Rivoluzione in microbiologia: record di efficienza nei cristalli di proteine

Un gruppo di ricerca che fa capo al Trinity College di Dublino ha compiuto un importante passo avanti nello studio della struttura delle proteine ​​nelle membrane cellulari, i mattoni che compongono i reticoli in cui hanno luogo i processi biochimici complessi.

Si tratta di veri e propri vettori che consentono alle molecole di decodifica di entrare ed uscire dalle nostre cellule. Per studiare questi meccanismi è fondamentale lavorare su modelli ad alta risoluzione, vere e proprie strutture 3-D delle membrane cellulari da usare come “tabelle di marcia fisiologiche” per carpirne i meccanismi funzionali e le debolezze (sfruttabili dai farmaci con alta selettività e raggio d’azione). L’articolo è stato appena pubblicato su Nature Communications.

Struttura atomica di un ribosoma batterico con un antibiotico legato. (Credit: wikipedia.org).

La grande sfida per i ricercatori è dunque riuscire a produrre cristalli di membrane proteiche da usare per ottenere la corrispondente struttura 3-D. Come? Attraverso la cristallografia a raggi X, una procedura in cui l’immagine, prodotta dalla diffrazione dei raggi X attraverso lo spazio del reticolo atomico in un cristallo, viene registrata e quindi analizzata per rivelare la natura del reticolo. In genere, questo porta a determinare il materiale e la struttura molecolare di una sostanza.

Nei cristalli, infatti, le distanze tra i nodi del reticolo sono di un ordine di grandezza paragonabile alla lunghezza d’onda dei raggi X, per cui un reticolo cristallino può fungere da reticolo di diffrazione per tali raggi: operando con raggi X di lunghezza d’onda nota è quindi possibile misurare le distanze reticolari. 

Schema della tecnica di diffrazione utilizzata in cristallografia. Un raggio investe il campione di materiale (al centro) producendo un pattern di diffrazione (a destra). Credit: wikipedia.org.

La determinazione della struttura interna avviene sfruttando il fatto che il reticolo cristallino diffrange i raggi X. L’interpretazione dei risultati avviene infatti tenendo conto di due parametri, direzione e intensità dei raggi diffratti. Le sezioni sono in relazione con la forma e le dimensioni del reticolo cristallino diffrangente e con la disposizione degli atomi nella cella elementare. Dall’intensità si possono ottenere mediante calcoli complicati le coordinate degli atomi costituenti la cella elementare. Applicando queste procedure è possibile ottenere le impronte digitali delle proteine isolando i modelli di diffrazione. 

Vediamo di capire meglio l’esperimento. Il gruppo di ricerca guidato da Martin Caffrey (docente di Biologia Strutturale e Funzionale presso il Trinity College) ha usato un fascio di raggi X per colpire il cristallo. A seconda degli angoli di diffrazione e dell’intensità dei raggi un cristallografo può produrre un’immagine tridimensionale della densità di elettroni nel cristallo. Da questa è possibile ricavare le posizione media degli atomi, così come anche i loro legami chimici ed altre informazioni.  

Produzione del pattern di diffrazione e raffinamento del modello per l’analisi cristallografica di una proteina. (Crediti: wikipedia.org).

Caffrey ha poi perfezionato una tecnica nota da qualche anno, che si chiama Lipid Cubic Phase (LCP), ed è riuscito ad ottenere un tasso di crescita senza precedenti. LCP utilizza un supporto a base di grassi per alimentare questi cristalli; l’impatto di questa ricerca è già stato in parte riconosciuto in quanto il professor Brian Kobilka è stato insignito nel 2012 del Nobel per la Chimica anche grazie a queste ricerche.

Lo studioso ha infine concluso che “questo lavoro collaborativo rappresenta un enorme passo avanti che dovrebbe migliorare notevolmente l’efficienza con cui la ricerca è condotta oggi nel determinare la struttura delle proteine ​​di membrana”. Al di là dei progressi sul piano teoretico, la ricerca avrà un impatto importante soprattutto sulla ricerca farmacologica: una significativa percentuale dei farmaci che troviamo sul mercato si basa, infatti, sulla sintesi delle  proteine.

Paper di riferimento:

Uwe Weierstall et alii., Lipidic cubic phase injector facilitates membrane protein serial femtosecond crystallography, in  “ Nature Communications”, 5, 2014. DOI: 10.1038/ncomms4309.