노벨 화학상은 극저온 전자 현미경의 개발로 수여되었습니다. 노벨화학상을 받은 극저온전자현미경의 창시자에게 화학상이 수여되었습니다.

2017년 노벨 화학상은 초고속 동결을 사용하여 물질을 연구하는 방법인 극저온 전자 현미경의 개발로 수여되었습니다. 스위스의 Jacques Dubochet, 미국의 Joachim Frank, 영국의 Richard Henderson이 900만 SEK 상을 공유합니다. 그들의 개발로 인해 결정학 및 분광학으로 연구할 수 없는 단백질 복합체, 복합체 수용체 및 기타 화합물의 구조를 결정할 수 있다고 전문가들은 말합니다.

스위스의 Jacques Dubochet, 미국의 Joachim Frank, 영국인 Richard Henderson은 용액에서 고분자량 생체 분자의 구조를 결정하기 위한 극저온 전자 현미경 기술을 개발한 공로로 노벨 화학상을 받게 됩니다. 노벨 위원회의 코뮤니케에 따르면 이러한 현미경을 사용하면 물체가 급속 동결된 후에도 물체를 관찰할 수 있으며, 이는 분자 내 원자의 자연스러운 모양을 보존합니다.

이전에는 이 장치의 강력한 전자빔이 생물학적 물질을 파괴하기 때문에 전자현미경을 통해 무기 화합물과 무생물만 연구했습니다. 1990년 Richard Henderson은 현미경을 사용하여 원자 수준에서 단백질의 3D 이미지를 만드는 데 성공했습니다. Joachim Frank는 이 기술을 더 신중하게 개발했습니다. 1975년부터 1986년까지 그는 원자의 이미지를 더 명확하게 만드는 작업을 했습니다. 마침내 Jacques Dubochet는 전자현미경에서 물의 용도를 찾을 수 있었습니다. 그는 "글레이징" 기술을 사용했습니다. 그는 생물학적 샘플 주변의 물을 빠르게 냉각시켜 분자가 자연스러운 모양을 유지할 수 있도록 했습니다. 현재 수상자들이 발견한 방법은 단백질 화합물의 구조를 결정하는 것을 가능하게 합니다.

"이 방법은 이제 과학의 최전선에 있습니다."라고 Kurchatov Institute의 전자 현미경 연구소장인 Alexander Vasiliev가 말했습니다. 러시아 과학 아카데미의 생물 유기 화학 연구소의 연구원인 Aleksey Pakhomov는 노벨상 수상자들이 발견한 방법 덕분에 과학자들이 단백질 복합체, 복합체 수용체, 다중 단백질 화합물 및 결정학으로 연구할 수 없는 기타 물질을 다룰 수 있다고 설명했습니다. 및 핵 자기 공명 분광법(NMR). Pakhomov 씨는 Rossiya 24 TV 채널에서 "이것은 결정이 아닌 자연 상태에서 매우 높은 해상도로 개별 분자의 구조를 얻을 수 있는 매우 강력한 방법입니다."라고 설명했습니다.

모스크바 주립 대학 물리 및 화학 생물학 연구소의 전자 현미경 학과장인 Igor Kireev는 이 방법을 사용하여 "생명체에 가까운 상태"에서 생물학적 구조를 연구할 수 있다고 말했습니다. 초고속 동결 기술은 샘플을 "수중 환경에 마치 세포 안에 있는 것처럼" 남겨둡니다. Kireev는 "동시에 그것들은 단단해지기 때문에 조직이나 세포에 대해 이야기할 때 전자 현미경을 위한 절편을 만드는 것이 가능합니다."라고 설명했습니다. 과학자에 따르면 이 기술을 사용하면 분자의 개별 원자까지 고해상도로 샘플을 연구할 수 있습니다. Vasiliev는 "단백질에서 발생하는 일부 반응을 포착할 수 있습니다."라고 덧붙였습니다. Igor Kireev는 러시아에는 이 장비가 "매우 비싸기" 때문에 Kurchatov Institute와 같은 최신 현미경이 몇 대 밖에 없다고 생각합니다.

러시아 과학 아카데미 콘스탄틴 미네예프(Konstantin Mineev)의 생물유기화학 연구소(Institute of Bioorganic Chemistry)의 선임 연구원은 단백질을 다루는 과학 분야에서 “이상은 절대적으로 받을 만한 상”이라고 말했습니다. 과학자는 "단백질은 우리 몸에서 주된 일을 하고 작은 기계처럼 작동합니다. 우리가 단백질의 작동 방식을 이해하고 구조를 알고 있다면 단백질을 변경하고 중단하고 그에 따라 단백질을 검색할 수 있습니다. 데이터를 모델링하고 분석하여 약물. 그러면 무작위가 아닌 "찌르기" 방법으로 약을 집어들 수 있습니다. 이 접근법을 합리적인 약물 디자인이라고 합니다.”

“일반 전자현미경과 같지만 해상도가 매우 높고 컴퓨터 이미지 처리 알고리즘이 보완되어 있습니다. 큰 분자 복합체의 이미지가 여러 각도에서 수십만 개의 이미지로 축적되어 3D 재구성이 가능합니다. 러시아 과학원 생물유기화학연구소 선임연구원인 안톤 추구노프(Anton Chugunov) 물리 및 수리 과학 후보는 “개개의 원자라도 원자의 품질이 매우 높다”고 코메르산트에 설명했다. 고해상도이지만 컴퓨터 알고리즘과 함께 사용하면 가능합니다." . 그는 약 5 년 전이 방법은 얻은 해상도가 매우 낮고 데이터를 작업에 사용하기 어려웠 기 때문에 대중적이지 않았다고 지적했습니다. 컴퓨터 모델링 및 약물 설계 (약물 생성)에는 적합하지 않았습니다. 지난 5년 동안 매우 큰 돌파구가 있었고 해상도가 향상되었습니다.

극저온 전자 현미경 이전에 생물학에서 구조 연구의 주요 리더는 X선 회절 분석이었고, 분자 수준에서 물질을 연구하는 또 다른 방법은 핵 자기 공명입니다. 과학자는 "그러나 그들 각각에는 단점이 있습니다. NMR은 분자의 큰 복합체를 취하지 않으며, X선 결정학은 분자의 결정화를 필요로 하며, 분자가 클수록 더 어렵습니다.

그리고 여기에 큰 복합체에서 아주 잘 작동하는 저온현미경법이 등장했습니다. 이들은 여러 개, 5-10개, 큰 단백질이며, 복잡하게 연결되어 있고, 다른 모든 방법의 제한 요소였던 복잡한 공간 모양을 가지고 있습니다.

동시에 Chugunov 씨는 극저온 전자 현미경은 분자의 작은 복합체에 사용하기 어렵다고 말했습니다. 전문가는 극저온전자현미경이 전 세계적으로 널리 사용되고 있지만 러시아에서는 "아직 흔하지 않은 방법"이라고 지적했다.

수상자 중 한 명인 요아킴 프랭크(Joachim Frank)는 수상에 압도되었다고 말했습니다. 동시에 그는 극저온 전자 현미경의 방법이 시간이 지남에 따라 실용적인 응용 프로그램을 찾을 수 있다고 언급했습니다. Frank 씨는 “직접적인 실제 가능성을 보기 위해서는 항상 시간이 걸립니다.

화학상은 오늘 109번째로 수여되었습니다. 올해 노벨재단은 2001년 이후 처음으로 수상자에게 지급되는 상금을 800만 스웨덴 크로나에서 900만 스웨덴 크로나(112만 달러)로 늘렸다. 2016년 화학상은 분자 또는 그 복합체를 움직이는 미세한 장치인 "분자 기계"의 개발로 Jean-Pierre Savage, Fraser Stoddart 및 Bernard Feringe에게 수여되었음을 상기하십시오. 이러한 장치는 의료 분야의 다양한 센서에 사용될 예정입니다.

10월 5일노벨 문학상 수상자 발표, 10월 6일노벨 평화상을 받게 됩니다. 10월 9일 Alfred Nobel(비공식적으로 "노벨 경제학상"이라고 함)을 기념하여 스웨덴 국립 은행 경제 과학상 수상자를 지명합니다.

알렉산더 보로노프, 발레리아 미시나

2017년 노벨 화학상은 생체 분자를 매우 높은 해상도로 자세히 관찰할 수 있는 극저온 전자 현미경을 개발한 공로로 Jacques Dubochet, Joachim Frank, Richard Henderson에게 수여되었습니다.

Jacques Dubuch - 스위스, 로잔 대학(스위스 로잔 대학), Joachim Frank - Columbia 대학의 미국인(Columbia 대학, 뉴욕, 미국), Richard Henderson - Cambridge의 영국 과학자(MRC 분자 생물학 연구소, 케임브리지, 영국).

지난 세기의 70~90년대에 계속된 수상자들의 연구는 개인의 생물학에서 이전에는 완전히 보이지 않았던 것을 처음으로 볼 수 있게 해주었기 때문에 생물학의 혁명적인 돌파구를 제공했음을 강조합니다. 분자와 심지어 그들의 구성 원자에서도.

사실, 과학자들은 전자 현미경을 현대화했습니다. 이전에는 전자현미경으로 무생물을 관찰했습니다. 수상자들은 야생 동물을 관찰하기 위해 그것을 적용했습니다. 그들은 생체 분자가 모양과 특성을 유지하면서 동시에 관찰하기에 편리한 형태로 "고정"되도록 수용액에서 동결시키는 방법을 배웠습니다.

그 결과 전자현미경의 도움으로 고려되는 생물체의 3차원 이미지를 얻을 수 있게 되었습니다. 2013년까지 그 방법의 해결은 경이적이었습니다. 박테리아가 항생제에 내성을 갖도록 만드는 것과 같은 모든 종류의 분자 단백질 이미지가 표면화되었습니다. Zika 바이러스와 같은 바이러스조차도 "사진"을 찍는 것이 가능했습니다. 그에게 가장 가까운 승리를 약속하는 것.

미시 세계에 침투한 연구원들은 물체의 상세한 그림이 물체의 본질을 이해하는 가장 짧은 방법이라는 점에 주목합니다. 즉, 지식에. 노벨상을 수여하는 스웨덴 왕립과학원도 이러한 의견을 공유하고 있음이 분명합니다.

참조 KP

현재 노벨 화학상은 109번째입니다. 1901년 이래로 세계에서 가장 영예로운 이 과학상을 수상한 수상자 중에는 4명의 여성이 있습니다.

"우리 시대의 100명의 천재" 목록에 포함된 영국 과학자 Frederick Sandger는 1958년과 1980년에 노벨 화학상을 두 번 받았습니다. 처음으로 - 인슐린 분자의 정확한 아미노산 서열을 결정하기 위해. 두 번째 - DNA의 기본 구조를 해독하는 방법의 개발.

작년에 상은 프랑스, ​​미국, 네덜란드의 과학자들에게 돌아갔습니다. 프랑스인 Jean-Pierre Sauvage, 미국인 James Fraser Stoddart 경, 네덜란드인 Bernard L. Feringa는 "분자 기계의 개발 및 합성 공로"를 수상했습니다. Loureates는 실제로 나노기술을 위한 물질적 토대를 마련했습니다.

새로운 노벨 화학상의 놀라운 점, 생체 분자 주변의 물을 얼리는 이유, 컴퓨터가 2D 이미지를 3D로 변환하는 방법은 사이트에서 2017년 노벨상 수상자인 Jacques Dubochet, Joachim Frank 및 Richard Henderson의 작업에 대한 자료를 읽어보십시오.

최근 몇 년 동안 얻은 분자 구조가 인상적입니다. 여기 세포를 공격하는 살모넬라의 전체 "주사기", 박테리아에 대한 항생제 내성을 제공하는 단백질, 편모 기저부의 아름다운 구조, 놀랍도록 아름다운 효소가 있습니다. 세포에서 생체 분자의 작용에 대한 기본적인 생물학적 지식에서 약물 분자가 어떻게 행동하는지 이해하는 것에 이르기까지 우리는 이 모든 것을 개발한 공로로 2017년 노벨 화학상을 수상한 극저온 전자 현미경법 덕분에 얻을 수 있습니다.

그러나이 방법은 무엇이며 왜 없이는 동일한 결과를 얻을 수 없었습니까? 결국, 그 당시에는 X선 결정학과 전자 현미경만이 있었습니다.

이러한 방법은 연구자에게 몇 가지 중요한 한계를 부과했는데, 이를 극복하기 위해, 더 정확하게는 "고해상도 용액에서 생체 분자의 구조를 결정하기 위한 극저온 전자 현미경 방법의 개발"에 대해 권위 있는 상을 받았습니다.

이 기술을 개척한 세 명의 과학자는 올해 로잔 대학에서 일하는 프랑스인 자크 뒤보셰(Jacques Dubochet), 뉴욕 콜롬비아 대학의 독일 태생 요아킴 프랑크(Joachim Frank), 케임브리지 분자생물학 연구소(Labour of Molecular Biology)의 스코틀랜드인 리처드 헨더슨(Richard Henderson)이 받게 됩니다. 이 연구실의 15번째 수상자인 것 같습니다.)

왼쪽부터 자크 뒤보셰, 요아킴 프랑크, 리처드 헨더슨

Denis Balibouse/Reuters, Columbia University, MRC 분자 생물학 연구소

Ernst Ruska가 개별 원자의 위치를 ​​볼 수 있는 전자 현미경을 발명하고 시연했을 때(이로 Ruska는 1986년 노벨상을 수상했습니다), 또 다른 과학자인 Ladislav Marton은 이 현미경으로 생물학적 물질을 연구하는 것이 어렵다는 기사를 썼습니다. 새로운 방법은 생체 분자와 세포가 전자의 흐름에 의해 파괴되기 때문입니다. 이 흐름은 샘플이 손상되지 않도록 매우 약해야 하지만 이러한 약한 흐름은 분해능이 좋지 않습니다. 전자 현미경의 경우 샘플은 얇고 평평해야 했으며 작업도 복잡했습니다. 2차원 투영에서 연구된 분자(예: 단백질)의 3D 모델을 완성해야 했습니다.

당연히 살아있는 세포에 대한 연구는 불가능했고, 실제로 파괴된 상태에서는 작동 방식과 완전히 다르게 보입니다. 또한 전자현미경은 진공이 필요하고 그 안의 모든 물이 증발하여 생체분자가 자연적인 형태를 유지하는 데 도움이 되었습니다. 이 모든 것이 어렵고 불편했습니다. 극저온 전자 현미경의 출현까지.

2017년 노벨상 수상자의 업적과 관련된 생체 분자 이미지의 변화

Richard Henderson은 로잘린드 프랭클린이 왓슨과 크릭이 DNA 이중 나선 모델을 구축한 유명한 이미지를 얻은 방법인 X선 결정학을 사용하여 케임브리지에서 단백질에 대해 연구했습니다. Henderson이 세포막에서 발견되는 막 단백질에 관심을 돌릴 때까지는 모든 것이 괜찮았습니다. 자연 환경에서 "제거"되어 쓸모없는 원자 더미로 변했습니다. 그 중 하나는 Henderson이 충분한 양으로 분리할 수 없었고 다른 하나는 결정화되지 않았습니다.

Henderson이 감광성 단백질인 박테리오로돕신을 복용했을 때 모든 것이 바뀌었습니다. 과학자는 그것을 막에서 꺼내지 않기로 결정하고 막의 전체 조각을 전자 현미경 아래에 함께 놓았다. 구조가 무너지는 것을 방지하기 위해 포도당 용액으로 덮었습니다. 강력한 전자 흐름으로 샘플을 손상시키지 않기 위해 과학자들은 더 약한 빔을 발사했습니다. 이미지는 예상대로 매우 선명하고 대조적으로 나오지 않았지만 여기에서는 X선 결정학에서와 동일한 수학적 방법을 적용했습니다. 방향. 다른 각도에서 찍은 사진을 보면 단백질이 몸을 비틀며 막을 7번 통과하는 것으로 나타났습니다(현재 이러한 단백질은 7-나선 수용체로 알려져 있습니다). 전자현미경으로 찍은 사진 중 최고 품질이었다.

7 옹스트롬의 분해능은 많은 사람들에게 깊은 인상을 주었지만 Henderson은 중단하고 싶지 않았습니다. 그는 3 옹스트롬에서 X선 ​​결정학에서와 동일한 분해능을 달성하기를 원했습니다. 시간이 지남에 따라 렌즈가 더 좋아졌고 액체 질소에서 샘플을 보존하는 냉동 기술이 등장했습니다. 박테리오로돕신에 대한 더 명확한 이미지를 얻기 위해 Henderson은 세계 최고의 전자 현미경을 사용하여 여러 실험실을 방문했습니다. 그들 모두는 같은 결점을 가지고 있었지만 서로를 보완했습니다. 그리고 1990년, 15년 만에 현대적인 룩에 굴하지 않는 헨더슨은 그의 목표를 달성했습니다. 그는 cryoelectron microscopy가 생체 분자 연구에 유용할 수 있음을 보여주었지만 그의 박테리오로돕신은 주문되었고 실제로 세포막에 고정되었습니다. 매우 소수의 다른 단백질도 동일한 것을 자랑할 수 있으므로 생물학자들은 이것이 여전히 매우 제한된 방법이라고 생각했습니다.

바로 이때 뉴욕의 대서양 건너편에서 Joachim Frank는 오랫동안 이 문제에 대한 해결책을 연구해 왔습니다. 이미 1975년에 그는 이론적 접근 방식을 제시했지만 구현하는 데 수년이 걸렸습니다. 그의 아이디어는 무작위로 배치된 다람쥐를 혼란스러운 "배경"과 구별할 수 있는 컴퓨터를 만드는 것이었습니다. 그는 컴퓨터가 이미지에서 서로 다른 반복 시퀀스를 찾을 수 있도록 하는 수학적 방법을 고안했습니다. 컴퓨터는 패턴을 분류하고 유사한 패턴을 결합하여 평균이지만 더 선명한 이미지를 얻습니다. Frank는 다양한 각도에서 고해상도 2D 단백질 모델을 사용한 여러 논문을 발표했습니다. 알고리즘은 1981년에 준비되었습니다.

다음 단계는 유사한 2D 이미지를 찾아 3D 구조 자체로 조합하는 알고리즘을 만드는 것이었습니다. 80년대 중반에 Frank는 이 방법의 일부를 발표하고 세포에서 단백질 조립을 위한 거대한 분자 기계인 리보솜 표면의 모델을 구축하는 웅대한 작업에 착수했습니다.

Joachim Frank가 개발한 3D 구조 분석 방법: 1. 전자빔이 무작위로 배향된 단백질을 공격하여 이미지에 흔적이 남습니다. 2. 퍼지 정보를 처리하는 방법 덕분에 컴퓨터는 결과적으로 유사한 이미지를 그룹으로 그룹화합니다. 3. 수천 개의 이미지를 사용하여 컴퓨터는 고해상도 2D 이미지를 구성합니다. 4. 컴퓨터는 2D 이미지가 공간에서 어떻게 관련되는지 분석하고 고해상도 3D 이미지를 생성합니다.

요한 야르네스타드/스웨덴 왕립과학원

조금 더 이른 1978년에 다른 과학자인 Jacques Dubochet는 이 전자 현미경 문제의 세 번째 부분을 다루었습니다. 우리가 기억하는 것처럼 생체 분자는 주변의 물이 증발하면 형태가없는 덩어리로 변하고 전자 현미경의 진공 챔버에서 반드시 증발해야합니다. 단순한 동결은 결과를 나타내지 않았습니다. 물에 비해 팽창하는 얼음 결정은 연구된 단백질을 파괴하고 그 구조를 파괴할 수 있습니다. 헨더슨은 박테리오로돕신으로 운이 좋았지만 다른 과학자들은 수용성 비막 단백질과 씨름했습니다.

Dubochet는 액체 질소로 초고속 동결 방법을 고안했습니다. 물은 "유약"하는 것처럼 보였고 전자 흐름이 완벽하게 반사되어 좋은 이미지를 제공했습니다. 이를 통해 Dubochet는 1984년 이 방법으로 얻은 바이러스의 여러 구조를 발표함으로써 생물학적 물질을 완벽하게 준비할 수 있었습니다.

Dubochet 방법: 1. 샘플이 떨어지는 금속 체에서 초과 물질을 걸러냅니다. 2. 체를 약 -196°C의 에탄에 넣어 샘플이 체의 구멍을 가로질러 박막을 형성하도록 합니다. 3. 물은 유리질로 변하여 시료를 둘러싸고 전자현미경 관찰시 액체질소로 인해 냉각된다.

요한 야르네스타드/스웨덴 왕립과학원

그 순간부터 연구자들은 Dubochet의 방법을 배우기 시작했습니다. Frank는 또한 리보솜의 표면 구조를 얻기 위해 그를 만났습니다. Dubochet, Frank 및 Henderson 방법의 조합은 극저온 전자 현미경의 기초를 형성했습니다.

사실, 가능한 한 빨리 방법을 마스터하려는 욕구를 "움직인" "살아있는" 리보솜의 구조를 얻을 필요가 있었습니다. 리보솜은 항생제의 주요 표적 중 하나이며, 리보솜 공동과의 공간적 정렬 매우 중요합니다. 그리고 이제 리보솜을 가진 잠재적인 항균 약물의 대부분의 복합체는 극저온 전자 현미경의 방법으로 정확하게 "보여집니다".

이 방법은 매우 중요해져서 영국 문헌에서 줄여서 CryoEM 방법이라고 하는 CryoEM 방법에 대해 특별히 전 세계에서 많은 주요 회의가 개최됩니다. 2017년에는 모스크바 주립대학교에서 첫 번째 회의가 열렸습니다.

노벨 위원회의 결정은 물리학 및 수학 과학 후보, B.P. Konstantinova Andrey Konevega의 연구팀은 연구에서 CryoEM 방법을 자주 사용합니다.

“극저온 전자 현미경은 구조 생물학에 혁명을 일으켰습니다. 이 방법을 통해 고분자를 고해상도로 시각화할 수 있으며 이제는 X선 결정학과 동일한 해상도로 단백질을 결정으로 바꿀 필요가 없기 때문입니다. 즉, 연구 중 모든 생체 분자는 자연 상태입니다. 지난 10년 동안 이 방법은 결과 구조의 품질과 해상도에서 질적인 도약을 보였습니다. 이것은 새로운 현미경, 새로운 카메라, 새로운 처리 방법과 같은 기술 발전으로 가능했습니다. 중요한 것은 이제 생물학자들은 처리가 몇 개월 또는 몇 년이 아닌 며칠이 소요될 만큼 충분히 강력한 컴퓨팅 시스템을 보유하고 있다는 것입니다. 러시아에 있는 우리 자신은 모스크바의 NRC ""와 Gatchina의 NRC "Kurchatov Institute"-PNPI에 이러한 데이터 처리 센터를 가지고 있으므로 이를 적극적으로 사용하여 데이터를 처리합니다."

수상 정보:

117년 동안 화학 분야에서 109개의 상이 수여되었습니다(다른 분야와 마찬가지로 전쟁으로 인해 상이 수여되지 않거나 노벨 위원회가 동의하지 않는 해가 있었습니다). 1901년의 첫 번째 상은 Jacob Hendrik van't Hoff에게 돌아갔습니다. 스톡홀름에서는 항상 178명의 수상자 이름이 발표되었습니다. 사실, 177명만이 상을 받았습니다. Frederik Sanger는 역사상 유일하게 상을 두 번 받은 사람이 되었습니다.

수상자의 평균 연령(2017년 수상 제외)은 58세입니다. 최연소는 35세의 나이로 1935년에 상을 받은 프레데릭 졸리오-퀴리였고, 최고령자는 존 펜이었습니다. 2002년 노벨상 수상자는 85세였습니다. 그건 그렇고, 상은 여성에게 그리 쉽지 않습니다. 117 년 동안 - 단 4 명의 수상자와 그 중 절반이 같은 가족 출신입니다. 마리 퀴리는 1911년에, 딸 아이린은 1935년에 상을 받았습니다. 또 다른 절반은 극저온 전자 현미경이 경쟁하는 바로 X선 결정학을 위한 것입니다. 1964년 Dorothy Crowfoot Hodgkin은 생체 분자의 X선 회절 분석으로 상을 받았고 2009년 Ada Yonath는 이 기술을 사용하여 리보솜의 구조를 결정한 공로로 상을 받았습니다.

노벨 위원회의 좋은 전통은 개별 원자를 "볼 수 있는" 기술의 중요성을 인식한 것입니다. 2014년에는 초해상도 현미경이 주목받았고, 2017년 10월 4일에는 "그 공로로 노벨 화학상"이 수여되었습니다. 극저온전자현미경법 개발" 수상자는 로잔 대학의 자크 뒤보셰(Jacque Dubochet), 뉴욕 컬럼비아 대학의 요아킴 프랑크(Joachim Frank), 케임브리지 분자생물학 연구소의 리처드 헨더슨(Richard Henderson)이다. 움직이는 생체 분자를 동결하면 고해상도 이미지를 얻을 수 있으며 컴퓨터 재구성 기술은 원자의 정확도를 가진 공간 구조를 제공합니다. 1970년대에 시작된 이 연구는 생물유기 복합체의 구조를 평가하는 데 점점 더 좋아지고 있습니다.

최고의 과학 저널에 실린 기사를 정기적으로 읽는 사람들은 오랫동안 수많은 분자 이미지에 익숙해져 왔습니다. 그러나 현미경으로는 개별 분자를 볼 수 없습니다. 사실, 2014년에 노벨 화학상을 수상한 초고해상도 현미경이 있지만 개별 원자를 "볼"수는 없습니다. 이처럼 생물학적 분자의 구조를 자세히 연구하기 위해서는 구조생물학이 많이 있으며, 최근까지 X선 회절분석(XRD)과 핵자기공명분광법(NMR)이 그 대표적인 방법으로 여겨져 왔다. 흥미로운 방법은 원자력 현미경도 있지만 오늘 이야기의 주인공은 다릅니다. 극저온 전자 현미경, 2017년 올해 노벨 화학상을 수상한 개발 공로.

이전에 작은 크기 때문에 "보이지 않는" 것으로 간주되었던 복잡한 구조의 시각화는 많은 근본적인 돌파구를 만드는 것을 가능하게 했습니다. 그 중 하나는 최근에 동명 질병의 대유행을 일으킨 지카 바이러스(그림 1)와의 싸움이 진행되고 있다는 점입니다. 지난 5년 동안 구조 생물학의 "빅 3" 방법에 점점 더 확고하게 포함된 극저온 전자 현미경 덕분에 이 교활한 에이전트의 3차원 모델을 얻을 수 있었습니다. 그것은 차례로 질병에 대처할 수 있는 약물에 대한 잠재적인 표적에 대한 탐색의 시작을 표시했습니다.

그림 1. 일부 단백질 복합체의 예. ㅏ - 생체리듬을 조절하는 단백질 복합체. 비 - 압력의 변화를 읽고 우리가 들을 수 있게 해주는 귀 소리 센서 콤플렉스. 안에 - 지카 바이러스 모델.

1975년까지 현미경의 역사에 대한 간략한 여행

20세기 전반에 걸쳐 가장 유명한 세 가지 생물학적 구조인 DNA, RNA 및 단백질은 생화학 세계의 지도에서 공백으로 남아 있었습니다. 체내에 존재하며 세포의 생명에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있지만, 그 구조가 무엇인지는 아무도 모릅니다. Francis Crick, James Watson, Maurice Wilkins, Rosalind Franklin을 포함한 유명한 케임브리지 과학자 팀이 1950년대 초반이 되어서야 처음으로 DNA에 대한 X선을 시도하여 유명한 이중 나선을 발견하게 되었습니다.

처음에 Richard Henderson은 초기 연구로 노벨상이 아니라 박사 학위를 받은 결정학자이기도 했습니다. X선 회절 분석 방법은 분자 구조를 식별하는 데 도움이 되는 결정 격자의 X선 회절로 구성됩니다. 그러나 그 당시에는 아직 완벽하지 않았지만 오늘날에는 물질의 구조를 연구하는 주요 방법 중 하나입니다. 30년을 앞으로 나아가면서, 우리는 과학이 생체 분자의 구조를 해독하는 또 다른 방법을 받았다는 것을 알게 되었습니다. 1980년대에 핵 자기 공명은 용액에서 단백질의 구조와 역학을 연구하는 데 사용되기 시작했습니다(지금도 사용 중입니다).

이 두 가지 방법 덕분에 생물학적 분자의 구조에 대한 엄청난 양의 정보를 축적할 수 있었습니다. 오늘날 PDB 데이터베이스에는 10만 개 이상의 구조가 있습니다. 그러나 흔히 그렇듯이 두 방법 모두 단점이 있습니다. 예를 들어 NMR은 용액에 있는 단백질만 시각화할 수 있으며 크기가 작아야 합니다. 그리고 X선 결정학의 마이너스는 방법의 이름으로 읽혀집니다. 그것은 결정과 같은 안정적인 구조에서 작동하지만 동적 "살아 있는" 분자에서는 작동하지 않습니다. 이 방법을 사용하여 얻은 이미지는 단백질의 이동 구조에 대한 정보를 전달하지 않는 최초의 카메라를 연상케 합니다. 흑백으로 고정되어 있습니다. 이 문제로 인해 Richard Henderson은 1970년대에 X선 결정학을 포기하게 되었고, 이는 2017년 노벨상을 향한 여정의 출발점이 되었습니다.

1단계: 전자빔의 표적이 되는 박테리오호돕신

Henderson은 처음부터 막 단백질에 관심이 있었습니다. 왜 그들의 시각화는 그 당시 X-ray 방법의 대상이 아니었을까? 단백질을 결정화하려고 할 때 실패가 발생하여 세포의 지질막에서 자연 상태를 방해했습니다. 막 단백질은 본래의 상태를 방해하지 않고 막에서 추출하기가 극히 어렵습니다. 매우 자주 그들은 추가 연구 대상이 아닌 단일 덩어리로 단순히 "붙어 있습니다". 그러나 지금은 막 단백질의 결정화에 큰 진전이 있습니다. 그들은 단순히 막을 결정의 일부로 만드는 방법을 배웠습니다.

일련의 실패한 시도 끝에 Richard Henderson은 유일하게 실행 가능한 옵션인 전자 현미경으로 눈을 돌렸습니다. 전자 현미경과 광학 현미경의 근본적인 차이점은 무엇입니까? 투과 전자 현미경(기술이라고 함)에서는 광선 대신 전자 광선이 시료로 전송됩니다. 전자의 파장은 빛의 파장보다 훨씬 짧기 때문에 전자 현미경으로 아주 작은 구조도 개별 원자 수준까지 시각화할 수 있습니다.

이론적으로 전자현미경은 원자 수준에서 막 단백질의 이미지를 얻을 수 있었기 때문에 Richard Henderson의 연구에 이상적이었습니다. 그러나 실제로 이 아이디어는 비현실적으로 보였습니다. 전자현미경이 발명된 이래로 이 방법은 무생물을 연구하는 데에만 사용할 수 있다고 믿어져 왔습니다. 이것은 전자빔 때문입니다. 고해상도 이미지를 얻을 수 있지만 실제로는 경로에 있는 살아있는 구조를 "타는" 것입니다. 강도를 줄이면 이미지가 대비를 잃고 흐릿하게 나타납니다.

전자 현미경으로 생체 분자를 시각화하는 데 또 다른 장애물은 진공을 생성해야 한다는 것입니다. 공기가 생물학적 샘플에서 펌핑되면 물도 증발하여 살아있는 구조물을 감싸면서 자연적인 형태를 잃습니다. 따라서 모든 상황은 헨더슨에게 불리했습니다. 그러나 그의 아이디어는 막에서 탁월한 안정성을 갖는 특수 단백질인 박테리오로돕신에 의해 저장되었습니다.

1991년 Joachim Frank는 Dubochet 방법을 사용하여 리보솜을 "동결"하여 3차원 구조의 이미지를 생성했습니다. 그리고 전자현미경으로는 볼 수 없는 해상도로 사진을 찍었음에도 불구하고 연구자들은 리보솜의 윤곽만 보여줄 수 있었다. 이상한 눈물방울 구조는 여전히 X선 결정학의 원자 분해능과 비교할 수 없습니다. 극저온 전자 현미경은 불규칙한 거품과 같은 전자 밀도 윤곽만 시각화할 수 있었고, 이것이 이 방법이 농담으로 "blobology"라고 불리는 이유입니다( 블로볼로지) . 그러나 진전이 진행되고 있으며 2010년 이후에는 새로운 유형의 전자 탐지기가 널리 보급되었습니다. 직접 전자 검출기, 생물학적 구조의 훨씬 더 상세한 이미지를 허용합니다.

오늘날, 극저온 전자 현미경은 다양한 단계에서 "역학적으로" 생물학적 구조를 "잡는" 것을 가능하게 합니다. 얻은 이미지를 결합하여 연구원들은 다른 분자와 단백질의 움직임 및 상호 작용을 보여주는 전체 필름을 만들 수 있습니다. 지난 5년 동안 거의 모든 두 번째 분자 구조가 해당 수준의 저널에 게재되었습니다. 과학그리고 자연, cryomicroscopic: 이들은 새로운 상태의 리보솜, ATPase, 다양한 수용체, 신비한 타우 펩타이드의 필라멘트, 인플라모솜, 열감수성 이온 채널 TRPV1 등입니다. 그리고 이것은 시작에 불과합니다. 과학자들은 아직 많은 단백질 및 기타 복잡한 생물학적 구조의 정확한 구조와 작동 메커니즘을 결정하지 못했습니다.

문학

1. 사진으로 보는 12가지 방법: 현미경;
2. 회절 장벽 너머: 2014년 노벨 화학상;
3. 그림으로 보는 12가지 방법: 구조 생물학;
4. 원자력현미경: 만져서 본다.
5. Fernholm A. (2017).