Nobelova cena za chemii byla udělena za vývoj kryoelektronové mikroskopie. Cenu za chemii získali tvůrci kryoelektronové mikroskopie, kteří obdrželi Nobelovu cenu za chemii

Turistika a odpočinek 14.08.2021

Turistika a odpočinek

Nobelova cena za chemii za rok 2017 byla udělena za vývoj kryoelektronové mikroskopie, metody pro studium hmoty pomocí ultrarychlého zmrazování. O cenu 9 milionů SEK se podělí Jacques Dubochet ze Švýcarska, Joachim Frank ze Spojených států a Richard Henderson z Británie. Jejich vývoj umožňuje určit strukturu proteinových komplexů, komplexních receptorů a dalších sloučenin, které nelze studovat krystalografií a spektroskopií, říkají odborníci.

Švýcar Jacques Dubochet, Američan Joachim Frank a Brit Richard Henderson obdrží Nobelovu cenu za chemii za vývoj technologie kryoelektronového mikroskopu k určení struktury vysokomolekulárních biomolekul v roztoku. Takový mikroskop podle komuniké Nobelovy komise umožňuje zkoumat předměty po jejich rychlém zmrazení, což zachovává přirozený tvar atomů v molekule.

Dříve byly pomocí elektronových mikroskopů studovány pouze anorganické sloučeniny a neživá hmota, protože silné elektronové paprsky tohoto zařízení ničí biologický materiál. V roce 1990 se Richardu Hendersonovi podařilo pomocí mikroskopu vytvořit 3D obraz proteinu na atomární úrovni. Joachim Frank vyvinul tuto technologii pečlivěji: v letech 1975 až 1986 pracoval na tom, aby byl obraz atomů jasnější. Nakonec Jacques Dubochet dokázal najít využití vody v elektronové mikroskopii. Použil technologii „glazování“: rychle ochladil vodu kolem biologického vzorku, což umožnilo molekulám zachovat si svůj přirozený tvar. Metoda objevená současnými laureáty umožňuje určit strukturu proteinových sloučenin.

"Tato metoda je nyní v popředí vědy," řekl Alexander Vasiliev, vedoucí laboratoře elektronové mikroskopie v Kurchatovově institutu. Aleksey Pakhomov, výzkumník z Ústavu bioorganické chemie Ruské akademie věd, vysvětlil, že díky metodě objevené laureáty Nobelovy ceny mohou vědci pracovat s proteinovými komplexy, komplexními receptory, multiproteinovými sloučeninami a dalšími materiály, které nelze studovat krystalografií. a nukleární magnetická rezonanční spektroskopie (NMR). "Toto je velmi účinná metoda, která vám umožňuje získat strukturu jednotlivých molekul s velmi vysokým rozlišením a v jejich přirozeném stavu, a ne v krystalu," vysvětlil pan Pakhomov pro televizní kanál Rossiya 24. .

Igor Kireev, vedoucí oddělení elektronové mikroskopie ve Výzkumném ústavu fyzikální a chemické biologie Moskevské státní univerzity, také říká, že tato metoda může být použita ke studiu biologických struktur "ve stavu blízkém životu." Technologie ultrarychlého zmrazování podle něj ponechává vzorky „ve vodním prostředí, jako by byly uvnitř buňky“. "Zároveň se stávají tvrdými, což umožňuje, pokud mluvíme o tkáních nebo buňkách, dělat řezy pro elektronový mikroskop," vysvětlil pan Kireev. Tato technologie podle vědce umožňuje studovat vzorky ve vysokém rozlišení až po jednotlivé atomy v molekulách. "Můžete zachytit některé reakce, které se vyskytují s proteiny," dodal pan Vasiliev. Igor Kireev se domnívá, že v Rusku existuje jen několik těchto nejnovějších mikroskopů, například v Kurčatově institutu, protože toto zařízení je „velmi drahé“.

Vedoucí výzkumný pracovník Ústavu bioorganické chemie Ruské akademie věd Konstantin Mineev poznamenal, že v oblasti vědy, která se zabývá proteiny, „je to naprosto zasloužené ocenění“. „Proteiny jsou to, co dělá hlavní práci v našem těle, fungují jako malé stroje,“ říká vědec. „Pokud pochopíme, jak fungují, známe jejich strukturu, můžeme je změnit, zastavit a podle toho hledat drog modelováním a analýzou dat. Pak si můžeme vyzvednout lék ne náhodně a metodou „šťouchání“. Tento přístup se nazývá racionální návrh léků.“

„Je to jako běžný elektronový mikroskop, ale s velmi vysokým rozlišením a doplněný o počítačové algoritmy pro zpracování obrazu: obrazy velkých molekulárních komplexů se shromažďují v množství několika set tisíc z různých úhlů, což umožňuje provést 3D rekonstrukci tak vysoká kvalita, že i jednotlivé atomy,“ vysvětlil Anton Chugunov, kandidát fyzikálních a matematických věd, vedoucí vědecký pracovník Ústavu bioorganické chemie Ruské akademie věd pro Kommersant, jak vědci používají kryoelektronovou mikroskopii. vysoké rozlišení, ale jeho použití ve spojení s počítačovými algoritmy to umožňuje.“ . Poznamenal, že asi před pěti lety nebyla tato metoda populární, protože získané rozlišení bylo poměrně nízké a data byla obtížně použitelná v práci: nebyla vhodná pro počítačové modelování a návrh léků (vytváření léků): „Ale v za posledních pět let došlo k velkému průlomu, rozlišení se zlepšilo.

Před kryoelektronovou mikroskopií byla hlavním lídrem strukturních studií v biologii rentgenová difrakční analýza, další metodou pro studium látek na molekulární úrovni je nukleární magnetická rezonance. „Každá z nich má ale své nevýhody,“ vysvětluje vědec, „NMR nebere velké komplexy molekul, rentgenová krystalografie vyžaduje krystalizaci molekul a čím větší molekula, tím je to obtížnější.

A tady přišla kryomikroskopie, která prostě funguje velmi dobře na velkých komplexech - to je několik, 5-10, velkých proteinů, jsou složitě propojené, mají složitý prostorový tvar, což byl limitující faktor pro všechny ostatní metody.

Zároveň pan Chugunov poznamenal, že kryoelektronová mikroskopie je obtížně použitelná pro malé komplexy molekul: „Proto nyní tyto metody spolupracují a je to velmi úspěšné.“ Expert poznamenal, že kryoelektronová mikroskopie je ve světě široce používána, ale v Rusku „to ještě není příliš běžná metoda“.

Jeden z laureátů, Joachim Frank, řekl, že byl oceněním ohromen. Zároveň poznamenal, že metoda kryoelektronové mikroskopie najde praktické uplatnění až časem. "Vždycky to trvá, než uvidíte přímé praktické možnosti," řekl pan Frank.

Cena za chemii byla dnes udělena již po 109. Nobelova nadace letos poprvé od roku 2001 zvýšila výši plateb laureátům ceny z 8 milionů na 9 milionů švédských korun (1,12 milionu dolarů). Připomeňme, že v roce 2016 cenu za chemii získali Jean-Pierre Savage, Fraser Stoddart a Bernard Feringe za vývoj „molekulárních strojů“ – mikroskopických zařízení, která pohybují molekulami nebo jejich komplexy. Tato zařízení jsou plánována pro použití v různých senzorech v medicíně.

5. října vyhlásit laureáty Nobelovy ceny za literaturu, 6. října bude udělena Nobelova cena míru. 9. října jmenuje na památku Alfreda Nobela vítěze Ceny švédské národní banky za ekonomické vědy (neformálně nazývané „Nobelova cena za ekonomii“).

Alexander Voronov, Valeria Mishina

Nobelovu cenu za chemii za rok 2017 získali Jacques Dubochet, Joachim Frank a Richard Henderson za vývoj kryoelektronové mikroskopie, která umožnila detailně prohlížet molekuly živých organismů – ve velmi vysokém rozlišení.

Jacques Dubuch – Švýcarsko, působí na University of Lausanne (University of Lausanne, Švýcarsko), Joachim Frank – Američan z Columbia University (Columbia University, New York, USA), Richard Henderson – britský vědec z Cambridge (MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, Spojené království).

Je zdůrazněno, že výzkum laureátů, který pokračoval v 70. - 90. letech minulého století, přinesl revoluční průlom v biologii, protože umožnil poprvé nahlédnout na to, co bylo dříve zcela neviditelné - na individuální biologické molekul a dokonce i jejich atomů.

Ve skutečnosti vědci modernizovali elektronovou mikroskopii. Dříve byla neživá hmota pozorována elektronovým mikroskopem. Laureáti jej upravili pro pozorování divoké zvěře. Naučili se je zmrazit ve vodném roztoku tak, aby si biomolekuly zachovaly svůj tvar a vlastnosti a zároveň se „zafixovaly“ ve formě vhodné pro jejich pozorování.

V důsledku toho bylo pomocí elektronového mikroskopu možné získat trojrozměrné obrazy uvažovaných živých objektů. V roce 2013 bylo rozlišení metody fenomenální. Objevily se obrázky všech druhů molekulárních proteinů, například těch, které činí bakterie odolné vůči antibiotikům. Bylo možné „vyfotit“ i viry – například virus Zika. Co slibuje nejbližší vítězství nad ním.

Badatelé, kteří pronikli do mikrosvěta, poznamenávají, že detailní obrázek předmětu je nejkratší cestou k pochopení jeho podstaty. Tedy k poznání. Je prostě zřejmé, že tento názor sdílí i Královská švédská akademie věd, která uděluje Nobelovy ceny.

REFERENČNÍ KP

Současná Nobelova cena za chemii je 109. v pořadí. Mezi laureáty, kterým byla od roku 1901 udělena tato nejčestnější vědecká cena na světě, jsou 4 ženy.

Britský vědec Frederick Sandger, zařazený na seznam „100 géniů naší doby“, získal Nobelovu cenu za chemii dvakrát - v roce 1958 a v roce 1980. Poprvé - pro stanovení přesné sekvence aminokyselin v molekule inzulínu. Druhý - pro vývoj metody pro dešifrování primární struktury DNA.

Loni cenu získali vědci z Francie, USA a Holandska. Francouz Jean-Pierre Sauvage, Američan Sir James Fraser Stoddart a Holanďan Bernard L. Feringa byli oceněni „za vývoj a syntézu molekulárních strojů“. Loureáti vlastně položili materiální základ nanotechnologie.

Co je pozoruhodného na nové Nobelově ceně za chemii, proč zmrazuje vodu kolem biomolekul a jak počítače mění 2D obrázky na 3D, přečtěte si materiál na webu o práci laureátů Nobelovy ceny za rok 2017 Jacquese Dubocheta, Joachima Franka a Richarda Hendersona.

Struktury molekul získaných v posledních letech jsou působivé. Zde je celá „stříkačka“ salmonely, kterou napadá buňky, a proteiny, které zajišťují odolnost bakteriím vůči antibiotikům, krásné struktury na bázi bičíků a úžasně krásné enzymy. Od základních biologických poznatků o práci biomolekul v buňce až po pochopení toho, jak se chovají molekuly léčiv, to vše můžeme získat díky metodě kryoelektronové mikroskopie, za jejíž vývoj byla v roce 2017 udělena Nobelova cena za chemii.

Ale co je tato metoda a proč bez ní nebylo možné dosáhnout stejných výsledků? Koneckonců v té době existovala rentgenová krystalografie a pouze elektronová mikroskopie.

Tyto metody uložily výzkumníkům několik důležitých omezení, za jejichž překonání, nebo přesněji, „za vývoj metod kryoelektronové mikroskopie pro stanovení struktury biomolekul v roztocích s vysokým rozlišením“ bylo dnes uděleno prestižní ocenění.

Letos ji získají tři vědci, kteří byli průkopníky této technologie: Francouz Jacques Dubochet, který působí na univerzitě v Lausanne, v Německu narozený Joachim Frank z Kolumbijské univerzity v New Yorku a Skot Richard Henderson z Laboratoře molekulární biologie v Cambridge (od zdá se, že jde o patnáctého laureáta z této laboratoře).

Zleva doprava: Jacques Dubochet, Joachim Frank a Richard Henderson

Denis Balibouse/Reuters, Columbia University, MRC Laboratory of Molecular Biology

Když Ernst Ruska vynalezl a předvedl elektronový mikroskop, kterým lze vidět polohy jednotlivých atomů (za což Ruska obdržel v roce 1986 Nobelovu cenu), další vědec Ladislav Marton napsal článek, v němž uvedl, že je obtížné studovat biologický materiál pomocí nová metoda, protože biomolekuly a buňky jsou zničeny tokem elektronů. Tento tok musel být velmi slabý, aby nepoškodil vzorky, ale takový slabý tok dával špatné rozlišení. Pro elektronovou mikroskopii musel být vzorek tenký a plochý, což také komplikovalo zadání - bylo nutné dokončit 3D modely studovaných molekul (například proteinů) z dvourozměrné projekce.

Studium živých buněk přirozeně nepřicházelo v úvahu a ve skutečnosti ve zničeném stavu vypadají úplně jinak, než jak fungují. Elektronový mikroskop navíc potřeboval vakuum a veškerá voda se v něm vypařila, což biomolekulám pomohlo udržet si svůj přirozený tvar. To vše bylo obtížné a nepohodlné. Až do příchodu kryoelektronové mikroskopie.

Změny v obrazu biomolekul spojené s prací laureátů Nobelovy ceny za rok 2017

Richard Henderson pracoval na proteinech v Cambridge pomocí rentgenové krystalografie, což je metoda, kterou Rosalind Franklinová získala slavné snímky, z nichž Watson a Crick postavili model dvojité šroubovice DNA. Všechno bylo v pořádku, dokud Henderson neobrátil svou pozornost na membránové proteiny nalezené v buněčné membráně. „Vzaty“ z jejich přirozeného prostředí se proměnily v neužitečnou spletitou hromadu atomů. Jednu z nich Henderson nedokázal izolovat v dostatečném množství, druhou se nepodařilo krystalizovat.

Všechno se změnilo, když Henderson přijal světlocitlivý protein bakteriorhodopsin. Vědec se rozhodl, že ji z membrány nevytáhne, ale spolu s ní umístil celý kus membrány pod elektronový mikroskop. Aby se konstrukce nezhroutila, byla pokryta roztokem glukózy. Aby nedošlo k poškození vzorku silným proudem elektronů, vypustili vědci slabší paprsek. Obraz podle očekávání nevyšel příliš jasný a kontrastní, ale zde použili stejnou matematickou metodu jako v rentgenové krystalografii, to umožňovala samotná struktura proteinů, které se nacházely v membráně orientované ve stejném směr. Snímky pořízené z různých úhlů ukázaly, že se protein svíjel a sedmkrát prošel membránou (nyní jsou takové proteiny známé jako sedmišroubovicové receptory). Byl to nejkvalitnější snímek, jaký kdy byl pořízen elektronovým mikroskopem.

Rozlišení sedmi angstromů na mnohé zapůsobilo, ale Henderson nechtěl přestat: chtěl dosáhnout stejného rozlišení jako v rentgenové krystalografii, při třech angstromech. Postupem času se čočky zlepšily a objevily se technologie zmrazování, které uchovávají vzorek v kapalném dusíku. Aby získal jasnější představu o bakteriorhodopsinu, cestoval Henderson do různých laboratoří pomocí nejlepších elektronových mikroskopů na světě. Všechny měly stejné chyby, ale vzájemně se doplňovaly. A teprve v roce 1990, 15 let poté, co obdržel první, nevábný obrázek moderního vzhledu, Henderson dosáhl svého cíle. Ukázal, že kryoelektronová mikroskopie by mohla být užitečná pro studium biomolekul, nicméně jeho bakteriorhodopsin byl objednán a byl prakticky fixován v buněčné membráně. Jen velmi málo jiných proteinů se může pochlubit stejným, takže biologové měli pocit, že je to stále velmi omezená metoda.

Právě v této době, na druhé straně Atlantiku, v New Yorku, Joachim Frank dlouho pracoval na řešení tohoto problému. Již v roce 1975 přišel s teoretickým přístupem, ale jeho realizace trvala mnoho let. Jeho myšlenkou bylo vytvořit počítač, který by dokázal odlišit náhodně umístěné veverky od chaotického „pozadí“. Přišel s matematickou metodou, která umožňuje počítači najít v obrázku různé opakující se sekvence. Počítač třídil vzory, kombinoval podobné, aby získal průměrný, ale ostřejší obraz. Frank publikoval několik článků s vysokým rozlišením 2D proteinových modelů z různých úhlů. Algoritmy byly připraveny v roce 1981.

Dalším krokem bylo vytvoření algoritmu, který najde podobné 2D obrázky a sám je sestaví do 3D struktur. V polovině osmdesátých let Frank publikoval tuto část metody a podnikl velkolepý podnik vytvoření modelu povrchu ribozomu, gigantického molekulárního stroje pro sestavení proteinu v buňce.

Metoda pro analýzu 3D struktur vyvinutá Joachimem Frankem: 1. Elektronový paprsek dopadá na náhodně orientované proteiny, v důsledku čehož jejich otisk zůstává na snímku. 2. Díky metodám zpracování fuzzy informací počítač seskupuje výsledné obrázky navzájem podobné do skupin. 3. Pomocí výsledných tisíců obrázků počítač sestaví 2D obrázek s vysokým rozlišením. 4. Počítač analyzuje, jak spolu 2D obrazy souvisí v prostoru, a vytvoří 3D obraz s vysokým rozlišením.

Johan Jarnestad / Královská švédská akademie věd

O něco dříve, v roce 1978, se další vědec, Jacques Dubochet, zabýval třetí částí tohoto problému elektronového mikroskopu. Jak si pamatujeme, biomolekuly velmi utrpěly, změnily se v beztvarou hmotu, pokud se kolem nich odpařila voda a ve vakuové komoře elektronového mikroskopu se nutně vypařila. Jednoduché zmrazení nepřineslo výsledky: ledové krystaly, rozpínající se ve srovnání s vodou, mohly rozbít studovaný protein a zničit jeho strukturu. Zatímco Henderson měl štěstí s bakteriorhodopsinem, jiní vědci se potýkali s ve vodě rozpustnými nemembránovými proteiny.

Dubochet přišel s ultrarychlou metodou zmrazování tekutým dusíkem: voda jakoby „zesklovatěla“ a tok elektronů se od ní dokonale odrážel a poskytoval dobrý obraz. To umožnilo dokonale připravit biologický materiál pro práci, což Dubochet prokázal zveřejněním několika struktur virů získaných touto metodou v roce 1984.

Dubochetova metoda: 1. Kovové síto, na které padá vzorek, vysává přebytečný materiál. 2. Síto se umístí do etanu při teplotě asi -196 °C, což způsobí, že vzorek vytvoří tenký film přes otvory v sítu. 3. Voda se změní na sklovitou látku a obklopí vzorek, poté se ochladí vlivem kapalného dusíku během pozorování elektronovým mikroskopem.

Johan Jarnestad / Královská švédská akademie věd

Od té chvíle se výzkumníci začali obracet na Dubocheta, aby se naučili jeho metodu. Frank se s ním také setkal, aby získal povrchové struktury ribozomu. Kombinace metod Dubochet, Frank a Henderson vytvořila základ kryoelektronové mikroskopie.

Ve skutečnosti to byla potřeba získat strukturu „živého“ ribozomu, která „pohnula“ touhou zvládnout metodu co nejdříve: ribozom je jedním z hlavních cílů antibiotik, pro které prostorové zarovnání s dutinami ribozomů je velmi důležité. A nyní většina komplexů potenciálních antimikrobiálních léků s ribozomy „vypadá“ právě metodami kryoelektronové mikroskopie.

Metoda se stala tak důležitou, že se po celém světě koná mnoho významných konferencí věnovaných právě metodě CryoEM, jak se stručně nazývá v anglické literatuře. V roce 2017 se první taková konference konala na Moskevské státní univerzitě.

Rozhodnutí Nobelova výboru speciálně pro lokalitu okomentoval kandidát fyzikálních a matematických věd, vedoucí katedry molekulární a radiační biofyziky B.P. Konstantinova Andrey Konevega, jejíž výzkumný tým ve své práci často používá metody CryoEM:

„Kryoelektronová mikroskopie způsobila revoluci ve strukturní biologii, protože právě tato metoda umožňuje vizualizovat makromolekuly s vysokým rozlišením a nyní se stejným rozlišením jako rentgenová krystalografie, ale bez nutnosti přeměnit proteiny na krystal. To znamená, že všechny biomolekuly během studie jsou ve svém přirozeném stavu. Za poslední desetiletí zaznamenala tato metoda kvalitativní skok v kvalitě výsledných struktur, v rozlišení. To bylo umožněno technologickým pokrokem: nové mikroskopy, nové kamery, nové metody zpracování. Co je důležité, biologové nyní mají dostatečně výkonné výpočetní systémy, aby zajistily, že zpracování bude trvat dny, nikoli měsíce nebo roky. My sami v Rusku máme taková centra pro zpracování dat v NRC "" v Moskvě a v NRC "Kurchatov Institute"-PNPI v Gatčině, takže je aktivně používáme ke zpracování našich údajů."

O ocenění:

Za 117 let bylo v chemii uděleno 109 cen (stejně jako v jiných oborech byly roky, kdy cena nebyla udělena kvůli válce nebo kdy Nobelova komise nesouhlasila). Úplně první cenu v roce 1901 získal Jacob Hendrik van't Hoff. Po celou dobu ve Stockholmu byla vyhlášena jména 178 laureátů. Je pravda, že ocenění obdrželo pouze 177 lidí: Frederik Sanger se stal jediným člověkem v historii, který získal cenu dvakrát.

Průměrný věk oceněných (bez ceny za rok 2017) je 58 let. Nejmladším byl Frederic Joliot-Curie, který cenu obdržel v roce 1935 ve věku 35 let, nejstarší John Fenn: laureátovi Nobelovy ceny za rok 2002 bylo 85 let. Mimochodem, cena není pro ženy příliš jednoduchá: za 117 let - pouze čtyři laureáty a polovina z nich je ze stejné rodiny. Marie Curie obdržela cenu v roce 1911 a její dcera Irene v roce 1935. Další polovina je pro samotnou rentgenovou krystalografii, se kterou soutěží kryoelektronová mikroskopie. V roce 1964 byla Dorothy Crowfoot Hodgkin oceněna cenou za rentgenovou difrakční analýzu biomolekul a v roce 2009 získala cenu Ada Yonath za použití této techniky k určení struktury ribozomu.

Dobrou tradicí Nobelovy komise je uznání důležitosti technik, které umožňují „vidět“ jednotlivé atomy: v roce 2014 byla zaznamenána superrezoluční mikroskopie a 4. října 2017 byla udělena Nobelova cena za chemii „za tzv. vývoj metody kryoelektronové mikroskopie.“ Vítězi se stali tři výzkumníci: Jacques Dubochet z univerzity v Lausanne, Joachim Frank z Kolumbijské univerzity v New Yorku a Richard Henderson z Laboratoře molekulární biologie v Cambridge. Zmrazení biomolekul v pohybu umožňuje získat jejich obrazy s vysokým rozlišením a počítačové rekonstrukční techniky poskytují prostorovou strukturu s přesností atomu. Studie, která začala již v 70. letech 20. století, je stále lepší a lepší v hodnocení architektury bioorganických komplexů.

Lidé, kteří pravidelně čtou články ve špičkových vědeckých časopisech, jsou již dlouho zvyklí na četné molekulární obrazy. Ale mikroskopy vám neumožňují vidět jednotlivé molekuly. Je pravda, že existuje mikroskopie s vysokým rozlišením, za kterou byla v roce 2014 udělena Nobelova cena za chemii, ale ani ta neumožňuje „vidět“ jednotlivé atomy. Tak podrobně studovat strukturu biologických molekul je náplní strukturní biologie, za jejíž hlavní metody byly donedávna považovány rentgenová difrakční analýza (XRD) a nukleární magnetická rezonanční spektroskopie (NMR). Zajímavou metodou je také mikroskopie atomárních sil, ale hrdina našeho dnešního příběhu je jiný: to kryoelektronová mikroskopie, za jehož rozvoj byla letos v roce 2017 udělena Nobelova cena za chemii.

Vizualizace složitých struktur, dříve považovaných za „neviditelné“ kvůli jejich malé velikosti, umožnila mnoho zásadních průlomů. Jedním z nich je pokrok v boji proti viru Zika, (obr. 1), který nedávno vyvolal pandemii stejnojmenné choroby. Díky kryoelektronové mikroskopii, která se v posledních pěti letech stále pevněji zařazuje mezi metody „velké trojky“ strukturní biologie, se podařilo získat trojrozměrný model tohoto zákeřného agenta. To zase znamenalo začátek hledání potenciálních cílů pro léky, které si s nemocí poradí.

Obrázek 1. Příklady některých proteinových komplexů. A - Proteinový komplex, který reguluje cirkadiánní rytmus. b - Komplex senzorů zvuku uší, který čte změny tlaku a umožňuje nám slyšet. v - Model viru Zika.

Krátký exkurz do historie mikroskopie do roku 1975

Po celou první polovinu 20. století zůstaly tři nejznámější biologické struktury – DNA, RNA a protein – prázdným místem na mapě biochemického světa. Vědělo se, že jsou v těle a hrají důležitou roli v životě buněk, ale jakou mají strukturu, nikdo neměl nejmenší tušení. Až na počátku 50. let 20. století slavný tým cambridgeských vědců včetně Francise Cricka, Jamese Watsona, Maurice Wilkinse a Rosalind Franklinové poprvé vyzkoušel rentgenové záření na DNA, což vedlo k objevu slavné dvojité šroubovice.

Zprvu patřil ke krystalografům i Richard Henderson, který za svůj raný výzkum dostal ne-li Nobelovu cenu, ale doktorát. Metoda rentgenové difrakční analýzy spočívá v difrakci rentgenového záření na krystalové mřížce, která pomáhá identifikovat strukturu molekuly. Ale v té době to mělo ještě daleko k dokonalosti, i když dnes je to jeden z hlavních způsobů, jak studovat strukturu hmoty. Když pokročíme o 30 let vpřed, zjistíme, že věda získala další způsob, jak dešifrovat strukturu biomolekul: v 80. letech 20. století se nukleární magnetická rezonance začala používat ke studiu struktury a dynamiky proteinů v roztoku (a stále se používá).

Díky těmto dvěma metodám bylo možné nashromáždit působivé množství informací o struktuře biologických molekul: dnes je v databázi PDB více než 100 tisíc struktur. Ale jak už to tak bývá, oba způsoby mají své nevýhody. Například NMR dokáže zobrazit pouze proteiny, které jsou v roztoku, a jejich velikost by měla být malá. A mínus rentgenové krystalografie se čte v názvu metody: funguje na stabilních strukturách, jako jsou krystaly, ale ne na dynamických „živých“ molekulách. Snímky získané touto metodou připomínají vůbec první kamery: černobílé a zmrazené, nenesoucí informace o mobilní struktuře proteinu. Tento problém vedl Richarda Hendersona k tomu, že se v 70. letech vzdal rentgenové krystalografie, která byla výchozím bodem jeho cesty k Nobelově ceně za rok 2017.

Krok 1: Bakteriorhodopsin zaměřený elektronovým paprskem

Henderson se o membránové proteiny zajímal od samého počátku. Proč jejich vizualizace v té době nepodléhala rentgenové metodě? Při pokusu o krystalizaci proteinu došlo k selháním, čímž došlo k narušení jeho přirozeného stavu v lipidové membráně buňky. Membránové proteiny je extrémně obtížné extrahovat z membrány bez narušení jejich přirozeného stavu: velmi často se jednoduše „slepí“ do jediné hmoty, která není předmětem dalšího studia. Nyní však došlo k velkému pokroku v krystalizaci membránových proteinů: jednoduše se naučili, jak udělat membránu součástí krystalu.

Po sérii neúspěšných pokusů se Richard Henderson obrátil k jediné zdánlivě životaschopné možnosti: elektronové mikroskopii. Jaký je zásadní rozdíl mezi elektronovým mikroskopem a optickým? V transmisní elektronové mikroskopii (jak se tato technika nazývá) se místo paprsku světla do vzorku posílá paprsek elektronů. Vlnová délka elektronů je mnohem kratší než vlnová délka světla, takže lze elektronovým mikroskopem zobrazit i velmi malé struktury – až na úroveň jednotlivých atomů.

Teoreticky byl elektronový mikroskop pro výzkum Richarda Hendersona ideální, protože umožňoval získat snímky membránových proteinů na atomární úrovni. V praxi se ale tato představa zdála nereálná. Od vynálezu elektronového mikroskopu se věřilo, že tuto metodu lze použít pouze ke studiu neživé hmoty. To je způsobeno elektronovým paprskem: umožňuje vám získat obrázky s vysokým rozlišením, ale ve skutečnosti „spálí“ živé struktury v jeho cestě. Pokud snížíte jeho intenzitu, obraz ztratí kontrast a ukáže se jako neostrý.

Další překážkou pro vizualizaci biomolekul pod elektronovým mikroskopem je potřeba vytvořit vakuum. Při odčerpávání vzduchu z biologického vzorku se také odpařuje voda, která obaluje živé struktury, díky čemuž ztrácejí svůj přirozený tvar. Všechny okolnosti byly tedy proti Hendersonovi. Jeho nápad však zachránil speciální protein s mimořádnou stabilitou v membráně – bakteriorhodopsin.

V roce 1991 Joachim Frank „zmrazil“ ribozomy pomocí Dubochetovy metody, čímž vznikl obraz jejich trojrozměrné struktury. A navzdory skutečnosti, že snímek byl pořízen v rozlišení bezprecedentním pro elektronovou mikroskopii, vědci byli schopni ukázat pouze obrysy ribozomu. Podivné kapkové struktury se stále nedaly srovnávat s atomovým rozlišením rentgenové krystalografie. Kryoelektronová mikroskopie dokázala zobrazit pouze nepravidelné obrysy hustoty elektronů podobné bublinám, a proto byla tato metoda vtipně nazývána „blobologie“ ( blobologie). Ale pokrok jde dopředu a po roce 2010 se rozšířil nový typ elektronického detektoru - Přímý detektor elektronů, což umožňuje mnohem podrobnější obraz biologických struktur.

Dnes kryoelektronová mikroskopie umožňuje „chytit“ biologické struktury „v dynamice“ v různých fázích. Kombinací získaných snímků jsou vědci schopni vytvořit celé filmy demonstrující pohyby a interakce proteinů s jinými molekulami. Za posledních pět let byla téměř každá druhá molekulární struktura publikována v časopisech na úrovni Věda a Příroda, kryomikroskopické: toto jsou nové stavy ribozomu a ATPázy a různých receptorů a filamentů tajemného peptidu tau a zánětlivého svalu a termosenzitivního iontového kanálu TRPV1 a mnoho dalšího. A to je jen začátek: vědci musí ještě určit přesnou strukturu a mechanismus fungování mnoha proteinů a dalších složitých biologických struktur.