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El nuevo laboratorio de alta tecnología en Fred Hutch crea mapas 3D de proteínas para ayudar en la investigación terapéutica y de vacunas

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La profesora asistente Melody Campbell prepara una muestra en el laboratorio Cryo-EM de recursos compartidos en el Fred Hutchinson Cancer Research Center en Seattle. (Foto de Fred Hutch)

La Dra. Melody Campbell era una estudiante de pregrado cuando notó por primera vez la belleza y el poder de la microscopía electrónica criogénica (crio-EM), una técnica que utiliza temperaturas extremas y un microscopio electrónico para crear mapas 3D de proteínas.

La imagen era impactante y Campbell decidió en ese momento centrar su carrera en la técnica revolucionaria.

“Soy una persona visual”, dijo Campbell, ahora profesor asistente en la División de Ciencias Básicas del Centro de Investigación del Cáncer Fred Hutchinson. «Puedes aprender mucho sobre las proteínas mirándolas».

En febrero, después de más de un año de planificación, Campbell lanzó un nuevo laboratorio en Hutch, parte del esfuerzo de la organización para construir y desarrollar cryo-EM. La técnica proporciona una mirada espectacular y útil a las estructuras de todo, desde el ADN hasta las proteínas y los virus, incluido el ejemplo reciente relevante de la proteína de pico de coronavirus.

Una comprensión más clara de sus estructuras podría conducir en última instancia a nuevas terapias y vacunas dirigidas a enfermedades, desde enfermedades autoinmunes hasta cáncer y enfermedades infecciosas.

«Cryo-EM permite a los biólogos estructurales de todos los orígenes, incluso a un antiguo cristalógrafo como yo, ver finalmente las máquinas biológicas que hemos soñado visualizar», dijo Barry Stoddard, profesor de la División de Ciencias Básicas de Fred Hutch. , quien ayudó a abogar por la nueva instalación.

Cómo funciona Cryo-EM

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Caleigh Azumaya, gerente de instalaciones de Cryo-EM, carga una muestra en el microscopio Cryo-electron. (Foto de Fred Hutch)

Cryo-EM es una técnica innovadora (tres científicos ganaron el Premio Nobel de Química 2017 por su trabajo en el perfeccionamiento de la herramienta) que permite a los investigadores ver cosas muy pequeñas como virus o proteínas.

La técnica congela las partículas a -180 grados centígrados, atrapándolas en una fina película de hielo no cristalino. Ese proceso no solo los protege, sino que también los mantiene en su entorno nativo, libre de químicos o manchas. Luego, los científicos utilizan un microscopio electrónico y algoritmos informáticos para crear un modelo 3D de la estructura.

Anteriormente, los biólogos podían ver estas pequeñas partículas cristalizándolas y luego usando rayos X. Pero esa técnica generalmente solo proporciona una imagen estática, dijo Stoddard.

Stoddard, un experto en estructura de proteínas, ofreció la analogía de la imagen de un caballo. Si solo pudiera ver un caballo parado en un prado, sería difícil visualizar al caballo corriendo en el Derby de Kentucky. De manera similar, cryo-EM da vida al complejo movimiento y estructura de las moléculas en alta resolución, lo que permite a los investigadores comprender mejor su movimiento y función.

Esas imágenes detalladas de la estructura son útiles cuando se trata del desarrollo de tratamientos para enfermedades. Muchos medicamentos, incluidos los que combaten el cáncer, actúan uniéndose a las proteínas. Ver cómo se estructuran las proteínas puede ayudar a los investigadores a comprender mejor su potencial como nuevos objetivos farmacológicos.

Campbell está especialmente interesado en una familia de proteínas que se encuentran en la superficie de los glóbulos blancos. Estas proteínas juegan un papel en enfermedades autoinmunes e inflamatorias como el lupus. Una comprensión más detallada de la estructura y función de las proteínas es el primer paso en el desarrollo de terapias personalizadas.

Quizás el ejemplo reciente más relevante de cómo otros científicos están usando esta tecnología en acción es la proteína de punta roja en la ahora icónica imagen del coronavirus. Comprender cómo los anticuerpos de los pacientes con COVID se unieron a la proteína de pico del virus eventualmente condujo al desarrollo de terapias sólidas para combatir el COVID-19, dijo Campbell. Las estructuras crio-EM previas de proteínas de pico de coronavirus relacionadas guiaron el desarrollo de las vacunas de ARNm generalizadas actuales.

«Su forma es muy importante para su función y cómo funciona», dijo Campbell.

Una configuración ‘aventurera’

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Campbell y Azumaya se encuentran entre microscopios electrónicos de 7 pies. (Foto de Fred Hutch / Rachel Werther)

Configurar el nuevo laboratorio de Hutch, que tenía un precio de alrededor de $ 4 millones, fue «toda una aventura», que tomó alrededor de un año de preparación, dijo Campbell. El laboratorio incluye dos microscopios electrónicos: un Glacios y un Talos. Cada uno tiene unos dos metros de altura.

“Es irónico, tienen que ser más grandes para ver cosas más pequeñas”, dijo Campbell riendo.

Junto con su imponente altura, también pesan miles de libras. En noviembre, las nuevas máquinas llegaron a través de múltiples cajas en dos enormes camiones. Me tomó medio día descargarlos.

Pero los desafíos de configuración no se detuvieron ahí. Los microscopios son muy sensibles a la interferencia electromagnética, que es común en las grandes ciudades como Seattle.

“Son máquinas realmente delicadas”, dijo Campbell.

De hecho, son tan sensibles a las vibraciones que incluso hablar en voz alta mientras trabajan puede producir una imagen borrosa. Para eliminar la interferencia, el equipo de Hutch implementó un dispositivo de cancelación electromagnética dentro de la caja del microscopio que mide la interferencia y envía ondas perfectamente perpendiculares para cancelarla.

Se necesita equipo especializado para mantener las muestras congeladas a -180 grados centígrados, incluido un vitrobot o un robot de congelación. Cuando están en el microscopio, las muestras deben mantenerse al vacío para evitar que entren otras partículas que puedan interferir con los electrones, la fuente de iluminación.

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Campbell y su equipo recolectaron las primeras imágenes de alta resolución de la nueva instalación en marzo. La proteína apoferritina se encuentra en el intestino. (Imagen de Fred Hutch)

En días anteriores, los científicos que trabajaban en imágenes de partículas pequeñas se sentaban en una habitación oscura inclinados sobre un microscopio, recolectando datos con una película y moviendo la platina del microscopio para cada imagen. Ahora, Campbell puede decirle al microscopio qué datos recopilar y luego dejarlo solo durante tres días.

«Eso ha hecho que cryo-EM sea mucho más interesante y accesible», dijo.

En el Hutch, hay planes para construir las instalaciones y el personal para vigorizar y expandir el campo. En este momento, pueden observar una sola proteína o virus, pero la esperanza es expandirse a estructuras más grandes como las células.

Por ahora, una sola proteína es más que suficiente para mantener cautivado a Campbell. Ella y su equipo recolectaron las primeras imágenes de alta resolución en marzo: la proteína Apoferritina, que se encuentra en el intestino y puede almacenar hierro. Las proteínas son tan pequeñas que no tienen colores que los humanos puedan ver, por lo que Campbell aplicó un azul océano profundo, turquesa y verde vibrante en honor al esquema de color de Hutch.

«Fue una prueba, pero también muy emocionante porque todas estas pequeñas cosas pueden salir mal», dijo Campbell. «Ya conocíamos la estructura, pero nos mostró que todo estaba funcionando como debería, un gran suspiro de alivio».

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