La criomicroscopía electrónica y el ingenio de investigadores franceses y belgas han hecho posible que se pueda visualizar en tres dimensiones la puerta de entrada de los virus B y D de la hepatitis en el hígado. Los precursores de esta avanzada tecnología fueron recompensados en 2007 con el premio Nobel de Química.
En este estudio experimental que aparece hoy en Nature se dice entre otras cosas que la proteína NTCP (Transportador de ácidos biliares de alta afinidad dependiente del Na +) es un acceso esencial al hígado, pero hasta ahora no se había podido demostrar.
Está situada solo en la membrana de las células hepáticas, permitiendo el reciclaje de las moléculas de ácido biliar. Pero también es el receptor celular de los virus B y D de la hepatitis.
Los hepatólogos opinan desde hace tiempo que una mejor comprensión de la proteína NTCP se podría traducir en innovadores tratamientos diseñados específicamente para el hígado y, paralelamente, combatir la infección de esos dos agentes patógenos de la hepatitis.
Pero era un objetivo inalcanzable porque esa molécula tiene un peso que no se detecta ni siquiera con la criomicroscopía electrónica. Y aquí es cuando la inteligencia de estos científicos consiguió ampliar de 38 kilodaltons a 50 kilodaltons para obtener imágenes.
Un dalton es la doceava parte de la masa de un átomo de carbono 12 (la masa de un átomo de hidrógeno, aproximadamente). Esta unidad de masa atómica unificada se designa por la letra D y lleva el apellido del químico británico John Dalton, que en 1808 publicó su teoría atómica.
Puerta del virus B y D de la hepatitis
El objetivo lo consiguieron estos científicos después de desarrollar y probar una colección de fragmentos de anticuerpos dirigidos a NTCP. Las estructuras 3D de los complejos resultantes se determinaron mediante criomicroscopía electrónica y diferentes fragmentos de anticuerpos se estabilizaron y revelaron varias formas de esa proteína.
Así, describen dos conformaciones esenciales de NTCP: una en la que la proteína abre un gran poro de membrana a las sales biliares, a las que se pueden unir los virus B y D de la hepatitis, y una segunda conformación cerrada, que evita el reconocimiento por parte de esos agentes patógenos.
Como dicen en las conclusiones de su estudio, la primera conformación abierta es muy sorprendente, ya que ningún otro transportador molecular conocido forma un poro de esas dimensiones. A su vez, la segunda conformación podría ayudar a encontrar moléculas antivirales que prevengan la infección por los virus B y D de la hepatitis.
Estos investigadores trabajan en el Laboratorio MPF (Microbiologie fondamentale et pathogénicité) (CNRS/Universidad de Burdeos); en la Unidad de Mecanismos de Proteínas de Membrana del Instituto Pasteur y en el Centro VIB-VUB de Biología Estructural.
Los profesores Jacques Dubochet, de la Universidad de Lausana (Suiza); Joachim Frank, de la Universidad de Columbia (EE UU); y Richard Henderson, del MRC Laboratory of Molecular Biology de Cambridge (Reino Unido), compartieron el premio Nobel de Química en 2017, por el desarrollo de la criomicroscopía electrónica, que permite determinar en alta resolución las estructuras de biomoléculas en solución.
Criomicroscopía electrónica
Dicho con otras palabras, con la criomicroscopía electrónica los investigadores pueden visualizar y analizar biomoléculas en alta resolución. Este método ha llevado a la bioquímica a una nueva era.
Los científicos pueden congelar las biomoléculas en pleno movimiento y visualizar procesos que nunca antes se habían visto, lo que es decisivo tanto para la comprensión básica de la química de la vida como para el desarrollo de productos farmacéuticos.
La Academia de Ciencias sueca aventuraba en 2017, con motivo de la concesión del Nobel de Química a los profesores Dubochet, Frank y Henderson, que “es posible que pronto tengamos imágenes detalladas de las complejas maquinarias de la vida en resolución atómica”.
Una imagen es clave para la comprensión. Los avances científicos a menudo se basan en la visualización exitosa de objetos invisibles para el ojo humano. Sin embargo, los mapas bioquímicos se han llenado durante mucho tiempo con espacios en blanco porque la tecnología disponible ha tenido dificultades para generar imágenes de gran parte de la maquinaria molecular de la vida. La microscopía crioelectrónica cambia todo esto.
Durante mucho tiempo, se creyó que los microscopios electrónicos solo eran adecuados para obtener imágenes de materia muerta, porque el poderoso haz de electrones destruye el material biológico.
Pero en 1990, Richard Henderson logró usar un microscopio electrónico para generar una imagen tridimensional de una proteína con resolución atómica. Este avance demostró el potencial de la tecnología.
Estructura tridimensional
Joachim Frank hizo que la tecnología fuera de aplicación general. Entre 1975 y 1986, desarrolló un método de procesamiento de imágenes en el que las imágenes bidimensionales borrosas del microscopio electrónico se analizan y fusionan para revelar una estructura tridimensional nítida.
Jacques Dubochet agregó agua a la microscopía electrónica. El agua líquida se evapora en el vacío del microscopio electrónico, lo que hace que las biomoléculas colapsen. A principios de la década de 1980, Dubochet logró vitrificar el agua: la enfrió tan rápidamente que se solidificó en su forma líquida alrededor de una muestra biológica, lo que permitió que las biomoléculas conservaran su forma natural incluso en el vacío.
Tras estos descubrimientos, se han optimizado todos los tornillos y tuercas del microscopio electrónico. La resolución atómica deseada se alcanzó en 2013 y los investigadores ahora pueden producir de forma rutinaria estructuras tridimensionales de biomoléculas.
En los últimos años, la literatura científica se ha llenado de imágenes de todo, desde proteínas que causan resistencia a los antibióticos hasta la superficie del virus Zika.
Estructuras internas de virus, como los B y D de la hepatitis
En España, el Centro Nacional de Biotecnología (CNB) dispone de uno de los criomicroscopios para estudiar muestras biológicas. Como destacan, no es el único, ya que existen otros tres criomicroscopios electrónicos en el servicio de criomicroscopía electrónica cuyo uso está a disposición de grupos de investigación españoles y europeos a través de iniciativas como iNEXT y la red INSTRUCT-ERIC de la Unión Europea.
Los nuevos equipos permiten recopilar grandes cantidades de datos de alta resolución y procesar las imágenes con detalles cada vez más precisos como, por ejemplo, las estructuras internas de virus, bacterias y células.
Entre los ejemplos recientes de las aplicaciones de la criomicroscopia en el CNB cabe destacar el trabajo realizado por el grupo de la Dra. Carmen San Martín, en colaboración con el Instituto Pasteur en Francia, quienes han conseguido resolver la estructura de un adenovirus que infecta a lagartos, observando una importante diferencia en las proteínas de superficie de sus cápsides, a pesar de la cual conservan una estructura concreta esencial para la supervivencia de ambos virus.
El trabajo realizado por el grupo de la Dra. Cristina Risco, utilizando técnicas de criomicroscopía y análisis de imágenes, ha conseguido resolver el mecanismo de salida del reovirus humano, un patógeno responsable de enfermedades respiratorias y digestivas en niños y jóvenes.
