Los científicos de Salk encuentran la manera de cuantificar qué tan bien funciona la técnica de microscopía de vanguardia

Los científicos de Salk encuentran la manera de cuantificar qué tan bien funciona la técnica de microscopía de vanguardia

El nuevo enfoque ayuda a los investigadores a determinar la resolución de la crio-EM, lo que conduce a mejores métodos para obtener imágenes de proteínas.

LA JOLLA—En 2017, los científicos de Salk informaron que inclinando una muestra de proteína congelada mientras se encontraba bajo un microscopio electrónico fue un enfoque efectivo para adquirir mejor información sobre su estructura y ayudar a los investigadores a comprender una serie de enfermedades que van desde el VIH hasta el cáncer. Ahora, han desarrollado un marco matemático que subyace a algunas de esas observaciones iniciales.

Su nuevo estudio, publicado en Avances en Biofísica y Biología Molecular el 13 de septiembre de 2019, proporciona una base para determinar cuantitativamente cómo las diferencias en los ángulos de visión afectan las estructuras 3D resultantes de las proteínas, y podría ayudar a otros investigadores a determinar la mejor configuración para experimentos para mejorar la técnica de imagen llamada crio-EM.

"Esto proporciona una comprensión cuantitativa de por qué las variaciones en los ángulos de visión afectan la calidad de las estructuras 3D resultantes de las proteínas, y dónde podríamos mejorar los datos", dice. Dmitri Lyumkis, profesor asistente de genética de Salk y coautor del nuevo trabajo. "Este tipo de marcos teóricos son importantes para comprender con precisión cómo se atenúa la información debido a las imperfecciones asociadas con el experimento de imágenes, lo que nos llevará a obtener mejores estructuras a partir de los datos crio-EM".

En crio-EM, o microscopía electrónica criogénica, las proteínas se congelan rápidamente en su forma natural antes de ser bombardeadas con electrones. Al detectar cómo se dispersan los electrones cuando golpean la muestra, los investigadores pueden determinar la estructura molecular de la proteína o del complejo proteico. En comparación con otros métodos de obtención de imágenes, es más fácil para los científicos preparar proteínas para crio-EM, y la técnica puede potencialmente abordar un conjunto más amplio de preguntas en biología estructural. Sin embargo, un problema de larga data en crio-EM es que las proteínas tienden a adherirse a la parte superior o inferior de la rejilla de muestra en la que se preparan. Estas orientaciones selectas significan que los investigadores no siempre pueden ver la estructura de una proteína desde todos los ángulos. Lyumkis y sus colegas encontraron que inclinar la muestra en 2017 ayudó a resolver este problema.

“Sabíamos que cualitativamente, la inclinación mejoraba los datos en algunos casos”, dice Lyumkis. "Lo que no sabíamos era exactamente hasta qué punto las estructuras pueden verse afectadas por las variaciones en el ángulo de visión".

Recientemente, Philip Baldwin, investigador sénior del personal de Salk y coautor del artículo, estaba examinando un conjunto de datos crio-EM recopilados en diferentes ángulos de visión cuando notó que tales variaciones afectaban la resolución general de la estructura proteica resultante. Después de algunos cálculos, se dio cuenta de que la asociación entre el ángulo de visión y la resolución se podía generalizar a todos los experimentos crio-EM.

La nueva fórmula permite a los investigadores calcular, para cualquier proteína en cualquier ángulo de inclinación, un número llamado factor de compensación de muestreo o SCF. Cuanto más cerca esté el valor SCF de 1, más completa será la estructura de la proteína. Si el SCF es 0.5 en lugar de 1, los datos están incompletos o los investigadores deben recopilar datos durante el doble de tiempo para obtener la misma resolución estructural. Al calcular los valores de SCF antes de un experimento, los científicos pueden optimizar su ángulo de inclinación y el tiempo de recopilación de datos.

Las nuevas formulaciones cuantitativas también ayudaron a Lyumkis y Baldwin a calcular cuán incompletos son algunos conjuntos de datos crio-EM. Previamente, podrían haber tenido que observar un conjunto de datos y adivinar si era una buena o mala aproximación de la estructura de una proteína. Ahora, el SCF puede decirles eso numéricamente.

“Es muy útil”, dice Baldwin. "Básicamente, esta fórmula te dice si tienes regiones muy malas de la proteína de las que no recopilaste datos".

Lyumkis y Baldwin esperan que el uso de la fórmula para evaluar los resultados de crio-EM, que implica un cálculo simple o una pieza de código, se convierta en estándar y ayude a guiar los experimentos y nuevos enfoques para crio-EM. Esto conduciría a descubrimientos más rápidos en ciencias biológicas básicas y en el desarrollo de fármacos.

El trabajo refleja una tendencia creciente tanto en el Instituto Salk como en otros lugares hacia la integración de enfoques computacionales en la investigación biológica.

Lyumkis y Baldwin recibieron el apoyo de subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud.

Sobre Progresos en biofísica y biología molecular:

Progresos en biofísica y biología molecular una revista de revisión internacional, cubre el terreno entre las ciencias físicas y biológicas. Indica al físico la gran variedad de problemas no resueltos que esperan atención en biología y medicina.

Sobre el Instituto Salk de Estudios Biológicos:

Cada cura tiene un punto de partida. El Instituto Salk encarna la misión de Jonas Salk de atreverse a hacer realidad los sueños. Sus científicos galardonados y reconocidos internacionalmente exploran los fundamentos de la vida, buscando nuevos conocimientos en neurociencia, genética, inmunología, biología vegetal y más. El Instituto es una organización independiente sin fines de lucro y un hito arquitectónico: pequeño por elección, íntimo por naturaleza y valiente ante cualquier desafío. Ya sea cáncer o Alzheimer, envejecimiento o diabetes, Salk es donde comienzan las curas. Obtenga más información en: salk.edu.

DOI: 10.1016/j.pbiomolbio.2019.09.002