Holger Stark van het Max Planck Instituut voor Biofysische Chemie in Göttingen en zijn team hebben een cruciale resolutiebarrière in cryo-elektronenmicroscopie doorbroken. Voor de eerste keer, zijn groep slaagde erin om met deze methode individuele atomen in een eiwitstructuur te observeren en de scherpste beelden ooit te maken. Zulke gedetailleerde inzichten maken het makkelijker om te begrijpen hoe eiwitten hun werk doen of ziektes veroorzaken in de levende cel. De techniek kan in de toekomst ook worden gebruikt om nieuwe medicijnen te ontwikkelen.

Sinds het uitbreken van de COVID-19 pandemie, wetenschappers over de hele wereld hebben 3D-structuren van belangrijke sleuteleiwitten van het nieuwe coronavirus opgelost. Hun gemeenschappelijke doel is het vinden van aanlegplaatsen voor een actieve stof die de ziekteverwekker effectief kan bestrijden.

Een methode die daarvoor wordt toegepast is cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM), waarmee driedimensionale structuren van biomoleculen zichtbaar kunnen worden gemaakt. Omdat deze structureel zeer flexibel zijn, is dit geen gemakkelijke opgave. Om de vage moleculen te vangen zonder ze te beschadigen, ze zijn extreem snel afgekoeld, of schokbevroren om zo te zeggen. De bevroren monsters worden vervolgens gebombardeerd met elektronen, en de resulterende beelden worden opgenomen. Met behulp van deze, de driedimensionale structuur van de moleculen kan dan worden berekend. Drie pioniers van deze techniek, Jacques Dubochet, Joachim Frank, en Richard Henderson, ontving in 2017 de Nobelprijs voor de Scheikunde voor de ontwikkeling van cryo-EM.

Wereldrecord voor resolutie maakt het mogelijk om individuele atomen in eiwitten te zien

De groep van Stark heeft nu de cryo-EM-resolutiebarrière doorbroken met een unieke cryo-elektronenmicroscoop die nieuw door dit team is ontwikkeld. "We hebben ons apparaat uitgerust met twee extra elektron-optische elementen om de beeldkwaliteit en resolutie verder te verbeteren. Deze zorgen ervoor dat beeldfouten van optische lenzen, zogenaamde afwijkingen, geen rol meer spelen, ", legt de Max Planck-directeur uit. Zijn promovendus Ka Man Yip vult aan:"Elektronenmicroscopen zijn optische instrumenten en lijken fysiek op een camera. De aberraties van een elektronenmicroscoop interfereren in cryo-EM op vrijwel dezelfde manier als die van een camera in de fotografie. Voor een sterk verbeterde beeldkwaliteit was het daarom cruciaal om deze aberratiefouten te vermijden."

Met behulp van de nieuwe microscoop de wetenschappers hebben meer dan een miljoen afbeeldingen van het eiwit apoferritine genomen om de moleculaire structuur in kaart te brengen met een resolutie van 1,25 angstrom. Eén angström komt overeen met een tiende van een miljoenste millimeter. "We visualiseren nu afzonderlijke atomen in het eiwit - een mijlpaal in ons vakgebied, " legt structuurbioloog Stark uit. "Voor ons het was alsof je een superbril op de microscoop zette. De nieuwe structuur onthult details die nog nooit eerder zijn gezien:we kunnen zelfs de dichtheid van waterstofatomen en chemische modificaties van één atoom zien."

Het grote potentieel van cryo-EM voor beeldvorming van 3D-eiwitstructuren met hoge resolutie werd ook aangetoond door collega's van het Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology in Cambridge (VK). Ze bereikten een vergelijkbare hoge resolutie met een andere benadering. "Het is nu denkbaar dat cryo-EM in de toekomst zelfs subatomaire resoluties zal kunnen bereiken, ", zegt de onderzoeker.

Basis voor op structuur gebaseerd medicijnontwerp

Maar wat is het voordeel van het kunnen bestuderen van een eiwitstructuur met zo'n ongekende atomaire resolutie? Om te begrijpen hoe een door mensen gemaakte machine werkt, men moet de componenten ervan direct op het werk observeren. Dit geldt ook voor eiwitten - de nanomachines van levende cellen. Om een ​​idee te krijgen hoe zij hun taken uitvoeren, men moet de exacte positie van alle atomen van het eiwit weten.

Dergelijke gedetailleerde inzichten zijn ook relevant voor op structuur gebaseerd medicijnontwerp. Verbindingen voor medicijnen zijn zodanig aangepast dat ze zich binden aan virale eiwitten, bijvoorbeeld, en hun functie blokkeren. Maar wat is het onderliggende mechanisme van remming? Onderzoekers kunnen dit alleen ophelderen en begrijpen als ze op atomair niveau kunnen observeren hoe een verbinding en een viraal eiwit op elkaar inwerken. Dergelijke nieuwe inzichten helpen om moleculen voor medicijnen te verbeteren en bijwerkingen te verminderen. "Met het doorbreken van deze cryo-EM-resolutiebarrière, de techniek heeft een niveau bereikt waarop de voordelen voor farmaceutische ontwikkelingen direct zichtbaar zijn, ' zegt Stark.