Gli scienziati che hanno ricevuto il Premio Nobel per la chimica 2017 sono stati premiati per il loro sviluppo di una tecnica chiamata microscopia crioelettronica o crio-EM. La tecnologia era rivoluzionaria perché consentiva agli scienziati di vedere la struttura atomica delle molecole biologiche in alta risoluzione.
Un’immagine al microscopio elettronico di scaffold attaccati alla proteina KRAS (sullo sfondo). Il cerchio di sinistra evidenzia un’impalcatura di imaging, il secondo mostra la struttura 3D dell’impalcatura di imaging legata a KRAS e il terzo mostra un primo piano di KRAS attaccato al farmaco antitumorale AMG510. Credito immagine: Roger Castells-Graells/UCLA
Ma la crio-EM aveva ancora un problema: era efficace solo per l’imaging di molecole di grandi dimensioni.
Ora, i biochimici dell’UCLA, in collaborazione con scienziati dell’industria farmaceutica, hanno sviluppato una soluzione che consentirà alla crio-EM di acquisire immagini di alta qualità anche di molecole proteiche più piccole. Gli scienziati hanno progettato una struttura proteica di 20 nanometri, a forma di cubo, chiamata impalcatura, con sporgenze rigide simili a un treppiede che mantengono le piccole proteine in posizione.
L’impalcatura può essere rimossa digitalmente dall’immagine Cryo-EM durante l’elaborazione dell’imaging, lasciando un’immagine 3D composita delle sole piccole proteine che gli scienziati stanno analizzando.
Le proteine di piccole e medie dimensioni rappresentano un punto caldo per la ricerca su potenziali nuovi farmaci che un giorno potrebbero essere utilizzati per combattere alcune delle malattie umane più intrattabili. Il progresso, che è stato testato su una proteina che gli scienziati stanno studiando per il suo possibile utilizzo nei trattamenti contro il cancro, può essere personalizzato per quasi tutte le piccole proteine.
Una serie di immagini crio-EM. Le foto in scala di grigi rappresentano proiezioni 2D di viste multiple dell’impalcatura di imaging collegata a una proteina bersaglio; l’immagine a colori illustra la ricostruzione 3D derivata da proiezioni 2D. Credito immagine: Roger Castells-Graells/UCLA
I ricercatori si aspettano che l’espansione delle capacità di imaging della crio-EM li aiuterà a identificare posizioni specifiche sulle proteine che possono prendere di mira per scopi terapeutici.
Un articolo sulla nuova ricerca è pubblicato negli Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze.
Nella crio-EM, gli scienziati utilizzano un microscopio crioelettronico per inviare un fascio di elettroni attraverso campioni di materiale congelati, lasciando dietro di sé un’immagine delle migliaia di molecole – come le proteine – nel campione. Le molecole vengono riprese esattamente come si trovano nel campione, producendo migliaia di fotografie 2D della molecola scattate da diverse angolazioni.
L’elaborazione computerizzata riconcilia tutte quelle fotografie Cryo-EM per formulare un’immagine 3D corretta, separando lo sfondo, raggruppando insieme immagini con orientamenti simili e generando un’immagine 3D ad alta risoluzione di una singola molecola.
Ma quando si tratta di acquisire immagini delle molecole proteiche più piccole, le loro dimensioni minuscole rendono impossibile accertarne l’orientamento nelle immagini, il che si traduce in immagini a risoluzione relativamente bassa.
In studi precedenti, gli scienziati avevano tentato di risolvere il problema attaccando piccole molecole a impalcature più grandi, ma questi esperimenti hanno dimostrato che se le piccole molecole fossero state attaccate in modo troppo flessibile, sporgerebbero dall’impalcatura con angoli e orientamenti diversi, producendo comunque immagini sfocate. .
“Le immagini sono sfocate perché il computer non è in grado di creare un’immagine composita distinta quando non è in grado di determinare accuratamente gli orientamenti”, ha affermato Todd Yeates, un illustre professore emerito di biochimica dell’UCLA, direttore ad interim dell’UCLA-Department of Energy Institute for Genomica e proteomica e l’autore corrispondente dell’articolo.
Nel nuovo studio, l’impalcatura creata dagli scienziati ha sporgenze a forma di treppiede che catturano le proteine e le tengono saldamente in posizione, il che ha prodotto le immagini ad alta risoluzione a cui puntavano.
“Attaccando rigidamente le piccole molecole a scaffold più grandi si creano particelle abbastanza grandi da poter essere fotografate e che hanno tutte esattamente la stessa forma 3D”, ha detto Yeates. “E da lì, il processo funziona come al solito per costruire l’immagine 3D ad alta risoluzione.”
Roger Castells-Graells, ricercatore post-dottorato dell’UCLA e autore principale dello studio, ha affermato che gli scienziati hanno prima provato un’altra forma per l’impalcatura prima di approdare alla versione con sporgenze a forma di treppiede.
“All’inizio usavamo un ‘bastone’ rivolto verso l’esterno e questo non funzionava altrettanto bene”, ha detto. “La nuova impalcatura ha sporgenze che puntano l’una verso l’altra in triplette – come treppiedi – che tengono saldamente la proteina.”
I ricercatori hanno testato la loro impalcatura tentando di creare immagini di una proteina chiamata KRAS.
KRAS incoraggia le cellule a proliferare ed è coinvolto in circa il 25% dei tumori umani; è di particolare interesse per i ricercatori farmaceutici perché identificare posizioni specifiche sulla proteina correlate alle sue capacità cancerogene potrebbe aiutare gli scienziati a progettare farmaci che neutralizzino l’attività in quelle posizioni, il che potrebbe essere un percorso verso la cura del cancro.
Utilizzando la crio-EM e l’impalcatura sviluppata, il team guidato dall’UCLA è stato in grado di osservare la struttura atomica di KRAS attaccato a una molecola di farmaco che è in fase di studio come parte di un potenziale trattamento per il cancro ai polmoni.
Il loro lavoro ha dimostrato che il nuovo approccio crio-EM con impalcatura può illuminare il modo in cui le molecole dei farmaci si legano e inibiscono le proteine cellulari come KRAS e potrebbe aiutare a guidare lo sviluppo di farmaci più efficaci.
Le potenziali applicazioni del nuovo progresso non si fermano ai farmaci antitumorali, ha affermato Castells-Graells.
“La nostra impalcatura è modulare e può essere assemblata in qualsiasi configurazione per catturare e trattenere tutti i tipi di piccole molecole proteiche”, ha affermato.
La ricerca è stata supportata dal National Institutes of Health e dal Dipartimento dell’Energia ed è stata una collaborazione con scienziati di Astra-Zeneca, il cui team era guidato da Chris Phillips, e Gandeeva Therapeutics, il cui team era guidato da Sriram Subramaniam.
L’UCLA ha depositato un brevetto sulla nuova tecnologia e Yeates, Castells-Graells e colleghi hanno avviato una nuova società, AvimerBio, per aiutare a sviluppare nuove applicazioni commerciali utilizzando i nuovi metodi, in collaborazione con le principali aziende farmaceutiche.
Fonte: UCLA
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
