La visualización de la estructura de los virus, las proteínas y otras pequeñas biomoléculas puede ayudar a los científicos a obtener información más profunda sobre cómo funcionan estas moléculas, lo que puede conducir a nuevos tratamientos para la enfermedad. En los últimos años, una tecnología poderosa llamada microscopía electrónica criogénica crio-EM,donde las muestras congeladas instantáneamente se incrustan en hielo similar al vidrio y sondeadas por un haz de electrones, ha revolucionado las imágenes biomoléculas. Sin embargo, los microscopios en los que se basa la técnica son prohibitivamente caros y complicados de usar, lo que los hace inaccesibles para muchos investigadores.
Ahora, los científicos de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST han desarrollado un microscopio crioelectrónico más económico y fácil de usar, que en última instancia podría poner el cryo-EM al alcance de miles de laboratorios.
En un proceso de construcción de seis años, el equipo construyó el microscopio al agregar una nueva función de imagen a un microscopio electrónico de barrido. Usaron el microscopio híbrido para obtener imágenes de tres biomoléculas diferentes: dos virus con formas distintas y una proteína de lombriz de tierra.
"La construcción de este microscopio fue un proceso largo y desafiante, por lo que estamos encantados con sus resultados hasta ahora", dijo el Dr. Hidehito Adaniya, investigador de la Unidad de Microscopía de Onda Cuántica QWM y coautor del estudio,publicado en Ultramicroscopia . "Además de ser más barato y más fácil de usar, nuestro microscopio utiliza electrones de baja energía, lo que podría mejorar el contraste de las imágenes".
Actualmente, cryo-EM funciona disparando electrones de alta energía a un espécimen biológico. Los electrones interactúan con los átomos en la biomolécula y se dispersan, cambiando su dirección. Los electrones dispersos luego golpean detectores, y el patrón de dispersión específico se utiliza para construiruna imagen de la muestra
Pero a altas energías, solo un número relativamente pequeño de estos eventos de dispersión se produce porque los electrones interactúan muy débilmente con los átomos de la muestra a medida que pasan rápidamente ". Las biomoléculas están compuestas predominantemente de elementos con una masa atómica baja, como el carbono, nitrógeno, hidrógeno y oxígeno ", explicó el coautor e investigador, el Dr. Martin Cheung." Estos elementos más ligeros son prácticamente invisibles para los electrones de alta velocidad ".
En contraste, los electrones de baja energía viajan más despacio e interactúan más fuertemente con los elementos más ligeros, creando eventos de dispersión más frecuentes.
Sin embargo, esta fuerte interacción entre los electrones de baja energía y los elementos más ligeros es difícil de aprovechar, porque la capa de hielo que rodea la muestra también dispersa los electrones, creando un ruido de fondo que enmascara las biomoléculas. Para superar este problema, los científicos adaptaron el microscopiopor lo que podría cambiar a una técnica de imagen diferente: holografía crioelectrónica.
Formando el holograma
En modo holográfico, una pistola de electrones dispara un haz de electrones de baja energía hacia el espécimen para que parte del haz de electrones pase a través del hielo y el espécimen, formando una onda de objeto, mientras que la otra parte del haz de electrones solo atraviesael hielo, formando una onda de referencia. Las dos partes del haz de electrones interactúan entre sí, como ondas que chocan en un estanque, creando un patrón distinto de interferencia: el holograma.
Basado en el patrón de interferencia del holograma, los detectores pueden distinguir la dispersión por el espécimen de la dispersión por la película de hielo. Los científicos también pueden comparar las dos partes del haz para obtener información adicional de los electrones que es difícil de detectar usando criografía convencional.EM.
"La holografía electrónica nos proporciona dos tipos diferentes de información: amplitud y fase, mientras que las técnicas convencionales de microscopía crioelectrónica solo pueden detectar la fase", dijo el Dr. Adaniya. Esta información adicional podría permitir a los científicos obtener más conocimiento sobre elestructura del espécimen, explicó.
Un gran avance en hielo delgado
Además de construir el microscopio híbrido, los científicos también tuvieron que optimizar la preparación de la muestra. Dado que los electrones de baja energía son más propensos a ser dispersados por el hielo que los electrones de alta energía, la película de hielo que envuelve la muestra tenía que ser comolo más delgado posible para maximizar la señal. Los científicos utilizaron escamas de óxido de grafeno hidratado para mantener las biomoléculas en su lugar, permitiendo que se formen películas más delgadas de hielo.
Los científicos también tuvieron que tomar medidas especiales para prevenir la formación de hielo cristalino, lo cual es "una mala noticia para las imágenes crio-EM", dijo Cheung.
Con la configuración actual y las muestras optimizadas, el microscopio produjo imágenes con una resolución de hasta unos pocos nanómetros, que los investigadores reconocen que es mucho más baja que la resolución casi atómica lograda por la crio-EM convencional.
Pero incluso con la resolución actual, el microscopio aún ocupa un nicho importante como microscopio de preselección. "Debido a que los electrones de baja energía interactúan tan fuertemente con el hielo, nuestro microscopio más barato y fácil de usar puede ayudar a los investigadores a medir su hielocalidad antes de gastar tiempo y dinero valiosos utilizando microscopios crio-EM convencionales ", dijo el Dr. Adaniya.
Todo el proceso es rápido y simple, dicen los investigadores. El modo SEM / STEM ayuda a los científicos a ubicar el mejor lugar para obtener imágenes, seguido de una transición sin interrupciones al modo holográfico. Además, la capacidad de esta tecnología de cambio de modo paraimplementarse en otros microscopios electrónicos de barrido comerciales lo convierte en un método de imagen ampliamente adoptable.
En el futuro, el equipo espera mejorar aún más la resolución de la imagen, cambiando la pistola de electrones a una que cree un haz de electrones de mayor calidad. "Ese será el próximo paso adelante", dijeron.
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Materiales proporcionado por Universidad de Posgrado del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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