Microscopie crioelectronică: electroni de mici dimensiuni ce permit vizualizarea moleculelor mari

Microscopia crioelectronică (crio-EM) permite observarea detaliată, până la mărimea atomului, a structurii moleculelor infinitezimale: din ce este alcătuită aceasta?

Microscopia electronică este foarte asemănătoare cu microscopia optică, ce acționează prin iradierea unui obiect cu lumină vizibilă și refocalizarea razelor refractate prin lentilele retinei ochiului sau pe un ecran. Utilizând lentilele adecvate, putem mări imaginea pentru a descifra detaliile mai fine. Aici intră în joc termenul „rezoluție”, adică acea capacitate de a vedea două obiecte ca fiind distincte la o distanță minimă unul de celălalt. Ochiul uman are o rezoluție de aproximativ 0,1 milimetri. Cu ajutorul microscoapelor optice ce exploatează lumina vizibilă se poate atinge o rezoluție de 0,2 milimetri, adică de 500 de ori mai mare. Această rezoluție permite observarea celulelor individuale, dar nu și a obiectelor de dimensiuni mai mici, precum virusurile, proteinele și alte molecule biologice.

Pentru a vedea obiecte și mai mici trebuie utilizat ceva diferit de lumina vizibilă: electronii. Electronii, particulele subatomice și, astfel, mult mai mici chiar și decât moleculele pe care vrem să le vizualizăm, sunt refractate din traiectoria lor de atomii moleculelor, exact așa cum lumina este refractată de marginile unui obiect. Cu ajutorul lentilelor foarte specifice, alcătuite nu din materiale solide ci din câmpuri electrice, putem focaliza electronii și obține imaginea moleculelor.

Descrisă astfel, această tehnică poate părea banală. Dar există numeroase aspecte tehnice ce au limitat utilizarea acestora ani de zile:

• în primul rând,  moleculele din probă se mișcă, deci imaginea este neclară, ca și în cazul unei fotografii, limitând mult rezoluția acesteia;
• în al doilea rând, electronii sunt particule cu sarcină electrică mare și deteriorează moleculele pe care le „aprind”. Toate aceste inconveniente au fost depășite prin lansarea microscopiei crioelectronice, unde  proba este răcită până la -173,15 °C: la această temperatură apa se aseamănă cu sticla, moleculele sunt imobilizate și deteriorarea provocată de electroni este redusă (descoperire premiată cu un Premiu Nobel).

Mai jos este prezentată o reprezentare schematică a experimentului crio-EM.

Rămâne o ultimă dificultate: putem evalua imaginea tridimensională a unui obiect și pentru că o putem privi din mai multe unghiuri. În cazul crio-EM, obiectul (molecula) este fotografiată orientată în mai multe direcții diferite. Din acest motiv, imaginile bidimensionale ale moleculelor orientate aleatoriu în spațiu sunt utilizate pentru a reconstrui, prin algoritmi computerizați sofisticați, forma tridimensională a moleculei. Acum biochimiștii trebuie să interpreteze densitatea electronilor și să construiască modelul proteic.

Crio-EM este o tehnică de ultimă generație, extrem de puternică, și în ultimii câțiva ani ne-a permis să stabilim structura moleculelor care au reprezentat obiectivul major al multor cercetători. Structura proteinei spike SARS-CoV-2 a fost stabilită la două luni după secvențierea genomului viral și a permis înțelegerea optimă a interacțiunilor acesteia cu receptorul celular ACE2. Cu toate acestea, ca orice tehnică, prezintă limitări: de exemplu, moleculele studiate trebuie să fie destul de mari. Altă limită ce nu poate fi neglijată este costul microscopului în sine și al întreținerii acestuia.