La criomicroscopía electrónica es una técnica muy utilizada en el campo de la biología para el estudio de estructuras moleculares a temperaturas criogénicas; lo que permite observar las muestras a resolución atómica.
Jackes Dubochet, Joachim Frank y Richard Henderson ganaron el Premio Nobel de Química por su trabajo en el desarrollo de la criomicroscopía electrónica en el año 2017.
La metodología que sigue esta técnica es la siguiente:
- La muestra se congela y se prepara con hielo vítreo.
- Se realiza la toma de imágenes.
- Se digitalizan las imágenes.
- Las imágenes ya digitalizadas en 2D se procesan para obtener una reconstrucción 3D de las estructuras macromoleculares.
Los avances tecnológicos (como los microscopios que trabajan, entre otras cosas, con GPUs que aceleran el procesamiento de imágenes) y la evolución en la potencia de cómputo han facilitado la elaboración de los modelos tridimensionales.
El servicio de criomicroscopía electrónica
Con sede en el Centro Nacional de Biotecnología (CNB), la instalación de criomicroscopía electrónica (Cryo-EM) del CSIC es un servicio básico de última generación que ofrece tanto la preparación de muestras como la recopilación de imágenes Cryo-EM de material biológico.
La instalación alberga dos criomicroscopios electrónicos:
- Un JEOL CryoARM de 300 kV equipado con un cargador automático, un detector de electrones directos Gatan K3 y un filtro de energía Omega.
- Un FEI TALOS Arctica de 200 kV, equipado con un cargador automático y un detector de electrones directos Falcon III.
Ambos son adecuados para la recopilación de grandes cantidades de datos de alta resolución.
Esta instalación, única en España, cuenta también con dos dispositivos adecuados para la vitrificación de muestras pequeñas, como proteínas y complejos macromoleculares y un tercer dispositivo adecuado para la congelación rápida de muestras celulares.
“El primer paso de esta técnica (la criomicroscopía electrónica) consiste en congelar las proteínas a muy baja temperatura (-180ºC), de tal manera que movilizamos las proteínas en una capa fina de hielo, quedando inmersas y dispuestas en distintas orientaciones.
Posteriormente, introducimos las proteínas en el microscopio electrónico de transmisión y capturamos un gran número de imágenes que, gracias a potentes ordenadores, muestran la estructura de estas proteínas en alta resolución. Incluso, podemos visualizar los aminoácidos que componen estas proteínas.
Con la utilización de esta técnica ayudamos al desarrollo de nuevos fármacos”.
Rocío Arranz, jefa del Servicio de Criomicroscopía Electrónica del Centro Nacional de Biotecnología del CSIC (CNB-CSIC)
BREM
El Basque Resource for Electron Microscopy (BREM) proporciona acceso a instrumentación de alta gama y experiencia en criomicroscopía electrónica de alta resolución (Cryo-EM) a investigadores nacionales e internacionales, académicos e industriales.
Está ubicado en el Instituto de Biofisika (CSIC) en el parque científico de la Universidad del País Vasco en Leioa; y está apoyado por la fundación Biofísica Bizkaia. Es parte de una iniciativa ambiciosa del Departamento de Educación y el Fondo de Innovación del Gobierno Vasco para incorporar tecnologías disruptivas que tengan un impacto importante en el desarrollo tecnológico, de investigación y de innovación.
El objetivo de BREM es comprender la base estructural de los procesos biológicos y la patogénesis de las enfermedades humanas a través de la criomicroscopía electrónica.
Además, también apoya los esfuerzos de investigación de fármacos basados en biología estructural y el desarrollo de terapias avanzadas para enfermedades.
BREM ha instalado un microscopio electrónico de transmisión Thermo Fisher Titan Krios G4; es el primero en España y el segundo en el sur de Europa. Cuenta con personal altamente cualificado y ayuda a los usuarios con la determinación de la estructura tridimensional utilizando todas las técnicas principales Cryo-EM disponibles para la biología estructural.
«La llegada de este microscopio electrónico al Instituto Biofisika nos permite participar en proyectos internacionales de interés biomédico; por lo tanto, podemos competir y posicionar al País Vasco en una primera línea en biología estructural».
David Gil Carton, director técnico de BREM
Características del criomicroscopio electrónico de BREM
El criomicroscopio electrónico instalado en el Instituto Biofisika para la observación de especímenes biológicos a baja temperatura mediante criomicroscopía electrónica tiene las siguientes características:
- Se trata de un criomicroscopio electrónico de transmisión de 300 kV de alta resolución de última generación.
- Utiliza lentes de alta estabilidad y un cañón de emisión de campo como fuente de iluminación.
- Cuenta con una placa de fase para la mejora del contraste.
- Incluye un filtro de energía y un detector directo de electrones como sistema de recogida de información.
- Está optimizado para el análisis automatizado de partículas individuales, microdifracción de electrones y la tomografía electrónica de doble eje.
- Consigue imágenes de muestras biológicas a baja temperatura con una resolución ultra alta para la adquisición de datos con un alto rendimiento y reproducibilidad; y de manera simple e intuitiva.
La aportación de Azken a la criomicroscopía electrónica
BREM planteó un reto a Azken Muga:
“El éxito de este microscopio es su gran capacidad de automatización, la mejora en estabilidad y el mayor rendimiento de los nuevos detectores.
Todo esto hace posible realizar sesiones ininterrumpidas de 48 horas de un solo experimento. Estos datos pueden ser 10, 20 o 40 Tb, dependiendo del experimento; luego, tanto el control de calidad para toma de decisiones en tiempo real («processing on-the-fly») como la transferencia de datos a los usuarios lo más rápido -y sin fallos- es vital para el éxito de BREM.
Los datos son movies (vídeos) de 1 Gb cada uno en formato MRC o TIFF y en un solo experimento hay que transferir al usuario desde 20.000 hasta 45.000 de estas movies. El microscopio puede generar 10.000 movies en 24 horas”.
David Gil Carton, director técnico de BREM
BREM requería por parte de Azken un data center, compuesto por un servidor 8xGPU, dos servidores de almacenamiento y tres workstations, conectado al servidor del microscopio. Siguiendo este esquema:
Los sistemas elegidos para llevar a cabo este proyecto fueron: un servidor basado en GPU para el procesamiento de imágenes (8G4 Dual Xeon Scalable HPC 8xGPU); un servidor de almacenamiento SSD (RStorage 540S Dual Xeon Scalable Processors 36xSSD); un servidor de almacenamiento HDD (RStorage 540S Dual Xeon Scalable Processors 36xHDD); y tres workstations multi GPU de escritorio (T-Series Xeon SP).
8G4 Dual Xeon Scalable HPC 8xGPU
Con la siguiente configuración:
- Chasis enracable 4U
- 2x Intel® Xeon® Gold 6240R 2,4GHz 35,75MB Cache 24 Cores
- 16x 64GB DDR4 2933MHz ECC Reg
- SSD Kingston DC500R 1.92TB SATA 6Gb/s 2,5″
- 5x SSD Enterprise 7.68TB SATA 6Gb/s 2,5″
- 8x NVIDIA GeForce RTX 3090 24GB
- HBA Mellanox® 100GbE 2x QSFP28 PCIe 3.0
- Distribución GNU/Linux Fedora, Ubuntu, CentO
RStorage 540S Dual Xeon Scalable Processors 36xSSD/HDD
Con la siguiente configuración:
> RStorage 540S Dual Xeon Scalable Processors 36xSSD
- Chasis enracable 4U
- 2x Intel® Xeon® Silver 4216 2,1GHz 22MB Cache 16 Cores
- 8x 32GB DDR4 2933MHz ECC Reg
- SSD Samsung 980 PRO 250GB M.2 NVMe 2280 PCIe 4.0 x4
- 17x SSD Kingston DC500R 7.68TB SATA 6Gb/s 2,5
- HBA Mellanox® 100GbE 2x QSFP28 PCIe 3.0
- Distribución GNU/Linux Fedora, Ubuntu, CentO
> RStorage 540S Dual Xeon Scalable Processors 36xHDD
- Chasis enracable 4U
- 2x Intel® Xeon® Silver 4216 2,1GHz 22MB Cache 16 Cores
- 8x 32GB DDR4 2933MHz ECC Reg
- SSD Kingston DC500R 960Gb SATA 6Gb/s 2,5″
- 36x HD 14TB SATA 6 Gb/s 7.200 r.p.m 3,5 256MB Enterprise Storage
- HBA Mellanox® 100GbE 2x QSFP28 PCIe 3.0
- Distribución GNU/Linux Fedora, Ubuntu, CentO
T-Series Xeon SP
Con la siguiente configuración:
- Chasis E-ATX Steel Negro
- Placa Base Dual Intel® Xeon® Scalable
- F.A. 1500W+ PFC Active, Modular Ultra-Silent 80 + Gold
- 2x Intel® Xeon® Gold 6240R 2,4GHz 35,75MB Cache 24 Cores
- 8x 64GB DDR4 2933MHz ECC Reg
- 4x HD 10TB SATA 6 Gb/s 7.200 r.p.m 3,5 256MB Enterprise Storage
- SSD PNY CS3140 2TB M.2 NVMe 2280 PCIe 4.0 x4
- NVIDIA GeForce RTX 3090 24GB
- NVIDIA Quadro T400 GPU
- 2 x IIYAMA ProLite XUB2792QSU-B1 27
- Kit Teclado Ratón Logitech Laser Negro
- HBA Mellanox® 100GbE 2x QSFP28 PCIe 3.0
- Distribución GNU/Linux Fedora, Ubuntu , CentOS
- Kit instalación software CryoEM