Al via gli studi del crio-microscopio elettronico di Statale e Centro Invernizzi

Si chiama FEI Talos Arctica 200 kV FEG-Falcon3, il crio-microscopio elettronico di Università Statale di Milano e Centro di Ricerca Pediatrica 'Romeo ed Enrica Invernizzi', dedicato allo studio della struttura 3D delle macromolecole biologiche a risoluzione quasi atomica.

Da gennaio 2018, il super microscopio è pienamente operativo e offre possibilità di studi e indagini a laboratori ed enti di ricerca interni ed esterni all'Ateneo, nell'ambito della biochimica, della biologia molecolare, della biofisica, della genetica, della virologia e dell'immunologia.

L'acquisto dello strumento è stato deliberato nell'aprile 2016 con un finanziamento congiunto di Statale e Centro di Ricerca Invernizzi di 3 milioni di euro, prima che la crio-microscopia elettronica salisse agli onori della cronaca scientifica con l'attribuzione del Nobel per la Chimica 2017 a Jacques Dubochet, Joachim Frank e Richard Henderson. In Italia, il FEI Talos è l'unico crio-microscopio elettronico di questa categoria avanzata e rappresenta per l'Ateneo di via Festa del Perdono e per il Centro Invernizzi un esempio di investimento lungimirante e capace di allineare, con la giusta tempistica, la ricerca universitaria ai più elevati standard internazionali.

"Con il crio-microscopio elettronico FEI Talos – afferma Martino Bolognesi, direttore del laboratorio di crio-microscopia elettronica dell'Università Statale - riusciamo a osservare il campione biologico con una risoluzione di circa 3 Å (Angstrom), il che significa poter distinguere dettagli strutturali di dimensioni prossime alle distanze atomo-atomo nelle macromolecole, ricostruire aminoacidi e strutture secondarie nelle proteine o i nucleotidi negli acidi nucleici".

Ma cosa rende il crio-microscopio elettronico la super macchina capace di guardare negli occhi il DNA?

C’è la storia degli ultimi 50-80 anni di ricerche nel campo della biologia strutturale, quel campo della biochimica e della biofisica che studia la struttura tridimensionale di macromolecole come proteine e acidi nucleici, dal primo prototipo di microscopio elettronico, ad opera di Knoll e Ruska (1931) alla cristallografia a raggi X di Perutz e Kendrew (1960), fino agli studi dei tre premi Nobel per la Chimica 2017.

"I principi di funzionamento di un crio-microscopio elettronico – prosegue il professor Bolognesi – non differiscono in sostanza da quelli del microscopio ottico, se non per l'utilizzo di elettroni al posto del fascio di luce, per le metodiche di preparazione del campione e per la rilevazione del segnale captato da speciali detectors".

Relativamente al trattamento del campione da analizzare, un problema che in crio-microscopia elettronica si cerca di minimizzare è quello del danno che il fascio di elettroni può causare alle macromolecole studiate, "investite" da un fascio di particelle cariche e ad alta energia e sotto condizioni di vuoto molto spinto.

Per compensare questo importante aspetto, si ricorre a due principali espedienti sperimentali, frutto degli studi Dubochet, Frank ed Henderson: il crio-congelamento del campione (la cosiddetta vitrificazione con cui il campione viene portato molto rapidamente a temperature prossime a quella dell'azoto liquido); l'utilizzo di Direct Electron Detectors, sensori super sensibili di nuova generazione, che riescono a rilevare flussi di pochi elettroni/secondo per pixel (un risultato quasi al limite dell'incertezza quantistica) e che permettono quindi di irradiare il campione con dosi di elettroni molto blande.

Inoltre, per sfruttare al meglio alcuni aspetti dell'acquisizione delle immagini e della loro successiva elaborazione, il detector in funzione sul Talos lavora con una risoluzione temporale di 40 immagini/secondo: 40 micrographs al secondo per un esperimento che può durare molte ore significano migliaia di immagini acquisite dal crio-microscopio elettronico durante un singolo esperimento, una mole di "scatti" che vanno poi analizzati e combinati secondo l'orientazione delle macromolecole, con elevati carichi sia per il calcolo che per l'archiviazione delle immagini.

"Per ovviare a tutta questa mole di dati – spiega il professor Bolognesi – il crio-microscopio elettronico utilizza server basati su più unità GPU (Graphic Processing Unit), una evoluzione delle classiche CPU (Central Processing Unit) che permettono di elaborare mappe 3D ad alta risoluzione con elevata velocità di calcolo. Attualmente il nostro crio-microscopio dispone di un solo server con 2 GPU, ma nei prossimi mesi arriveremo a un server con 16 GPU, con una capacità di storage di circa 650 terabytes".

Molte sono le applicazioni della crio-microscopia elettronica nella ricerca finalizzata, tra queste un importante numero di studi è diretto alla comprensione dei meccanismi di azione dei farmaci.

"Nella biologia strutturale – afferma il professor Bolognesi – lo studio di base di proteine e acidi nucleici significa anche analizzare come una nuova molecola (potenziale farmaco) in via di sviluppo vada a modificare o sia riconosciuta dalla struttura della proteina/recettore a cui si lega. Tutto questo con il grosso vantaggio che con la crio-microscopia elettronica possiamo utilizzare quantità minime di campione, eventualmente estraibili anche dal vivo, come complessi a più componenti, estremamente difficili da ricostruire in vitro, o le proteine di membrana".

Insieme a Paolo Swuec, ricercatore post doc proveniente dal Francis Crick Institute (Londra), il professor Bolognesi sta conducendo attualmente ricerche in ambito patologico e vegetale per progetti sia interni all'Ateneo che di enti esterni.

Project Design, Sample Optimizazion, Negative Staining Electron Microscopy, Cryo-Electron Microscopy/Tomography e Data Analysis sono i servizi di crio-microscopia elettronica offerti dal laboratorio del professor Bolognesi a gruppi ed enti ricerca interni ed esterni all'Ateneo. Maggiori dettagli sono reperibili sul sito del Centro di Ricerca Pediatrica 'Romeo ed Enrica Invernizzi'.