Biochemici van de Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) hebben een standaard elektronen-cryomicroscoop gebruikt om verrassend goede beelden te maken die vergelijkbaar zijn met die van veel geavanceerdere apparatuur. Ze zijn erin geslaagd de structuur van ferritine bijna op atomair niveau te bepalen. Hun resultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift PLOS EEN .

Elektronencryomicroscopie is de laatste jaren steeds belangrijker geworden, vooral om licht te werpen op eiwitstructuren. De ontwikkelaars van de nieuwe technologie kregen in 2017 de Nobelprijs voor Scheikunde. De truc:de monsters worden flash bevroren en vervolgens bestookt met elektronen. In het geval van traditionele elektronenmicroscopie, al het water wordt eerst uit het monster gehaald. Dit is nodig omdat het onderzoek in een vacuüm plaatsvindt, wat betekent dat water onmiddellijk zou verdampen en beeldvorming onmogelijk zou maken.

Echter, omdat watermoleculen zo'n belangrijke rol spelen in biomoleculen, vooral in eiwitten, ze kunnen niet worden onderzocht met behulp van traditionele elektronenmicroscopie. Eiwitten behoren tot de belangrijkste bouwstenen van cellen en voeren verschillende taken uit. Diepgaande kennis van hun structuur is nodig om te begrijpen hoe ze werken.

De onderzoeksgroep onder leiding van Dr. Panagiotis Kastritis, die groepsleider is bij het Center for Innovation Competence HALOmem en junior professor aan het Institute of Biochemistry and Biotechnology bij MLU, verwierf in 2019 een ultramoderne elektronencryomicroscoop. "Er is geen andere microscoop zoals deze in Halle, " zegt Kastritis. De nieuwe Thermo Fisher Glacios 200 kV, gefinancierd door het federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek, is niet de beste en duurste microscoop in zijn soort.

Hoe dan ook, Kastritis en zijn collega's zijn erin geslaagd de structuur van het ijzeropslageiwit apoferritine te bepalen tot 2,7 ångströms (Å), met andere woorden, bijna tot aan het individuele atoom. Eén ångström is gelijk aan een tiende van een nanometer. Dit plaatst de onderzoeksgroep in een vergelijkbare klasse als afdelingen met veel duurdere apparatuur. Apoferritine wordt vaak gebruikt als referentie-eiwit om de prestatieniveaus van overeenkomstige microscopen te bepalen.

Recent, twee onderzoeksgroepen braken een nieuw record met een resolutie van ongeveer 1,2 Å. "Dergelijke waarden kunnen alleen worden bereikt met zeer krachtige instrumenten, die slechts een handvol onderzoeksgroepen over de hele wereld tot hun beschikking hebben. Onze methode is ontworpen voor microscopen die in veel laboratoria worden aangetroffen, " legt Kastritis uit.

Elektronen cryo-microscopen zijn zeer complexe apparaten. "Zelfs kleine uitlijnfouten kunnen de afbeeldingen onbruikbaar maken, ", zegt Kastritis. Het is belangrijk om ze correct te programmeren en Halle heeft de technische expertise om dit te doen. Maar de analyse die wordt uitgevoerd nadat de gegevens zijn verzameld, is net zo belangrijk. "De microscoop produceert enkele duizenden afbeeldingen, " legt Kastritis uit.

Beeldverwerkingsprogramma's worden gebruikt om een ​​3D-structuur van het molecuul te maken. In samenwerking met professor Milton T. Stubbs van het Instituut voor Biochemie en Biotechnologie van MLU, de onderzoekers hebben een nieuwe methode ontwikkeld om een ​​eiwitmodel met hoge resolutie te maken. Stubbs' onderzoeksgroep gebruikt röntgenkristallografie, een andere techniek om de structuur van eiwitten te bepalen, waarvoor de eiwitten moeten worden gekristalliseerd. Ze konden een aangepaste vorm van een beeldanalysetechniek combineren met de beelden die met de elektronencryomicroscoop werden gemaakt. Hierdoor werden ladingstoestanden en individuele watermoleculen zichtbaar.

"Het is een aantrekkelijke methode, " zegt Kastritis. In plaats van hele dure microscopen, veel rekencapaciteit nodig, die MLU heeft. Nutsvoorzieningen, naast het gebruik van röntgenkristallografie, elektronencryomicroscopie kan worden gebruikt om afbeeldingen van eiwitten te produceren, vooral die die moeilijk te kristalliseren zijn. Dit maakt samenwerking mogelijk, zowel binnen als buiten de universiteit, over de structurele analyse van monsters met medisch en biotechnologisch potentieel.