Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Cryo-EM

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Kriomikroskopia

Kriomikroskopia elektronowa (cryo-EM: cryogenic electron microscopy) jest metodą obrazowania, opartą o elastyczne rozpraszanie wiązki elektronów przechodzących przez cienkie warstwy badanych materiałów lub molekuł zawieszonych w lodzie. Rozproszone podczas transmisji elektrony tworzą na detektorze jej dwuwymiarową, powiększoną projekcję. Dzięki temu, że długość fali elektronów jest bardzo mała, możliwe jest osiągnięcie atomowej rozdzielczości pomiaru.

W celu wykonania pomiarów kriomikroskopowych białek lub innych biomolekuł zawisiny z próbką  zamrażane są w ciekłym etanie. Dzięki temu, w przeciwieństwie do krystalografii, możliwe jest zobrazowanie ruchomych, heterogennych obiektów oraz zbadanie zmian konformacyjnych danej cząsteczki. Ich trójwymiarowa struktura jest rekonstruowana na podstawie automatycznej analizy setek obrazów mikroskopowych pojedynczych molekuł, przedstawiających ich dwuwymiarowe projekcje w różnych, przypadkowych orientacjach. W przeciwieństwie do krystalografii rentgenowskiej, metoda ta nie wymaga uprzedniej krystalizacji biomolekuł, która jest procesem trudnym, kosztownym i nie zawsze kończy się sukcesem.

Metoda Cryo-EM jest szeroko wykorzystywana w przemyśle farmaceutycznym i biotechnologicznym, a jej twórcy, Jacques Dubochet, Joachim Frank i Richard Henderson, otrzymali w 2017 roku Nagrodę Nobla. Niezwykła użyteczność tej techniki została potwierdzona w marcu 2020 roku, kiedy naukowcom udało się rozwiązać w niespotykanym tempie strukturę białka kolca (spike protein) koronawirusa SARS Cov2 https://science.sciencemag.org/content/367/6483/1260 , co ułatwiło naukowcom i lekarzom walkę z pandemią COVID-19.

Dla kogo kriomikroskopia elektronowa?

Dla nauki i przemysłu. Zastosowania kriomikroskopii elektronowej koncentrują się wokół biotechnologii medycznej i farmaceutycznej, szeroko pojętej biologii doświadczalnej – biochemii, biologii molekularnej, biologii komórkowej czy biofizyki. Jednym z głównych zastosowań jest biologia strukturalna, a badania kriomikroskopowe umożliwiły zrozumienie, między innymi, procesów odczytywania informacji genetycznej czy przewodzenia sygnałów w układzie nerwowym. Przykładem jest wykrycie odkładania się złogów białkowych u pacjentów z chorobą Alzheimera. Imponującym osiągnięciem ostatnich miesięcy jest precyzyjne określenie struktury chemicznej takich złogów, izolowanych wprost z mózgu pacjenta. Powyższe odkrycia są istotnie nie tylko dla poznania mechanizmów powstawania chorób, ale także dla opracowywania nowych skutecznych terapii.

Mikroskop może zostać wykorzystany do badania związków polimerowych, materiałów półprzewodnikowych, obrazowania organelli komórkowych, oceny struktury i dynamiki białek błonowych, trójwymiarowego obrazowania struktury molekularnej wirusów, a także analizy stadiów infekowania komórek wirusami i ich reprodukcji, w analizie antybakteryjnego działania bakteriofagów w terapii fagowej w zakażeniach szczepami antybiotyko-opornymi, analizie dynamiki mikropęcherzyków, struktury telomerów w kontekście terapii antynowotworowej oraz molekularnych aspektów długowieczności, analizie transportu leków przez błony, interakcji przeciwciał z wirusami i bakteriami, struktury pierwotniaków pasożytniczych oraz ich interakcji z tkankami, a także do wielu innych tematów badawczych.

Dla przemysłu farmaceutycznego. „Rewolucja rozdzielczości”, jaka dokonała się z udziałem kriomikroskopów, pozwala na uzyskanie rozdzielczości <3Å, zdolnej do ustanowienia relacji struktura-aktywność. W szczególności firmy używają kriomikroskopów do zrozumienia specyficznego trybu wiązania cząsteczek leku i do badania otaczającej przestrzeni w kieszeniach wiążących, aby dodatkowo dostroić swoistość i zwiększyć ich powinowactwo. Ponadto technologię tą można wykorzystać do zaprojektowania i zrozumienia kształtu samej cząsteczki leku (np. przeciwciał i aptamerów), nawet przy braku docelowego białka. Pomysł włączenia kriomikroskopii elektronowej do procesu udoskonalania leków pojawił się w, niedawno utworzonym, konsorcjum Cambridge Pharma EM, które łączy mikroskopy Cryo-EM w środowisku akademickim (MRC LMB) z pięcioma dużymi firmami farmaceutycznymi (Astex, AstraZeneca, GSK, Heptares i UCB).