Η παραμελημένη σύνδεση μεταξύ δύο από τα φετινά βραβεία Νόμπελ

Φέτος, τα βραβεία Νόμπελ στη Φυσιολογία ή την Ιατρική και στη Χημεία απονεμήθηκαν σε ερευνητές που εργάζονται για τη μελέτη του κιρκάδιου ρολογιού και την πρόοδο της κρυοηλεκτρονικής μικροσκοπίας (cryo-EM), αντίστοιχα. Αυτό που προσέλκυσε ελάχιστα σχόλια είναι ότι αυτά τα πεδία, φαινομενικά ανόμοια, έχουν διασταυρωθεί:το Cryo-EM έχει γίνει ένα από τα πιο σημαντικά εργαλεία για την προώθηση της έρευνας σχετικά με τις πρωτεΐνες που είναι υπεύθυνες για το κιρκάδιο ρολόι.

Οι ερευνητές που ερευνούσαν το κιρκάδιο ρολόι ανακάλυψαν, πριν από δεκαετίες, μια πρωτεΐνη της οποίας τα επίπεδα ανεβαίνουν και πέφτουν μέσα στα κύτταρα σε συγχρονισμό με τον ήλιο. Αυτή η πρωτεΐνη, γνωρίζουμε τώρα, σχηματίζει ένα σύμπλεγμα με άλλες που ρυθμίζουν την έκφραση τεράστιων τμημάτων του γονιδιώματος. Τέτοια σύμπλοκα υπάρχουν σχεδόν σε κάθε κύτταρο του σώματος οργανισμών τόσο διαφορετικών όσο οι μύγες των φρούτων και οι άνθρωποι - υπάρχει ακόμη και μια ομάδα πρωτεϊνών που κινούνται στα κυανοβακτήρια, αν και είναι εντελώς διαφορετικής προέλευσης. Αυτά τα πρωτεϊνικά ρολόγια διατηρούν τις φυσιολογίες ευθυγραμμισμένες με τη νύχτα και την ημέρα, έτσι ώστε οι οργανισμοί να τρώνε τη σωστή ώρα, να λένε στα κύτταρά τους να διαιρούνται τη σωστή στιγμή και, φυσικά, να κοιμούνται τη σωστή ώρα. Οι ανακαλύψεις των ερευνητών βοήθησαν να ξεκινήσει ένα πεδίο που αποκαλύπτει τους ρυθμούς στον πυρήνα της ζωής στη Γη.

Εν τω μεταξύ, οι ερευνητές της χημείας βοήθησαν να ωθήσουν τα όρια της ορατότητας πολύ πέρα ​​από αυτό που οι περισσότεροι άνθρωποι πίστευαν ότι ήταν δυνατό όταν εφευρέθηκε το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο το 1931. Στην ηλεκτρονική μικροσκοπία, λεπτές φέτες ιστού επικαλύπτονται με μέταλλο και στη συνέχεια σαρώνονται με μια δέσμη ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια που αναπηδούν πίσω συλλέγονται από ευαίσθητους ανιχνευτές. Οι ερευνητές δημιουργούν στη συνέχεια εικόνες του εσωτερικού των κυττάρων από αυτά τα επεξεργασμένα σήματα. Χρησιμοποιώντας παραδοσιακές μορφές ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, ο μηχανισμός του κυττάρου - το αναστατωμένο εσωτερικό των μεμονωμένων μιτοχονδρίων, οι μαύρες κηλίδες των ριβοσωμάτων - έρχεται στο επίκεντρο.

Στη συνέχεια, μεταξύ άλλων καινοτομιών, οι ερευνητές μικροσκοπίας συνειδητοποίησαν ότι η κατάψυξη των δειγμάτων με φλας θα επέτρεπε απεικόνιση υψηλότερης ανάλυσης από ποτέ και ότι οι εικόνες ξεχωριστών πρωτεϊνών θα μπορούσαν να συνδυαστούν υπολογιστικά για την ανάπτυξη δομικών μοντέλων. Ως αποτέλεσμα, είναι πλέον δυνατό να επιλυθούν μεμονωμένες πρωτεΐνες — σε ορισμένες περιπτώσεις, ακόμη και μέχρι τα άτομά τους.

Κατά τη διάρκεια της ανακοίνωσης του Βραβείου Νόμπελ στη Χημεία, μία από τις κρυο-ΕΜ εικόνες που οι αξιωματούχοι ανέβηκαν στην οθόνη για να καταδείξουν τη δύναμη της τεχνολογίας ήταν ένα κιρκάδιο ρολόι - αυτό στα κυανοβακτήρια. Albert Heck, δομικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Ουτρέχτης στην Ολλανδία, ο οποίος πρόσφατα δημοσίευσε τη δομή στο Science με τους συναδέλφους του, ήταν έκπληκτος και ενθουσιασμένος όταν άκουσε μέσα από το αμπέλι για τη στιγμή της δόξας του. «Για εμάς ήταν μια απόλυτη έκπληξη», είπε. Ωστόσο, η κατανόηση της δομής των κιρκάδιων ρολογιών - συστάδων πρωτεϊνών των οποίων η χωρική διάταξη είναι ακόμα ασαφής - είναι ακριβώς το είδος για το οποίο είναι καλό το κρυο-ΕΜ, σημείωσε.

Άλλες τεχνικές για την εξαγωγή του τρισδιάστατου σχήματος των πρωτεϊνών έχουν αυστηρές απαιτήσεις που αποκλείουν τα σύμπλοκα ρολογιού. Για παράδειγμα, η κρυσταλλογραφία, η οποία περιλαμβάνει την αναπήδηση ακτινοβολίας από τις πρωτεΐνες που μας ενδιαφέρουν, χρειάζεται να κρυσταλλωθούν οι πρωτεΐνες. Ακόμα κι αν μπορείτε να συλλέξετε χιλιάδες αντίγραφα ενός μορίου πρωτεΐνης και να τα συμπυκνώσετε σε ένα δείγμα, πολλές πρωτεΐνες δεν ευθυγραμμίζονται σε καθαρές κρυσταλλικές δομές. Η απεικόνιση πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, ένα άλλο εργαλείο δομικής βιολογίας, είναι  καλό για την εξέταση μόνο πολύ μικρών πρωτεϊνών ή μερίδων πρωτεϊνών. Με το cryo-EM, δεν χρειάζεστε τόσο πολύ υλικό, ούτε χρειάζεστε ένα κρύσταλλο και το μέγεθος δεν αποτελεί εμπόδιο. "Τα μεγαλύτερα μεγέθη είναι ιδανικά για κρυο-EM, όσο μεγαλύτερα σχεδόν τόσο καλύτερα", είπε ο Heck.

Επιπλέον, αυτές οι άλλες τεχνικές βγάζουν τις πρωτεΐνες από το πλαίσιο των θέσεων και των διαμορφώσεών τους στα ζωντανά κύτταρα. Αυτός ο περιορισμός γενικά υπονομεύει την ικανότητά μας να μάθουμε όσα θέλουμε περισσότερο για τις ευαίσθητες, μεταβλητές πρωτεΐνες και τα αποτελέσματα του Heck δείχνουν ότι ο περιορισμός θα αποτελούσε τεράστιο εμπόδιο για τις μελέτες απεικόνισης συμπλεγμάτων ρολογιού χωρίς κρυο-EM.

Η εικόνα που έφτιαξαν ο Heck και οι συνεργάτες του από το κυανοβακτηριακό ρολόι χρησιμοποιώντας κρυο-EM δείχνει μια τριάδα πρωτεϊνών να πιάνουν η μία την άλλη με λεπτότητα. Είναι παγωμένα στο χρόνο, αντιπροσωπεύοντας το στάδιο στο οποίο βρισκόταν το ρολόι όταν το σταμάτησαν οι ερευνητές. Αλλά υπάρχουν πολλές, πολλές ακόμη διαμορφώσεις εκεί έξω που η ομάδα δεν έχει καταγράψει ακόμα, είπε ο Heck. Αυτή είναι η ομορφιά των κιρκάδιων ρολογιών και μια από τις δυσκολίες λήψης φωτογραφιών τους:Μεταμορφώνονται με την πάροδο του χρόνου. Οι τρεις κυανοβακτηριακές πρωτεΐνες ρολογιού ενώνονται σε διαφορετικές αναλογίες ανάλογα με την ώρα. Μερικές φορές είναι τέσσερις από μια πρωτεΐνη, έξι από μια άλλη και 10 από την τρίτη, ή οποιαδήποτε από πολλές άλλες μεταθέσεις. Αυτό περιέπλεξε τη διαδικασία κρυο-ΕΜ, επειδή η ομάδα έπρεπε να περιορίσει προσεκτικά το δείγμα σε μία μόνο από τις μεταθέσεις για να αποκτήσει μια καθαρή εικόνα. Αλλά τα κατάφεραν.

Η δημιουργία τέτοιων εικόνων του ρολογιού των θηλαστικών, που έχει πολύ περισσότερες πρωτεΐνες, θα μπορούσε να είναι πολύ δύσκολη, είπε ο Heck. Η απόκτηση ακόμη και του απλού ρολογιού των κυανοβακτηρίων ήταν ένας κόπος έξι ετών.

Ωστόσο, τον Σεπτέμβριο, ο νευροβιολόγος Charles Weitz και οι συνάδελφοί του στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ δημοσίευσαν μια μελέτη που χρησιμοποίησε ηλεκτρονική μικροσκοπία στο σύμπλεγμα του ρολογιού των θηλαστικών. Αποκάλυψε δελεαστικές εικόνες της επιφάνειας αυτού του συμπλέγματος, αλλά ήταν μόνο μια σκιά του τι θα μπορούσε τελικά να επιτύχει το cryo-EM. Όπως εξήγησε ο Weitz σε ένα email, για το cryo-EM, «τα επιτυχημένα αποτελέσματα θα παρείχαν τόσο υψηλότερη ανάλυση [των σωματιδίων] όσο και την εσωτερική δομή… παρά μόνο τα εξωτερικά περιγράμματα». Είναι ένας ερευνητικός στόχος που, δεδομένου του πόσο έχει προχωρήσει η ηλεκτρονική μικροσκοπία, δεν είναι τόσο μακριά όσο φαινόταν κάποτε.