Заморозити, сфотографувати, об’єднати: за що дали Нобеля з хімії

Хто всі ці люди?

В цьому році Нобелівська премія з хімії дісталася інтернаціональній команді вчених: Жак Дюбоше працює в Університеті Лозанни у Швейцарії, німець Йоахім Франк – у Колумбійському університеті в Нью-Йорку, а шотландець Річард Хендерсон пов’язаний з Лабораторією молекулярної біології MRC в Кембриджі (США). Їх роботи присвячені криоэлектронной мікроскопії.

Ъ
Жак Дюбоше, Йоахім Франк і Річард Хендерсон

У рамках цього методу зразки досліджуються при дуже низьких (кріогенних) температур нижче 120 До або -153,15°C – точки, в якій природний газ перетворюється в рідину – і до температури 0,7 K (-272,45 °C, температура одержання рідкого гелію під вакуумом). Зазвичай зразок поміщають у рідкий азот.

І для чого потрібен цей метод?

Як пояснює Шведська королівська академія наук, криоэлектронная мікроскопія (кріо-ЕМ) спрощує і покращує візуалізацію біомолекул”. Вона популярна у структурної біології, яка вивчає будову складних молекул. Такими макромолекулами є білки, ДНК і РНК.

Електронні мікроскопи довго вважалися придатними тільки для зображення мертвого речовини, тому що потужний електронний пучок руйнує біологічний матеріал. Крім того, вченим доводилося фарбувати або фіксувати зразки, щоб їх можна було розглядати в мікроскоп. Ще одне обмеження: спостереження можна проводити тільки в вакуумі, що є жорсткою середовищем для молекул.

Робота вчених, додає академія, “відкрила нову еру в біохімії” і надала нові способи побачити складні процеси, які відбуваються в людських клітинах. Кріо-ЕМ дозволила вченим спостерігати за живими молекулами в рідному середовищі, розширивши можливості для дослідження і полегшивши процес підготовки препарату. З отриманих зображень можна зібрати відео, які розповідають про життя всередині клітини. Дослідження Дюбоше, Франка і Хендерсона дозволили з 2013 року отримувати тривимірні зображення біологічних зразків на мікроскопічному рівні.

Як Дюбоше, Хендерсон і Франк прийшли до відкриття?

Вчені довго шукали способи уникнути радіологічного пошкодження зразків при спостереженні в електронний мікроскоп. Крім того, необхідно було вирішити проблему вакууму. Спочатку це намагалися зробити з допомогою негативного забарвлення, при якому забарвлюється не сама молекула, а фон навколо неї, і об’єкт спостереження стає чітко видно в мікроскоп. Однак структура молекули все одно змінювалася, так як зразок доводилося “висушувати”. Тому запропонували розглядати об’єкт в шматку льоду, який би фіксував форму молекули. Але при заморожуванні вода перетворюється на кристали, які здавлюють і руйнує тендітні молекули.

Молекулярна модель на основі криоэлектронной мікроскопії вірусу венесуельського енцефаліту. Фото надане доктором Вах Чіу, професором біохімії медичного коледжу Бейлор.

На початку 1980-х років групи вчених, що вивчали фізику твердого тіла, намагалися створити аморфний лід (або склоподібну воду), атоми якого розташовані в хаотичному порядку, поза кристалічної решітки. Вони пропонували різні способи, такі як заморожування під високим тиском або миттєва заморожування до температури нижче точки склування води – щоб атоми не встигли кристалізуватися. Застосувати ці технології в мікроскопії вдалося групі Жака Дубоше з Європейської лабораторії молекулярної біології: у 1984 році вони показали зображення аденовірусу, вмерзли в остеклованный шар води. Ця стаття стала точкою відліку в історії криоэлектронной мікроскопії. Дюбоше так швидко охолоджував воду, що лід “обтекал” біологічний зразок, як якщо б він був рідким. Це дозволяло макромолекул зберігати свою природну форму навіть у вакуумі.

У 1981 році Йоахім Франк і його колеги представили метод, що дозволяє сортувати двомірні зображення бляклих, хаотичних частинок в розчині по їх орієнтації в просторі і структурним особливостям і об’єднувати їх в 3D-зображення. Вчений розробив багато важливі математичні інструменти для аналізу зображень і зібрав їх разом в комп’ютерній програмі SPIDER.

Річард Хендерсон продемонстрував, що за допомогою кріо-ЕМ можна отримати структури атомного дозволу біомолекул. У 1990 році йому вдалося використовувати електронний мікроскоп для створення тривимірного зображення білка з атомною роздільною здатністю. Це був справжній прорив, який довів потенціал кріо-ЕМ.

Які ще способи спостереження існують?

twit text

— The Nobel Prize (@NobelPrize) 4 жовтня 2017 р.

Рентгенівська кристалографія. Цей метод заснований на явищі рентгенівської дифракції – розсіяння пучка рентгенівських променів атомною структурою кристала. Він вимагає кристалізації зразка, що може бути утруднено. Крім того, препарат доводиться поміщати в неприродні для нього середовища, що неминуче призводить до змін у макромолекули і спотворює результати спостереження.

А які недоліки в кріо-ЕМ?


Фотографія білка галактозидази. Зліва – рівень деталізації, якого криоэлектронная мікроскопія дозволяла домогтися трохи більше 5 років тому. Праворуч – демонстрація сучасних можливостей кріо-ЕМ, які дозволяють розгледіти молекули води, що зв’язують білок

Довгий час основним недоліком криомикроскопии було її низька роздільна здатність — не більше 0,5 нм. Проте недавні дослідження дозволили вивести її на новий рівень. Наприклад, завдяки команді вчених з Мерілендського підрозділи Національних інститутів охорони здоров’я США, дозвіл збільшилася до 0,22 нм. Таким чином, криомикроскопия зрівнялася з традиційними методами.

Як лауреати відреагували на новину про нагородження?

“Зазвичай мене будить моя собака, але сьогодні це була Нобелівська премія”, – так відповів Йоахім Франк на дзвінок голови Нобелівського комітету.

Свої побажання та побоювання, свої найщиріші вітання та обурення Ви можете надсилати безпосередньо до Столиці Світу на [email protected]. Ми раді допомогти всім, хто радий допомогти нам. Щира подяка, пані та панове!

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *