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Emmeciquadro n° 67

SCIENZAinDIRETTA/ Premi Nobel per la Scienza 2017 - CHIMICA – La Crio-Microscopia Elettronica

Il Premio Nobel per la Chimica 2017 ai tre padri della crio-microscopia elettronica, oggi sempre più importante per la rappresentazione tridimensionale e lo studio delle biomolecole.

Da sinistra: Jacques Dubochet, Joachim Frank, Richard HendersonDa sinistra: Jacques Dubochet, Joachim Frank, Richard Henderson

Lo sviluppo della crio-microscopia elettronica nasce dal tentativo di superare il limite connesso alla natura chimica dei campioni biologici, cioè al rischio di distruggere le biomolecole quando vengono sottoposte alla microscopia elettronica classica.
I tre pionieri di questa tecnica ricevono il Premio Nobel per la Chimica 2017.

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«for developing cryo-electron microscopy for the high-resolution structure determination of biomolecules in solution»

Il Premio Nobel per la Chimica 2017 è stato assegnato a tre scienziati per le applicazioni della crio-microscopia elettronica allo studio della struttura delle molecole biologiche: lo svizzero Jacques Dubochet (1942-...), dell'Università di Losanna, il tedesco Joachim Frank (1940-...), del Columbia University College di New York, e il britannico Richard Henderson (1945-...), del Medical Research Council di Cambridge.

 

Dal microscopio ottico a quello elettronico

Sappiamo che uno dei padri indiscussi della scienza moderna è Louis Pasteur e il suo ritratto mentre osserva al microscopio ci suggerisce come questo strumento sia utile per la conoscenza scientifica.
Il microscopio ottico permette di individuare le cellule e i loro organelli, ma per capirne il funzionamento dobbiamo andare fino alla loro struttura molecolare e atomica.
Molecole molto importanti per il funzionamento della cellula sono le proteine: solo a livello molecolare si può capire come le proteine interagiscono con le molecole che l'organismo vivente utilizza per produrre o immagazzinare energia, per costruire le sue strutture di sostegno o per far comunicare le cellule tra di loro, e si può capire come un «errore» nella struttura della proteine determini un funzionamento errato e quindi una patologia.
Il microscopio costruisce immagini attraverso la luce visibile, una radiazione elettromagnetica, ma se cerchiamo di guardare un oggetto più piccolo della lunghezza d'onda della luce (circa 0.5-1 µm), invece della sua immagine otteniamo una complessa figura di diffrazione difficilmente interpretabile.
Per studiare le molecole servono altre tecniche come la spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare, che utilizza sempre una radiazione elettromagnetica, ma invece delle immagini ottiene dei segnali che gli specialisti hanno imparato ad assegnare alle strutture molecolari.
La spettroscopia NMR è utile per scoprire la struttura delle piccole molecole (qualche decina di atomi) e di molecole più complesse fino alle piccole proteine, inoltre può fornire informazioni preziose sull'interazione dinamica tra le proteine e le altre molecole e, utilizzando soluzioni acquose, mantiene il solvente in cui si trovano nell'organismo, importante per la loro forma e funzionalità.
Una tecnica molto importante per individuare la struttura molecolare è la cristallografia a raggi X: questa radiazione elettromagnetica ha lunghezze d'onda vicine alle dimensioni dei singoli atomi (un legame chimico ha una lunghezza di circa 1.5 Å), perciò attraversando un cristallo produce delle figure di diffrazione di per sé incomprensibili, ma la cui elaborazione matematica permette di determinare la struttura atomica della molecola a un livello di risoluzione tuttora irraggiungibile per altre vie.
Questa tecnica richiede però la preparazione di cristalli della sostanza da esaminare, e ciò non è sempre possibile, in particolare per le proteine; inoltre le proteine devono essere purificate e pertanto isolate dalla matrice biologica e la loro forma può essere diversa da quella che assumono in acqua: tutto questo può far perdere le informazioni relative al sistema biologico complessivo.
Le tecniche di cui abbiamo parlato sono nate per lo studio di piccole molecole e sono state via via applicate a molecole più complesse, fino ad arrivare alle proteine, ma contemporaneamente il progresso della microscopia, nata all'opposto per lo studio di strutture molto grandi rispetto alle dimensioni molecolari, ha permesso di spingere a livello molto più piccolo le dimensioni degli oggetti che si possono osservare; si chiama «risoluzione» la dimensione del livello di dettaglio più piccolo che si può osservare con una determinata tecnica.
L'avanzamento più significativo in tal senso è stata l'introduzione della microscopia elettronica da parte da parte di Ernst Ruska e Max Knoll negli anni Trenta del secolo scorso, che seguì di pochi anni la formulazione quantistica di De Broglie per cui ad ogni particella è associata un'onda. L'onda associata a elettroni sufficientemente accelerati ha una lunghezza d'onda più piccola dell'atomo, con il vantaggio che la carica del fascio di elettroni permette di focalizzarlo attraverso lenti elettrostatiche così come si fa per un fascio luminoso.
È così possibile visualizzare organelli e particelle biologiche come i virus che sfuggono al microscopio ottico: l'immagine si forma su di uno schermo fluorescente ed è un ingrandimento della particella osservata; come in ogni fotografia l'immagine è bidimensionale.

 

Il superamento dell'immagine bidimensionale

Il contributo della microscopia elettronica classica alla biologia è immenso, ma sino agli anni Settanta non sfruttava ancora appieno il potenziale della tecnica di cogliere dettagli a livello quasi atomico.
Nei primi tentativi di superare questa barriera comparve una seria difficoltà legata alla natura chimica dei campioni biologici: quando si cerca di sottoporre alla microscopia elettronica classica una biomolecola il fascio di elettroni rompe i legami chimici e distrugge in definitiva la molecola stessa.
Lo sviluppo della crio-microscopia elettronica nasce dal tentativo di superare questo limite e il prefisso «crio» indica la soluzione che consiste nell'uso di liquidi criogenici per raffreddare i campioni.