilizado un microscopio crioelectrónico y técnicas de promediado más convencionales para discernir la estructura tridimensional del LDL, el "colesterol malo" que se cree que es un factor de riesgo importante para las enfermedades cardíacas.

Sus imágenes de proteínas individuales son un poco borrosas, incluso después de que se hayan limpiado mediante un filtrado informático complejo, pero muy informativo para el observador entrenado. Estas partículas individuales son extraordinariamente diminutas, requiriendo que Ren se concentre en un punto de menos de 20 nanómetros. Ha informado de imágenes de proteínas tan pequeñas como 70 kDa. Eso es kilodaltons, una escala liliputiense (expresada en unidades de masa) reservada para medir los átomos, moléculas, y fragmentos de ADN. Es una forma más útil de dimensionar objetos blandos como proteínas que pueden agruparse, fibroso, o disquete.

A diferencia de las imágenes escultóricas de los modelos de proteínas, un conjunto de estas fotografías puede transmitir una sensación de estas partículas en toda su flacidez a nanoescala. Dentro de la compleja estructura de estas proteínas se encuentran los secretos de su función, y quizás claves de drogas que bloqueen las malas y promuevan las buenas. Con algunos filtros informáticos adicionales, Se puede generar un modelo de proteína de alto contraste a partir de las imágenes y animarlo para mostrar sus partes móviles en 3-D.

"Esto te permite ver la personalidad de cada proteína, "Dice Ren. "Es una prueba de concepto para algo que la gente pensaba que era imposible".

Al observar la estructura de proteínas individuales, es posible entender su flexibilidad, Partes que se mueven. “Esto abre una puerta para el estudio de la dinámica de las proteínas, —Dice Ren. "Anticuerpos, por ejemplo, no son sólidos. Son muy flexibles muy dinámico ".

¿Cómo consiguió Ren tanta versatilidad de su Libra 120? "No es un modelo de muy alta gama, "Concede. Mucho tiene que ver con los accesorios que atornilla a la máquina, y con su propio arte y paciencia. Él equipó el microscopio con $ 300, 000 cámara CCD, algún potente software de procesamiento de imágenes, agentes de contraste especiales, y un dispositivo llamado "filtro de energía" que tamiza los datos de la cámara digitalizada y elimina las señales débiles. Completamente familiarizado con su máquina personalizada, también emplea un elemento de grasa de codo, trabajando largas horas para extraer las poderosas imágenes de un torrente de ruido digital.

Los múltiples ángulos utilizados para crear el retrato en 3D ayudan a resolver la tenue imagen molecular. "Todas las imágenes son ruidosas, "Ren explica. "En física, el ruido es inconsistente entre las imágenes, pero la señal, el objeto o la proteína, es consistente. Al utilizar este enfoque, encontramos que la porción consistente (la señal) se puede mejorar, mientras que la parte inconsistente (el ruido) se reducirá sustancialmente ".

Los microscopios electrónicos enfocan corrientes de electrones en lugar de luz para ver cosas increíblemente pequeñas. La longitud de onda corta de un haz de electrones permite una resolución y un aumento mucho más altos que la luz visible. Durante décadas se han utilizado potentes microscopios electrónicos para sondear materiales a escala atómica; y justo al lado de Molecular Foundry se encuentra el Centro Nacional de Microscopía Electrónica de Berkeley Lab, que alberga los microscopios más potentes del mundo. El microscopio TEAM 0.5 puede distinguir objetos tan pequeños como el radio de un átomo de hidrógeno. Pero estos microscopios de peso pesado logran esta resolución a escala atómica con pulsos de energía que destruirían la mayoría de las proteínas biológicas blandas. Los microscopios electrónicos de alta potencia se utilizan principalmente para sondear estructuras atómicas de fuerte, materiales sólidos, como el grafeno, una red de carbono de un solo átomo de espesor.

El laboratorio de Ren se especializa en cryoEM, que examina objetos congelados a -180 ° C (-292 ° F). Un baño de nitrógeno líquido congela rápidamente las muestras con tanta rapidez que no se forman cristales de hielo. "Es amorfo, como el vidrio, "Dice Ren. Las muestras de proteínas se congelan en un disco del tamaño de la uña de un bebé. lleno de pozos diminutos de 2 micrones de ancho. El disco se inserta en el microscopio sobre un soporte giratorio que puede inclinar la muestra hasta 140 ° dentro de un vacío, ángulos de cámara suficientes para producir una perspectiva tridimensional. “El desafío es aislarlo del aire, y girarlo sin vibraciones, incluso las vibraciones del burbujeo de nitrógeno líquido, "Dice Ren.

La temperatura extremadamente baja fija las muestras y evita que se sequen en el vacío necesario para el escaneo de electrones. Crea condiciones favorables para la obtención de imágenes con dosis mucho más bajas de electrones, lo suficientemente bajas como para mantener intacta una sola proteína blanda mientras se toman más de 100 imágenes durante un período de una a dos horas.