Krioelektronska mikroskopija dokončno dosegla ločljivost atomov

Dve raziskovalni skupini sta ločljivost krioelektronske mikroskopije na stabilnih vzorcih prignali do 1,2 angstrema, s čimer so postali docela razločljivi posamezni atomi. Gre za vrhunec bliskovitega razvoja te tehnike opazovanja biomolekul v preteklem desetletju, ki jo naposled postavlja ob bok rentgenski difrakciji.

Za fino analizo strukture biomolekul, ki sestavljajo žive organizme, optična mikroskopija že dolgo ne zadostuje več. Danes se v ta namen uporabljajo trije pristopi: rentgenska difrakcija, jedrska magnetna resonanca in pa krioelektronska mikroskopija. Še vedno je najbolj razširjena prva med omenjenimi, in sicer zaradi visoke resolucije, ki gre od povprečnih 0,2 nanometra pa v idealnih primerih celo vse do 0,05 nm. Toda rentgenska kristalografija ima pomembno hibo: vzorci morajo biti v kristalni obliki, kar pomeni dolgotrajne, tudi več mesecev trajajoče postopke priprave, dočim nekatere molekule kratkomalo ne kristalizirajo in jih je na ta način nemogoče opazovati.

Takrat raziskovalci posežejo po krioelektronski mikroskopiji, pri kateri z elektronskim mikroskopom opazujemo vzorec, ki smo ga zamrznili v vodni raztopini. Postopek so zvečine razvili v 80. letih prejšnjega stoletja in je pred tremi leti Jacquesu Dubochetu, Joachimu Franku in Richardu Hendersonu prinesel Nobelovo nagrado za kemijo. Poglavitni trik je v pripravi vzorca, ki ga je potrebno zamrzniti zelo na hitro, da voda ne kristalizira kot običajno, temveč nastane amorfni led. V ta namen uporabljajo hitro potapljanje v tekoči etan pri temperaturi pod stotimi kelvini. Nato se vzorec v ravneh prečeše z elektroni, nakar računalniški algoritmi ploskovne slike sestavijo v končno tridimenzionalno podobo. Problem tega načina v primerjavi z drugimi pa je bila dolgo relativno slaba ločljivost; šele v devetdesetih letih smo prodrli do zmogljivosti, pri katerih je bilo mogoče v nekaterih idealnih primerih v vzorcu določiti atome, toda bolj z rabo statistične analize kot pa dejanskega opazovanja. Takrat se je tehnike šaljivo držalo ime blobology.

Nato pa je v letih 2012 in 2013 prišlo do korenitih premikov, saj je kritična masa raziskovalnih skupin pričela rafalno uvajati izboljšave, ki so bistveno izboljšale resolucijo slike. Gre tako za strojne kot programske izpopolnitve. V prvem primeru denimo za vire elektronov, ki proizvajajo takšne s čim bolj enakimi in določljivimi lastnostmi, da jih je mogoče bolj precizno usmeriti. Na drugi strani se razvijajo algoritmi, ki znajo iz povratnega snopa elektronov izločiti neuporabne, ki povzročajo samo šum. Da smo letos naposled prišli do trenutka, ko lahko rečemo, da je krioelektronska mikroskopija dosegla ločljivost atoma, se je nakazalo že poleti, ko sta se na preprint strežnikih znašli raziskavi skupin Laboratorija za molekularno biologijo (MRC-LMB) v Cambridgu in Max Planckovega Inštituta za biofizikalno kemijo v Göttingenu. Konec prejšnjega meseca smo v Nature dočakali oba recenzirana članka, pa še nekaj spremljevalnih za povrh.

Znanstveniki so v beljakovini apoferitin, ki v organizmih skladišči železo, dosegli ločljivost 0,12 nanometra, oziroma 1,2 angstrema. Apoferitin je sicer zelo hvaležen in razširjen raziskovalni vzorec, ker gre za stabilno in togo molekulo. Zato obetajo tudi poskusi na manj ubogljivih primerkih: na receptorju za živčni prenašalec GABA_A so tako dosegli ločljivost 1,7 angstrema. Strokovnjaki sicer menijo, da bo mogoče z združkom letošnjih izboljšav vseh vpletenih raziskovalnih skupin resolucijo prignati tam do 1 A, kaj več pa ne. Na tem mestu bo morala vskočiti naprednejša priprava vzorcev. Ti se doslej običajno pred potapljanjem v etan nanesejo na z zlatom prevlečeno mrežico; raba modernejših nanomaterialov, ki bi lahko delce bolje fiksirali, bi pomenila nov preboj v opazovanju težje ukrotljivih biomolekul, ki se jih danes še težko zamrzne v predvidljivi maniri. Rentgenska difrakcija je tako dobila zelo resnega tekmeca, kar kaže tudi skokovita rast letno raziskanih molekul s krioelektronsko mikroskopijo. V praksi pa to za nas na daljši rok pomeni učinkovitejša zdravila, katalizatorje, biološke senzorje, filtre in podobno.