Nuovo dispositivo laser espande drasticamente le capacità di imaging della criomicroscopia elettronica
In un risultato epocale per l’imaging biologico, i ricercatori dell’Università della California, Berkeley e del Biohub (Chan Zuckerberg Initiative) hanno dimostrato un dispositivo innovativo che promette di trasformare la microscopia crioelettronica (crio-EM). Si chiama “laser phase plate” ed è descritto in uno studio pubblicato su Science.
La crio-EM è una tecnica che consente di visualizzare proteine e altre molecole biologiche a livello atomico. Tuttavia, ha un limite significativo: per ottenere immagini nitide, le proteine devono avere una dimensione di almeno 40 kilodalton. Molecole più piccole — circa un terzo delle proteine conosciute — rimangono invisibili a causa del rumore di fondo.
Il laser phase plate risolve questo problema agendo come una lente a contrasto di fase. Funziona così: un raggio laser viene focalizzato nel vuoto, creando un punto caldo al centro del fascio di elettroni del microscopio. Questo punto interagisce con gli elettroni che passano attraverso il campione, aggiungendo uno sfasamento che aumenta il contrasto dell’immagine finale.
Dettagli tecnici
Il team ha utilizzato un laser da 200 watt con una lunghezza d’onda di 10,6 micrometri, unendolo a uno specchio parabolico per creare il punto focale. Un sistema di gestione termica mantiene il dispositivo stabile a temperature criogeniche, e un rivelatore a nanofilo di niobio-titanio aiuta a proteggere il detector dalla radiazione laser diffusa.
I test hanno dimostrato che il laser phase plate può aumentare il contrasto di immagini di proteine difficili da visualizzare come l’apotransferrina umana e il complesso VCP/p97, due target importanti per la ricerca medica. I ricercatori hanno anche catturato immagini di una proteina di 27 kilodalton — ben al di sotto del precedente limite — e hanno calcolato che la tecnica dovrebbe funzionare fino a soli 10 kilodalton.
“Questo cambia le regole del gioco per la biologia strutturale”, ha dichiarato Holger Müller del Dipartimento di Fisica di UC Berkeley. “La capacità di vedere piccole proteine in azione — interagire con altre molecole, cambiare forma, legarsi ai farmaci — è fondamentale per comprendere i processi biologici e sviluppare nuove terapie.”
La tecnica potrebbe accelerare la scoperta di farmaci. Molti target farmacologici sono proteine di piccole dimensioni che finora erano impossibili da visualizzare con la crio-EM. Con il laser phase plate, i ricercatori potranno osservare direttamente come i farmaci candidati interagiscono con queste proteine, accelerando lo sviluppo di trattamenti per malattie come cancro, neurodegenerazione e infezioni virali.
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