Нобелевская премия по химии, 2017: молекулы жизни, запечатленные в 3D
Использование криоэлектронной микроскопии, разработанной отдельно лауреатами, позволяет замораживать биомолекулы в середине движения и отображать их с атомным разрешением. Эта технология, как заявил Нобелевский комитет, «переместила биохимию в новую эру».
Ричард Хендерсон (слева), Иоахим Франк (в), Жак Дюбоше (справа). Нобелевская премия по химии 2017 года была присуждена в среду Жаку Дюбоше, Иоахиму Франку и Ричарду Хендерсону за разработку криоэлектронной микроскопии для определения структуры биомолекул в растворах с высоким разрешением.
Электронный микроскоп был разработан в начале 1930-х годов немецким физиком Эрнстом Руска, за что он был удостоен Нобелевской премии по физике 1986 года (вместе с Гердом Биннигом и Генрихом Рорером, которые разделили вторую половину премии). Четырьмя годами ранее Нобелевская награда по химии 1982 года была вручена Аарону Клугу за разработку кристаллографической электронной микроскопии и структурное объяснение биологически важных комплексов нуклеиновая кислота-белок.
На протяжении большей части первой половины 20 века определение структуры биомолекул - белков, ДНК и РНК - представлялось серьезной проблемой в области биохимии. Знания ученых неуклонно развивались в течение последних шести десятилетий - начиная с новаторских кристаллографических исследований структуры глобулярных белков, которые принесли Максу Ф. Перуцу и Джону Кендрю Нобелевскую премию по химии в 1962 году, до освоения криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ) для которой была присуждена Премия 2017 года.
В 50-х годах рентгеновская кристаллография (экспонирование кристаллов протеина рентгеновскими лучами) использовалась для разработки моделей биомолекул для исследований и разработок; в 80-х годах с этой целью также применялась спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Однако использование обоих методов было связано с ограничениями, налагаемыми природой биомолекул. Рентгеновская кристаллография требует хорошо организованных кристаллов - биомолекулы обычно никогда не организуются в кристаллы. И ЯМР работал только с относительно небольшим набором белков.
Лауреаты премии 2017 года использовали три разных подхода, которые вместе преодолели эти проблемы, открыв, как сказал Нобелевский комитет, биохимию в новую эру, сделав получение изображений биомолекул проще, чем когда-либо прежде.
Рентгеновская кристаллография в электронный микроскоп
Ричард Хендерсон отказался от рентгеновской кристаллографии и обратился к визуализации белков с помощью просвечивающей электронной микроскопии, в которой вместо света через образец проходит тонкий пучок электронов. Однако, хотя электронный микроскоп хорош для получения атомной структуры, скажем, мембранного белка, интенсивный электронный пучок, необходимый для получения изображений с высоким разрешением, сжигает биологический материал. А уменьшение интенсивности луча означает существенную потерю контрастности, и изображение становится нечетким.
Кроме того, требование вакуума для электронной микроскопии означало ухудшение биомолекул с испарением окружающей воды.
Хендерсон работал с бактериородопсином, белком пурпурного цвета, встроенным в мембрану фотосинтезирующего организма. Чтобы он не сгорел, он оставил чувствительный белок в мембране и направил более слабый электронный луч через образец. Снимки были сделаны с разных углов одной и той же мембраны под электронным микроскопом, чтобы создать грубую трехмерную модель структуры бактериородопсина.
Это было в 1975 году. По мере развития электронной микроскопии с лучшими линзами и развитием криотехнологии (в которой образцы охлаждались жидким азотом примерно до -190 градусов Цельсия, чтобы защитить их от электронного луча), его техника смогла реализовать в 1990 году. , структура бактериородопсина при атомном разрешении.
Математическая обработка изображений 2D электронно-микроскопических изображений
Также в 1975 году Иоахим Франк подготовил теоретическую стратегию объединения любой информации, содержащейся в двумерных изображениях с электронного микроскопа, для создания трехмерного целого с высоким разрешением. Его математический метод просеивал 2D-изображения, чтобы определить повторяющиеся закономерности, и сортировать их по группам, чтобы объединить их информацию, создавая более четкие изображения. Эта модель помогла обойти нечеткие изображения, создаваемые из-за более слабых электронных лучей, используемых для биомолекул. Математические инструменты для анализа изображений были составлены в виде компьютерной программы.
Подготовка образца
Основная проблема обеспечения того, чтобы образцы биомолекул не были обезвожены и не разрушались в вакууме крио-ЭМ визуализации под электронным пучком, была решена Жаком Дюбоше.
Естественным решением проблемы было замораживание образцов. Поскольку лед испаряется медленнее, чем вода, он должен был сработать. Однако кристаллическая вода размывала изображения, поскольку электронные лучи дифрагировали через кристаллы воды.
Дюбоше решил проблему путем быстрого охлаждения, которое не позволяло молекулам воды превращаться в кристаллическую форму; вместо этого они превратились в застеклованную воду, которая будет действовать как стекло для электронного луча. В его исследованиях была разработана методика пробоподготовки, при которой биомолекулы защищены застеклованной водой. Техника используется в крио-ЭМ.
Последнее использование
Последние технические разработки, такие как появление новых детекторов электронов - прямых детекторов электронов - в электронных микроскопах, помогли еще больше улучшить разрешение изображений биомолекул, полученных с помощью крио-ЭМ ближнего света. Внедрение прямых электронных детекторов в электронные микроскопы в 2012-2013 годах оказалось мощным инструментом для ученых, столкнувшихся с проблемой Зика вирус, который быстро распространился по разным странам в 2015-16 гг.
ЖАК ДЮБОШЕ
Родился в 1942 году в городе Эгль, Швейцария. Он защитил докторскую диссертацию в 1973 году в Женевском и Базельском университетах, Швейцария. Он является почетным профессором биофизики Лозаннского университета, Швейцария.
ДЖОАХИМ ФРАНК
Родился в 1940 году в Зигене, Германия. В 1970 году он защитил докторскую диссертацию в Мюнхенском техническом университете, Германия. Он профессор биохимии, молекулярной биофизики и биологических наук Колумбийского университета, США.
РИЧАРД ХЕНДЕРСОН
Родился в 1945 году в Эдинбурге, Шотландия. Он защитил докторскую диссертацию в 1969 году в Кембриджском университете, Великобритания. Он является руководителем программы Лаборатории молекулярной биологии MRC Кембриджского университета.
ПОБЕДИТЕЛИ 2016: JEAN-PIERRE SAUVAGE, SIR J FRASER STODDART и BERNARD L FERINGA за разработку наномашин, сделанных из движущихся молекул, которые в конечном итоге могут быть использованы для создания новых материалов, датчиков и систем хранения энергии.
ПОДЕЛИТЕСЬ С ДРУЗЬЯМИ:
