Veuen per primera vegada en 3D, nanomàquines en funcionament dins la cèl·lula

A l’esquerra, visualització en viu de nanomàquines moleculars amb tècniques de microscòpia actual; a la dreta, el nou mètode permet veure en 3D nanomàquines en viu 25 vegades millor (O. Gallego, IRB Barcelona)
A l’esquerra, visualització en viu de nanomàquines moleculars amb tècniques de microscòpia actual; a la dreta, el nou mètode permet veure en 3D nanomàquines en viu 25 vegades millor (O. Gallego, IRB Barcelona)
  • <p>On the left, in vivo image of nanomachines using current microscopy techniques; on the right, the new method allows 3D observation of nanomachines in vivo and provides 25-fold improvement in resolution  (O. Gallego, IRB Barcelona)</p>
  • <p>Scientist Oriol Gallego, who led the project, and PhD student, Irene Pazos at the IRB Barcelona laboratory</p>
  • <p>Model of the architecture of the main machinery involved in exocytosis. The eight proteins, each shown in a different color, are bound, forming the nanomachine or protein complex. (O. Gallego, IRB Barcelona)</p>

Investigadors liderats per l’IRB Barcelona combinen enginyeria genètica, superresolució i biocomputació per apropar als ulls del científics els complexes de proteïnes dins de cèl·lules vives.

L’estudi, que publica la revista Cell, revela aspectes centrals del funcionament d’un complex de proteïnes vital per a animals i plantes. 

Amb la nova estratègia es podran estudiar maquinàries de proteïnes en cèl·lules sanes i en cèl·lules malaltes.

Científics de l’Institut de Recerca Biomèdica (IRB Barcelona), en col·laboració amb investigadors de la Universitat de Ginebra a Suïssa i el Centro Andaluz de Biología del Desarrollo de Sevilla, presenten avui a Cell un treball on han pogut visualitzar per primera vegada en cèl·lules vives i en tres dimensions les nanomàquines proteiques, o complexes de proteïnes, que duen a terme les funcions cel·lulars.

Actualment, els biòlegs que estudien de nanomàquines proteiques, o bé aïllen aquestes màquines en tubs d’assaig, fora de la cèl·lula, per poder usar tècniques in vitro que permeten  veure la seva estructura a escala atòmica, o bé usen tècniques per poder analitzar aquestes nanomàquines en viu dins les cèl·lules però que ofereixen escassa informació estructural. Amb aquest treball, els científics han aconseguit veure l’estructura d’una màquina proteica directament en cèl·lules vives mentre du a terme la seva funció.

“Les tècniques in vitro disponibles són excel·lents i ens permeten veure al detall de l’àtom, però la informació que ens donen és limitada. No entendrem com funciona un motor si el desmuntem i només ens fixem en les seves peces per separat. Ens cal veure el motor construït dins el cotxe i en funcionament. En biologia no tenim encara les eines per visualitzar l’engranatge sencer d’una cèl·lula viva, però amb aquesta tècnica que hem desenvolupat fem un salt, i podem veure, en 3D, com els complexes de proteïnes duen a terme les seves funcions” explica Oriol Gallego, investigador de l’IRB Barcelona i coordinador de l’equip artífex de la nova metodologia, en el que també ha participat l’estudiant de doctorat Irene Pazos.

Veure la maquinària nanomètrica en funcionament

La nova estratègia integra mètodes de microscòpia de superresolució -invenció premiada amb el Nobel de Química el 2014-, modificació genètica i modelatge computacional. La tecnologia permet observar complexes proteics amb una precisió de cinc nanòmetres*, una resolució “quatre vegades millor del que ofereix la superresolució i que ens permet dur a terme estudis de biologia cel·lular fins ara inviables”, detalla Gallego. (*un nm és una milionèsima part d’un mil·límetre. Un cabell fa d’ample 100.000 nm)

Els investigadors modifiquen genèticament cèl·lules per crear-hi a dins uns suports artificials on poden ancorar els complexes de proteïnes. Aquests suports estan dissenyats de manera que permeten controlar des de quina perspectiva s’observa la nanomàquina immobilitzada. Després, amb tècniques de superresolució mesuren les distàncies entre els diferents components i les integren per ordinador, en un procés similar a l’utilitzat pel GPS, per determinar l’estructura 3D del complex proteic.

Aspectes fonamentals de l’exocitosi

Amb aquest mètode, Gallego ha estudiat l’exocitosi, un mecanisme que la cèl·lula utilitza per relacionar-se amb l’exterior, com és el cas de les neurones que es comuniquen entre sí alliberant neurotransmissors mitjançant exocitosi. L’estudi ha permès revelar l’estructura completa d’una nanomàquina central en l’exocitosi, i que fins ara era un enigma.

Ara entenem com funciona aquesta nanomàquina formada per vuit proteïnes i perquè és important cadascuna d’elles. Aquest coneixement ajudarà a entendre millor la implicació de l’exocitosi en càncer i metàstasi, on la regulació d’aquesta nanomàquina està alterada”, explica.

 

 

Nous estudis

El coneixement sobre com treballen les nanomàquines que duen a terme les funcions cel·lulars té implicacions biomèdiques ja que els desajustos en aquests engranatges poden provocar malalties. Amb la nova estratègia es podran estudiar maquinàries de proteïnes en cèl·lules sanes i en cèl·lules malaltes. Per exemple, es podrien veure com els virus i bacteris utilitzen nanomàquines proteiques durant el procés d’infecció o entendre millor aquells defectes dels complexes que causen patologies i poder dissenyar estratègies per reparar-los.

La tècnica, ara per ara, es pot aplicar a maquinàries relativament grans. “Veure complexes proteics de cinc nanòmetres és una gran millora, però encara queda un llarg camí per poder observar l’interior cel·lular amb el detall atòmic que proporcionen les tècniques in vitro”, indica Gallego. “En tot cas”, continua, “crec que el futur passa per integrar diversos mètodes i combinar els avantatges de cadascun”. 

Oriol Gallego ha desenvolupat aquest projecte durant cinc anys dins el programa de Medicina Molecular de l’IRB Barcelona amb un contracte d’investigador Ramón y Cajal del Ministeri d’Economia i Competitivitat, que finalitzarà properament. Gallego ja té compromeses dues estades, al Japó i a Alemanya, per aprofundir en la integració de diferents tècniques de microscòpia. “Després m’agradaria seguir fent ciència des de Barcelona i al màxim nivell i espero que aquest treball publicat a Cell m’ho faciliti”, valora aquest jove investigador interessat en la biologia dels complexes proteics i en desenvolupar la tecnologia que “faci visible l’invisible”.

Article de referència:

Andrea Picco, Ibai Irastorza-Azcarate, Tanja Specht, Dominik Böke, Irene Pazos, Anne-Sophie Rivier-Cordey, Damien P. Devos, Marko Kaksonen, Oriol Gallego

The in vivo architecture of the exocyst provides structural basis for exocytosis

Cell (2017). Doi: 10.1016/j.cell.2017.01.004

 
Sobre l’IRB Barcelona
Creat el 2005 per la Generalitat de Catalunya i la Universitat de Barcelona, l'IRB Barcelona és Centre d'Excel·lència Severo Ochoa des de 2011, segell renovat l’octubre de 2015. Els 23 laboratoris i set plataformes tecnològiques estan dedicats a ciència bàsica i aplicada amb l'objectiu d'abordar problemes biomèdics d'impacte socioeconòmic. És un centre internacional que acull més de 400 treballadors de 36 nacionalitats. L’objectiu és contribuir en l’avançament de les ciències biomèdiques i millorar la qualitat de vida mitjançant la transferència dels avenços. Ja s’han establert tres empreses biotecnològiques. Està ubicat en el Parc Científic de Barcelona. L’IRB Barcelona forma part del Barcelona Institute of Science and Technology (BIST).