Criomicroscopía eléctrica: electrones pequeños para visualizar moléculas grandes

La microscopía electrónica es sustancialmente similar a la microscopía óptica, que funciona irradiando un objeto con luz visible y reenfocando los rayos desviados por el objeto a través de lentes en la retina del ojo o en una pantalla. Utilizando las lentes adecuadas, podemos ampliar la imagen para apreciar los detalles más finos. Aquí entra en juego el término "resolución", es decir, la capacidad de ver dos objetos como distintos a una distancia mínima. El ojo humano tiene una resolución de aproximadamente 0,1 milímetros. Con los microscopios ópticos que aprovechan la luz visible es posible alcanzar una resolución de 0,2 micrómetros, es decir, 500 veces mayor. Esta resolución permite observar células individuales, pero no objetos más pequeños como virus, proteínas y otras moléculas biológicas.

Para ver objetos aún más pequeños, hay que utilizar algo distinto a la luz visible: los electrones. Los electrones, partículas subatómicas y por tanto mucho más pequeñas incluso que las moléculas que queremos visualizar, son desviados de su trayectoria por los átomos de las moléculas, exactamente igual que la luz es desviada por los bordes de un objeto. Con lentes muy específicas, hechas no de materiales sólidos sino de campos eléctricos, podemos enfocar los electrones y obtener la imagen de las moléculas.

Descrita así, la técnica puede parecer trivial. Pero hay muchas cuestiones técnicas que han limitado su uso durante años:

• en primer lugar, las moléculas de la muestra se mueven, por lo que la imagen es borrosa como en una fotografía, lo que limita mucho su resolución;
• en segundo lugar, los electrones son partículas con alta energía y dañan las moléculas que "iluminan". Todo esto se ha superado con la introducción de la criomicroscopía electrónica, en la que la muestra se enfría hasta -173,15 °C: a esta temperatura el agua se vuelve vítrea, las moléculas se inmovilizan y el daño causado por los electrones también se reduce (descubrimiento premiado con un Nobel).

A continuación se muestra una representación esquemática del experimento de crio-EM.

Queda una última dificultad: somos capaces de apreciar la imagen tridimensional de un objeto también porque podemos mirarlo desde múltiples ángulos. En la crioelectrónica, el objeto (la molécula) se fotografía orientado de muchas maneras diferentes. Por tanto, las imágenes 2D de moléculas orientadas al azar en el espacio se utilizan para reconstruir, mediante sofisticados algoritmos informáticos, la forma 3D de la molécula. Ahora corresponde a los bioquímicos interpretar la densidad de electrones y construir el modelo de la proteína.

La crioelectrónica es una técnica vanguardista y extremadamente potente, y en los últimos años ha permitido determinar la estructura de moléculas que durante mucho tiempo han representado el santo grial para muchos investigadores. La estructura de la proteína Spike del SARS-CoV-2 se ha determinado un par de meses después de la secuenciación del genoma viral, y ha permitido comprender con precisión sus interacciones con el receptor celular ACE2. Sin embargo, como cualquier técnica, tiene limitaciones: las moléculas estudiadas, por ejemplo, deben ser bastante grandes. Otro límite, no despreciable, es el coste del propio microscopio y su mantenimiento.