Nobel de Química 2017: Richard Henderson

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Richard Henderson. Nobel de Química 2017

En la primera mitad del siglo XX, las biomoléculas (proteínas, ADN y ARN) eran terra incognita en el mapa de la bioquímica. Los científicos sabían que desempeñaban papeles fundamentales en la célula, pero no tenían idea de su aspecto. Fue en la década de 1950 cuando los investigadores de Cambridge comenzaron a exponer los cristales de proteínas a rayos X, y observaron por primera vez sus estructuras en espiral.

Primer modelo aproximado de bacteriorodopsina, publicado en 1975

A principios de la década de 1980 el uso de la cristalografía de rayos X se complementó con el uso de la espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) para estudiar proteínas en estado sólido y en solución. Esta técnica no solo revela su estructura, sino también cómo se mueven e interactúan con otras moléculas.
Pero: La RMN en solución solo funciona para proteínas relativamente pequeñas. La cristalografía de rayos X requiere que las moléculas formen cristales bien organizados, como cuando el agua se congela formando cristales de hielo. Las imágenes obtenidas son como las antiguas fotografías en blanco y negro: imágenes estáticas que revelan muy poco acerca de la dinámica de la proteína.
No obstante, muchas moléculas no forman cristales, lo que motivó que Richard Henderson abandonara la cristalografía de rayos X en la década de 1970. Aquí comienza la historia del Premio Nobel de Química de 2017.
Richard Henderson hizo su doctorado en el grupo de cristalografía de rayos X de Cambridge, Reino Unido. Usó el método para obtener imágenes de proteínas, pero surgieron dificultades cuando intentó cristalizar una proteína incrustada en la membrana que rodea la célula.
Las proteínas de membrana son difíciles de manejar. Cuando se retiran de su entorno natural la membrana, a menudo, se transforma en una masa amorfa.
En teoría, la resolución del microscopio electrónico era más que adecuada para que Henderson obtuviera la estructura atómica de una proteína de membrana, pero en la práctica el proyecto era casi imposible.

Cuando se inventó el microscopio electrónico en la década de 1930, los científicos pensaban utilizarlos para estudiar la materia inanimada. El intenso haz de electrones, necesario para obtener imágenes de alta resolución, destruye el material biológico y, si el haz se debilita, la imagen pierde su contraste y se vuelve borrosa.
Además, el microscopio electrónico requiere trabajar en vacío, pero en estas condiciones las biomoléculas se deterioran porque el agua se evapora. Cuando las biomoléculas se secan, pierden su estructura natural, haciendo inservibles las imágenes.

Casi todo indicaba que Richard Henderson fracasaría, pero el proyecto se salvó gracias a la proteína que había elegido estudiar: la bacteriorrodopsina.
En lugar de eliminar la proteína sensible de la membrana, como Richard Henderson había intentado anteriormente, tomaron la membrana púrpura completa y la colocaron bajo el microscopio electrónico. Cuando la proteína permaneció rodeada por la membrana, conservó su estructura; además cubrieron la superficie de la muestra con una solución de glucosa que la protegía de la desecación cundo se hacía el vacío.
El fuerte haz de electrones fue un problema importante, pero los investigadores aprovecharon la forma de empaquetarse las moléculas de bacteriorrodopsina en la membrana. En lugar de utilizar un haz estándar hicieron pasar un flujo más débil a través de la muestra. El contraste de la imagen era pobre y no podían ver las moléculas individuales, pero teniendo en cuenta que las proteínas se empaquetaban y orientaban regularmente en la misma dirección, todas las proteínas difractan los haces de electrones de una manera casi idéntica, lo que permitió calcular una imagen más detallada basada en el patrón de difracción que utilizaba un enfoque matemático similar al utilizado en la cristalografía de rayos X.
En la siguiente etapa, los investigadores giraron la membrana bajo el microscopio electrónico, tomando imágenes desde diferentes ángulos. De esta manera (en 1975) fue posible producir un modelo tridimensional de la estructura de la bacteriorrodopsina, que mostraba cómo la cadena de proteína se movía a través de la membrana
Era la mejor imagen de una proteína generada utilizando un microscopio electrónico.

Richard Henderson fue agregando poco a poco más detalles al modelo de bacteriorrodopsina. Finalmente, en 1990, 15 años después de haber publicado el primer modelo, Henderson logró su objetivo y pudo presentar una estructura de bacteriorrodopsina con resolución atómica.

Estructura de bacteriorrodopsina con resolución atómica.

Demostró que la cryo-EM podría proporcionar imágenes tan detalladas como las generadas utilizando cristalografía de rayos X, lo cual fue un hito crucial. Sin embargo este progreso se basó en una excepción: que la proteína se empaqueta naturalmente de manera regular en la membrana. Pocas proteínas se ordenan espontáneamente de esta manera. La pregunta era si el método podría generalizarse: ¿sería posible usar un microscopio electrónico para generar imágenes 3D de alta resolución de proteínas que se dispusieran al azar en la muestra orientándose en diferentes direcciones? Richard Henderson creía que sí, mientras otros pensaban que esto era una utopía.

 

Fuente: fisiQuiweb.es

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