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Alla crio-microscopia il Nobel per la chimica 2017

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Grazie alla possibilità di poter dare uno sguardo ravvicinato alla struttura e al comportamento delle molecole biologiche attraverso la tecnica della crio-microscopia elettronica, Jacques Dubochet, Joachim Frank e Richard Henderson sono riusciti ad aggiudicarsi il premio Nobel per la chimica di quest’anno.

Il principio di base è abbastanza semplice: superare i limiti d’ingrandimento della microscopia ottica sostituendo la radiazione luminosa con un fascio di elettroni, i quali hanno una lunghezza d’onda decisamente inferiore rispetto a quella della luce. Per fare ciò, tutto ciò che occorre è un circuito elettronico progettato per interpretare la “risposta” del campione investito dal fascio di elettroni.

Nonostante gli enormi vantaggi evidenti nei campi più disparati della ricerca, però, la microscopia elettronica, nelle sue prime realizzazioni, aveva un grosso limite: non poteva essere usata su campioni biologici. Infatti, sfruttando un fascio potente e condizioni di vuoto adeguate, necessarie per ottenere immagini con una risoluzione elevata, si sarebbe incenerito e degradato il materiale biologico.

Il Nobel per la chimica 2017 alla crio-microscopia elettronica

Tale l’ostacolo cominciò ad essere superato verso la metà degli anni settanta, grazie agli studi di Richard Henderson che all’Università di Cambridge ottenne un’immagine tridimensionale di una molecola biologica. Si trattava di una proteina (la radospina) che si trova avvolta in una membrana di organismi sensibili alla luce. Come risultato furono ottenute immagini con una risoluzione tale a ricostruire la struttura tridimensionale della proteina.
Negli anni successivi, le tecniche di microscopia elettronica furono migliorate a tal punto da rendere possibile la ricostruzione della stessa struttura con una risoluzione atomica. Il risultato fu presentato dallo stesso Henderson nel 1990.

L’idea di Henderson per prevenire la disidratazione dei campioni prevedeva l’uso di una soluzione di glucosio, che però non era adatta per molecole biologiche solubili in acqua. Altri ricercatori avevano tentato di congelare i campioni, puntando sul fatto che il ghiaccio evapora più lentamente dell’acqua liquida. Il problema però era che i cristalli di ghiaccio alteravano il fascio di elettroni fino a renderlo inutilizzabile.

La soluzione del problema venne da Jacques Dubochet: raffreddare l’acqua così rapidamente da non dare tempo ai cristalli di formarsi. Le molecole di acqua potevano così rimanere in uno stato disordinato, simile a quello del vetro. Già nel 1982, il gruppo di Debouchet riuscì a “vetrificare” goccioline di acqua in etano portate alla temperatura di -196 °C. Dopo questo fondamentale traguardo, il ricercatore svizzero si dedicò a sviluppare una tecnica che sarebbe diventata la base della crio-microscopia elettronica: iniziò a sciogliere i campioni biologici da osservare in acqua, che veniva successivamente vetrificata. Nel 1984 pubblicò le prime immagini di virus di diverse forme e strutture.crio-microscopia elettronica

Compiuto questo primo passo, restava solo trovare come applicarlo in modo diffuso. Fortuna volle che sull’altra sponda dell’oceano c’era un certo Joachim Frank del New York State Department of Health, che cercava, per via teorica, il modo di ottenere immagini tridimensionali a elevata risoluzione da immagini bidimensionali a bassa risoluzione ottenute con la microscopia elettronica. Frank riuscì infine a sviluppare un algoritmo matematico che consentisse a un computer di identificare schemi e figure ricorrenti all’interno di diverse immagini, rendendo molto più nitido il risultato finale. Questo obiettivo fu raggiunto da Frank nel 1981, e già verso la metà degli anni ottanta il metodo era pronto per il grande salto: ottenere immagini tridimensionali. Per dimostrare le potenzialità del metodo, il ricercatore scelse il l’enorme ribosoma: l’immagine tridimensionale della sua superficie stupì il mondo.

Nel 1991, preparando il ribosoma secondo la tecnica criogenica di Debouchet, Frank ottenne immagini con una risoluzione di 40 angstrom (un decimiliardesimo di metro). Con nuove metodiche di rivelazione degli elettroni, la risoluzione è arrivata in anni recenti alla scala del singolo atomo. Ora la crio-microscopia elettronica è una realtà tecnologica a disposizione di molti laboratori nel mondo (anche in Italia) e ha permesso una rivoluzione della biochimica perché permette di ottenere, come in un film, diverse istantanee di processi chimici che si svolgono in scala atomica nell’arco di frazioni di miliardesimi di secondo.

 

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