Ada Yonath y la Cristalografía de Rayos X / Ada Yonath and X-ray Crystallography

Es posible que a muchos de vosotros el nombre de Ada Yonath no os diga nada, pero este es el nombre de una de las científicas más reconocidas a nivel mundial. Recibió en 2008 Premio Mundial de Ciencias Albert Einstein y en 2009 fue galardonada con el Premio Nobel de Química junto con Venkatraman Ramakrishnan y Thomas A. Steitz por su trabajo sobre la estructura de los ribosomas.

Dr. Ada Yonath

Dr. Ada Yonath

Ada E. Yonath nació en Jerusalén el año 1939. Creció en una familia con pocos recursos, pero eso no le supuso ningún obstáculo para recibir una formación de calidad. Estudió Química, Bioquímica y Biofísica en la Universidad Hebrea de Jerusalén y en 1968 se Doctoró en Cristalografía de Rayos X por el Instituto Weizmann. Realizó estancias post-doctorales en Pennsylvania y el MIT (Massachusetts Institute of Technology), pero acabó volviendo a Israel, donde creó su propio laboratorio de cristalografía. Durante toda su carrera como investigadora mantuvo una estrecha colaboración con el Instituto Max Planck en Alemania.

Durante más de veinte años se dedicó en cuerpo y alma a revelar el misterio que suponían en esa época los ribosomas. Se sabía que los ribosomas son las moléculas encargadas de sintetizar o construir proteínas, en cambio no se conocía su estructura tridimensional, por lo que comprender el proceso en su totalidad era extremadamente complicado.

Los ribosomas son las estructuras celulares encargadas de unir aminoácidos para formar moléculas más complejas, las proteínas. Cada ribosoma está formado por dos subunidades (pequeña y grande) distintas compuestas a su vez por cadenas de ARN y proteínas. La subunidad grande es la encargada de catalizar la creación del enlace peptídico que mantiene unidos los aminoácidos, mientras que la subunidad pequeña controla el correcto emparejamiento de los codones que forman el código genético.

Veamos ahora en que consiste la cristalografía de rayos X.

La cristalografía de rayos X es junto con la resonancia magnética nuclear (RMN) el único método que permite determinar la estructura tridimensional de proteínas con una elevada resolución atómica. Las ventajas de la cristalografía son las siguientes: no existe límite en cuanto al tamaño de las proteínas, las estructuras son muy precisas (el error suele ser de 0.1 Ǻ) y permite determinar implícitamente las distancias entre átomos. No obstante, el mayor problema que presenta es la necesidad de crecer cristales, y alrededor del 50 % de las proteínas no forman cristales. ¿Por qué cristales? Los cristales son necesarios para generar una señal que se pueda detectar. Los rayos X son dispersados por los electrones, por lo que las interacciones son demasiado débiles para detectar cuando provienen de una única molécula, en cambio, los cristales contienen miles de millones de moléculas en exactamente la misma orientación. La dispersión de cada una de estas moléculas da un patrón de difracción que se puede medir.

La necesidad de crecer cristales es en muchos casos el factor limitante, por lo que se ensayan cientos de condiciones hasta que se encuentran las más apropiadas. Los dos métodos más comunes son la gota sentada y la gota colgada. El primer paso para obtener los cristales consiste en purificar las proteínas. Para intentar crecer cristales se requieren 1 – 10 mg de proteína pura, a los que se añadirán lentamente reactivos que permitan reducir la solubilidad de la proteína y generar una precipitación controlada de la misma. Si posteriormente se fuerza un incremento paulatino de concentración y se controlan las condiciones normalmente se generan cristales de tamaño adecuado para los experimentos de difracción (entre 0.1 y 0.5 mm).

Métodos de la gota sentada y la gota colgada / The sitting drop and the hanging drop methods

Métodos de la gota sentada y la gota colgada / The sitting drop and the hanging drop methods


 

Maybe many of you do not recognize the name of Ada Yonath, but this is the name of one of the most renowned scientists in the world. She received in 2008 the Albert Einstein World Science Award and in 2009 she was awarded with the Nobel Prize in Chemistry along with Venkatraman Ramakrishnan and Thomas A. Steitz for their work on the structure of ribosomes.

Ada E. Yonath was born in Jerusalem in 1939. She grew up in a family with too low resources, but that did not represent any obstacle for receiving a good quality education. She studied Chemistry, Biochemistry and Biophysics at the Hebrew University of Jerusalem and in 1968 she received her doctorate in X-ray crystallography by the Weizmann Institute. She completed her post-doctoral stays in Pennsylvania and the MIT (Massachusetts Institute of Technology), but ended up returning to Israel, where she created her own laboratory of crystallography. During her career as an investigator she always maintained a close collaboration with the Max Planck Institute in Germany.

For more than twenty years she devoted herself to reveal the mystery of the ribosomes. At that time, it was known that ribosomes were the molecules involved in the proteins synthesis, however their three-dimensional structure was an enigma, and it was totally necessary to understand the entire process.

Ribosomes are the cell structures responsible of joining amino acids to form more complex molecules, proteins. Each ribosome is composed of two subunits (small and large), which at the same time are made of different RNA strands and several proteins. The large subunit is responsible for catalyzing the peptide bond that holds the amino acids together, while the small subunit controls the correct pairing of the codons that form the genetic code.

Let’s talk now about the X-ray crystallography.

The X-ray crystallography is together with the nuclear magnetic resonance (NMR) the only method for determining the three-dimensional structure of proteins with high atomic resolution. Crystallography advantages are: there is no limit on the size of the protein, structure prediction is very accurate (error is normally around 0.1 Å) and allows determining distances between atoms. However, the biggest problem that arises is the need to grow crystals, due to that about 50% of the proteins do not form crystals. Why crystals? The crystals are necessary to generate a signal that can be detected. X-rays are scattered by the electrons, so that the interactions are too weak to detect when they come from a single molecule, however, the crystals contain billions of molecules in exactly the same orientation. The dispersion of each of these molecules gives a diffraction pattern that can be measured.

The need to grow crystals is often the limiting factor, so that hundreds of conditions are tested until they are the most appropriate. The two most common used methods are the sitting drop and the hanging drop. The first step to obtaining crystals is to purify proteins. To try to grow crystals 1 to 10 mg of pure protein are required. After that some reagents that reduce the solubility of the protein and generate a controlled precipitation are slowly added. If subsequently a gradual increase in strength and concentration conditions is controlled adequately sized crystals usually are generated for diffraction experiments (between 0.1 and 0.5 mm).

We recommend you to read her autobiography here / Os recomendamos leer su autobiografía aquí

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