Nobelova nagrada za kemijo je bila podeljena za razvoj krioelektronske mikroskopije. Nagrado za kemijo prejeli ustvarjalci krioelektronske mikroskopije, ki so prejeli Nobelovo nagrado za kemijo

Turizem in počitek 14.08.2021

Turizem in počitek

Nobelovo nagrado za kemijo leta 2017 so prejeli za razvoj krioelektronske mikroskopije, metode za preučevanje snovi z ultrahitrim zamrzovanjem. Švicar Jacques Dubochet, Američan Joachim Frank in Britanec Richard Henderson si bodo razdelili nagrado v višini 9 milijonov SEK. Njihov razvoj omogoča ugotavljanje strukture proteinskih kompleksov, kompleksnih receptorjev in drugih spojin, ki jih ni mogoče preučiti s kristalografijo in spektroskopijo, pravijo strokovnjaki.

Švicar Jacques Dubochet, Američan Joachim Frank in Britanec Richard Henderson bodo prejeli Nobelovo nagrado za kemijo za razvoj tehnologije krioelektronskega mikroskopa za ugotavljanje strukture biomolekul z visoko molekulsko maso v raztopini. Takšen mikroskop, kot piše v sporočilu Nobelovega odbora, omogoča pregled predmetov po hitrem zamrzovanju, kar ohranja naravno obliko atomov v molekuli.

Prej so z elektronskimi mikroskopi proučevali samo anorganske spojine in neživo snov, saj močni elektronski žarki te naprave uničijo biološki material. Leta 1990 je Richardu Hendersonu uspelo z mikroskopom ustvariti 3D sliko proteina na atomski ravni. Joachim Frank je to tehnologijo razvil bolj skrbno: od leta 1975 do 1986 je delal na tem, da bi bila podoba atomov jasnejša. Končno je Jacquesu Dubochetu uspelo najti uporabo vode v elektronski mikroskopiji. Uporabil je tehnologijo "zastekljevanja": hitro je ohladil vodo okoli biološkega vzorca, kar je omogočilo, da so molekule ohranile svojo naravno obliko. Metoda, ki so jo odkrili sedanji nagrajenci, omogoča določanje strukture beljakovinskih spojin.

"Ta metoda je zdaj v ospredju znanosti," je dejal Alexander Vasiliev, vodja laboratorija za elektronsko mikroskopijo na inštitutu Kurchatov. Aleksej Pahomov, raziskovalec na Inštitutu za bioorgansko kemijo Ruske akademije znanosti, je pojasnil, da lahko znanstveniki zaradi metode, ki so jo odkrili Nobelovi nagrajenci, delajo s proteinskimi kompleksi, kompleksnimi receptorji, multiproteinskimi spojinami in drugimi materiali, ki jih ni mogoče preučiti s kristalografijo. in jedrska magnetnoresonančna spektroskopija (NMR). "To je zelo močna metoda, ki vam omogoča, da pridobite strukturo posameznih molekul z zelo visoko ločljivostjo in v njihovem naravnem stanju, in ne v kristalu," je pojasnil gospod Pakhomov za televizijski kanal Rossiya 24. .

Igor Kireev, vodja oddelka za elektronsko mikroskopijo na Raziskovalnem inštitutu za fizikalno in kemijsko biologijo Moskovske državne univerze, prav tako pravi, da je to metodo mogoče uporabiti za preučevanje bioloških struktur "v stanju, ki je blizu naravnemu." Tehnologija ultra hitrega zamrzovanja, pravi, pusti vzorce "v vodnem okolju, kot da bi bili v celici." "Hkrati postanejo trde, kar omogoča, če govorimo o tkivih ali celicah, izdelavo rezov za elektronski mikroskop," je pojasnil gospod Kireev. Po mnenju znanstvenika ta tehnologija omogoča preučevanje vzorcev v visoki ločljivosti do posameznih atomov v molekulah. "Lahko ujamete nekatere reakcije, ki se pojavijo pri beljakovinah," je dodal gospod Vasiliev. Igor Kireev meni, da je v Rusiji le nekaj teh najnovejših mikroskopov, na primer na inštitutu Kurchatov, saj je ta oprema "zelo draga".

Višji raziskovalec na Inštitutu za bioorgansko kemijo Ruske akademije znanosti Konstantin Mineev je opozoril, da je na področju znanosti, ki se ukvarja z beljakovinami, "to absolutno zaslužena nagrada." "Beljakovine so tiste, ki opravljajo glavno delo v našem telesu, delujejo kot majhni stroji," pravi znanstvenik. "Če razumemo, kako delujejo, poznamo njihovo strukturo, jih lahko spreminjamo, ustavimo in temu primerno iščemo zdravil z modeliranjem in analizo podatkov. Potem lahko vzamemo zdravilo ne naključno in z metodo "poke". Ta pristop se imenuje racionalno načrtovanje zdravil.

»Je kot navaden elektronski mikroskop, vendar z zelo visoko ločljivostjo in dopolnjen z računalniškimi algoritmi za obdelavo slik: slike velikih molekularnih kompleksov se kopičijo v količini več sto tisoč iz različnih zornih kotov, kar omogoča 3D rekonstrukcijo tako visoke kakovosti, da celo posamezni atomi,« je za Kommersant pojasnil Anton Chugunov, kandidat fizikalnih in matematičnih znanosti, višji raziskovalec na Inštitutu za bioorgansko kemijo Ruske akademije znanosti, kako znanstveniki uporabljajo krioelektronsko mikroskopijo. »Sama metoda ne zagotavlja takega. visoka ločljivost, vendar njena uporaba v povezavi z računalniškimi algoritmi to omogoča.” . Opozoril je, da pred približno petimi leti ta metoda ni bila priljubljena, saj je bila pridobljena ločljivost precej nizka, podatke pa je bilo težko uporabiti pri delu: niso bili primerni za računalniško modeliranje in načrtovanje zdravil (ustvarjanje zdravil): »Toda v zadnjih petih letih je prišlo do zelo velikega preboja, ločljivost je bila izboljšana.

Pred krioelektronsko mikroskopijo je bila glavna vodilna za strukturne študije v biologiji analiza rentgenske difrakcije, druga metoda za preučevanje snovi na molekularni ravni je jedrska magnetna resonanca. "Toda vsak od njih ima svoje pomanjkljivosti," pojasnjuje znanstvenik. "NMR ne zajema velikih kompleksov molekul, rentgenska kristalografija zahteva kristalizacijo molekul in večja kot je molekula, težje je.

In tu je prišla kriomikroskopija, ki pač zelo dobro deluje na velikih kompleksih – to je več, 5-10, velikih proteinov, ki so kompleksno povezani, imajo kompleksno prostorsko obliko, kar je bil omejevalni dejavnik za vse druge metode.

Hkrati je g. Chugunov opozoril, da je krioelektronsko mikroskopijo težko uporabljati za majhne komplekse molekul: "Zato zdaj te metode delujejo skupaj in to je zelo uspešno." Strokovnjak je opozoril, da se krioelektronska mikroskopija v svetu pogosto uporablja, v Rusiji pa "še ni zelo pogosta metoda."

Eden od nagrajencev, Joachim Frank, je dejal, da je bil nad nagrado navdušen. Hkrati je opozoril, da bo metoda krioelektronske mikroskopije našla praktično uporabo šele s časom. »Vedno je potreben čas, da vidimo neposredne praktične možnosti,« je dejal gospod Frank.

Nagrado za kemijo so danes podelili že 109. Nobelova fundacija je letos prvič po letu 2001 zvišala znesek izplačil dobitnikom nagrade z 8 milijonov na 9 milijonov švedskih kron (1,12 milijona dolarjev). Spomnimo, leta 2016 so nagrado za kemijo prejeli Jean-Pierre Savage, Fraser Stoddart in Bernard Feringe za razvoj "molekularnih strojev" - mikroskopskih naprav, ki premikajo molekule ali njihove komplekse. Te naprave naj bi se uporabljale v različnih senzorjih v medicini.

5. oktober razglasi Nobelove nagrajence za literaturo, 6. oktober bo prejel Nobelovo nagrado za mir. 9. oktober bo imenoval dobitnika nagrade Švedske nacionalne banke za ekonomske vede v spomin na Alfreda Nobela (neuradno imenovano "Nobelova nagrada za ekonomijo").

Aleksander Voronov, Valerija Mišina

Nobelovo nagrado za kemijo 2017 so prejeli Jacques Dubochet, Joachim Frank in Richard Henderson za njihov razvoj krioelektronske mikroskopije, ki je omogočila podrobni ogled molekul živih organizmov – v zelo visoki ločljivosti.

Jacques Dubuch - Švicar, dela na Univerzi v Lausanni (University of Lausanne, Švica), Joachim Frank - Američan s Columbia University (Columbia University, New York, ZDA), Richard Henderson - britanski znanstvenik iz Cambridgea (MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, Združeno kraljestvo).

Poudarjeno je, da so raziskave nagrajencev, ki so se nadaljevale v 70. in 90. letih prejšnjega stoletja, pomenile revolucionaren preboj v biologiji, saj so prvič omogočile pogled na tisto, kar je bilo prej povsem nevidno - na posamezne biološke molekul in celo pri njihovih sestavnih atomih.

Pravzaprav so znanstveniki posodobili elektronsko mikroskopijo. Prej so neživo snov opazovali z elektronskim mikroskopom. Laureati so ga prilagodili za opazovanje divjih živali. Naučili so se, kako jih zamrzniti v vodni raztopini, da biomolekule ohranijo svojo obliko in lastnosti ter se hkrati »fiksirajo« v obliki, primerni za opazovanje.

Posledično je bilo s pomočjo elektronskega mikroskopa mogoče dobiti tridimenzionalne slike obravnavanih živih predmetov. Do leta 2013 je bila ločljivost metode fenomenalna. Pojavile so se slike vseh vrst molekularnih proteinov, na primer tistih, zaradi katerih so bakterije odporne na antibiotike. »Fotografirati« je bilo mogoče celo viruse – na primer virus Zika. Kaj obljublja najbližjo zmago nad njim.

Raziskovalci, ki so prodrli v mikrosvet, ugotavljajo, da je podrobna slika predmeta najkrajša pot do razumevanja njegovega bistva. Oziroma do znanja. Preprosto očitno je, da se tega mnenja strinja tudi Švedska kraljeva akademija znanosti, ki podeljuje Nobelove nagrade.

REFERENCA KP

Trenutna Nobelova nagrada za kemijo je 109. po vrsti. Med nagrajenci, ki so prejeli to najčastnejšo znanstveno nagrado na svetu od leta 1901, so 4 ženske.

Britanski znanstvenik Frederick Sandger, uvrščen na seznam "100 genijev našega časa", je dvakrat prejel Nobelovo nagrado za kemijo - leta 1958 in leta 1980. Prvič - za določitev natančnega zaporedja aminokislin v molekuli insulina. Drugi - za razvoj metode za dešifriranje primarne strukture DNK.

Lani so nagrado prejeli znanstveniki iz Francije, ZDA in Nizozemske. Francoz Jean-Pierre Sauvage, Američan Sir James Fraser Stoddart in Nizozemec Bernard L. Feringa so bili nagrajeni "za razvoj in sintezo molekularnih strojev". Loureati so pravzaprav postavili materialne temelje za nanotehnologijo.

Kaj je izjemnega pri novi Nobelovi nagradi za kemijo, zakaj zamrzniti vodo okoli biomolekul in kako računalniki spremenijo 2D slike v 3D, preberite v gradivu na spletnem mestu o delu Nobelovih nagrajencev 2017 Jacquesa Dubocheta, Joachima Franka in Richarda Hendersona.

Strukture molekul, pridobljene v zadnjih letih, so impresivne. Tukaj je cela "brizga" salmonele, s katero napada celice, in beljakovine, ki bakterijam zagotavljajo odpornost na antibiotike, in čudovite strukture na dnu flagele, in neverjetno lepi encimi. Od temeljnih bioloških spoznanj o delovanju biomolekul v celici do razumevanja, kako se obnašajo molekule zdravil, vse to lahko pridobimo zahvaljujoč metodi krioelektronske mikroskopije, za razvoj katere je bila leta 2017 podeljena Nobelova nagrada za kemijo.

Toda kaj je ta metoda in zakaj brez nje ni bilo mogoče doseči enakih rezultatov? Konec koncev je do takrat obstajala rentgenska kristalografija in le elektronska mikroskopija.

Te metode so raziskovalcem naložile več pomembnih omejitev, za premagovanje katerih oziroma, natančneje, »za razvoj metod krioelektronske mikroskopije za določanje strukture biomolekul v raztopinah z visoko ločljivostjo« je bila danes podeljena prestižna nagrada.

Letos ga bodo prejeli trije znanstveniki, ki so bili pionirji te tehnologije: Francoz Jacques Dubochet, ki dela na univerzi v Lausanni, v Nemčiji rojeni Joachim Frank z univerze Columbia v New Yorku in Škot Richard Henderson iz Laboratorija za molekularno biologijo v Cambridgeu (avtor mimogrede, to je menda že petnajsti nagrajenec iz tega laboratorija).

Od leve proti desni: Jacques Dubochet, Joachim Frank in Richard Henderson

Denis Balibouse/Reuters, Univerza Columbia, Laboratorij za molekularno biologijo MRC

Ko je Ernst Ruska izumil in demonstriral elektronski mikroskop, s katerim je videl položaje posameznih atomov (za kar je Ruska leta 1986 prejel Nobelovo nagrado), je drugi znanstvenik, Ladislav Marton, napisal članek, v katerem je izjavil, da je težko proučevati biološki material z nova metoda , ker biomolekule in celice uniči tok elektronov. Ta pretok je moral biti zelo šibek, da ne bi poškodoval vzorcev, vendar je tako šibek pretok povzročil slabo ločljivost. Za elektronsko mikroskopijo je moral biti vzorec tanek in ploščat, kar je tudi zapletlo nalogo - iz dvodimenzionalne projekcije je bilo treba dokončati 3D modele proučevanih molekul (na primer proteinov).

Seveda preučevanje živih celic ni prišlo v poštev in dejansko so v uničenem stanju videti popolnoma drugače, kot delujejo. Poleg tega je elektronski mikroskop potreboval vakuum in vsa voda je v njem izhlapela, kar je pomagalo biomolekulam ohraniti svojo naravno obliko. Vse to je bilo težko in neprijetno. Do pojava krioelektronske mikroskopije.

Spremembe podobe biomolekul, povezane z delom Nobelovih nagrajencev 2017

Richard Henderson je delal na beljakovinah v Cambridgeu z rentgensko kristalografijo, metodo, s katero je Rosalind Franklin pridobila znamenite slike, iz katerih sta Watson in Crick zgradila model dvojne vijačnice DNA. Vse je bilo dobro, dokler Henderson ni usmeril pozornosti na membranske proteine, ki jih najdemo v celični membrani. »Vzeti« iz naravnega okolja so se spremenili v neuporaben zamotan kup atomov. Enega od njih Henderson ni mogel izolirati v zadostnih količinah, drugega ni bilo mogoče kristalizirati.

Vse se je spremenilo, ko je Henderson prevzel na svetlobo občutljiv protein bakteriorhodopsin. Znanstvenik se je odločil, da ga ne bo izvlekel iz membrane, ampak je skupaj z njim pod elektronski mikroskop postavil cel kos membrane. Da se struktura ne bi zrušila, so jo prekrili z raztopino glukoze. Da ne bi poškodovali vzorca z močnim tokom elektronov, so znanstveniki izstrelili šibkejši žarek. Slika, kot je bilo pričakovano, ni bila preveč jasna in kontrastna, vendar so tukaj uporabili enako matematično metodo kot pri rentgenski kristalografiji, kar je omogočila sama struktura proteinov, ki so bili v membrani usmerjeni v isto smer. smer. Slike, posnete iz različnih zornih kotov, so pokazale, da se je protein zvijal in šel skozi membrano sedemkrat (zdaj so takšni proteini znani kot receptorji sedmih vijačnic). To je bila najbolj kakovostna slika, ki je bila kdajkoli posneta z elektronskim mikroskopom.

Ločljivost sedmih angstromov je mnoge navdušila, a Henderson se ni želel ustaviti: želel je doseči enako ločljivost kot pri rentgenski kristalografiji, pri treh angstromih. Sčasoma so leče postale boljše in pojavile so se tehnologije zamrzovanja za ohranitev vzorca v tekočem dušiku. Da bi dobil jasnejšo sliko bakteriorodopsina, je Henderson potoval v različne laboratorije z uporabo najboljših elektronskih mikroskopov na svetu. Vsi so imeli enake pomanjkljivosti, a so se dopolnjevali. In šele leta 1990, 15 let po prejemu prve, za sodoben videz neprivlačne slike, je Henderson dosegel svoj cilj. Pokazal je, da bi lahko bila krioelektronska mikroskopija uporabna za preučevanje biomolekul, vendar je bil njegov bakteriorodopsin naročen in praktično fiksiran v celični membrani. Zelo malo drugih proteinov se lahko pohvali z enakim, zato so biologi menili, da je to še vedno zelo omejena metoda.

Prav v tem času je na drugi strani Atlantika, v New Yorku, Joachim Frank že dolgo iskal rešitev tega problema. Že leta 1975 je prišel do teoretičnega pristopa, vendar je trajalo več let, da ga je uveljavil. Njegova ideja je bila ustvariti računalnik, ki bi lahko ločil naključno postavljene veverice od kaotičnega "ozadja". Prišel je z matematično metodo, ki računalniku omogoča, da najde različna ponavljajoča se zaporedja na sliki. Računalnik je razvrstil vzorce in združil podobne, da bi dobil povprečno, a ostrejšo sliko. Frank je objavil več dokumentov z 2D proteinskimi modeli visoke ločljivosti iz različnih zornih kotov. Algoritmi so bili pripravljeni do leta 1981.

Naslednji korak je bil ustvariti algoritem, ki najde podobne 2D slike in jih sam sestavi v 3D strukture. Sredi osemdesetih let je Frank objavil ta del metode in se lotil velikega podviga izdelave modela površine ribosoma, ogromnega molekularnega stroja za sestavljanje beljakovin v celici.

Metoda za analizo 3D struktur, ki jo je razvil Joachim Frank: 1. Žarek elektronov zadene naključno usmerjene proteine, zaradi česar njihov odtis ostane na sliki. 2. Zahvaljujoč metodam obdelave mehkih informacij računalnik združi nastale slike, ki so si podobne med seboj, v skupine. 3. Z uporabo nastalih tisočih slik računalnik sestavi 2D sliko visoke ločljivosti. 4. Računalnik analizira, kako se 2D slike med seboj povezujejo v prostoru, in ustvari 3D sliko visoke ločljivosti.

Johan Jarnestad/Švedska kraljeva akademija znanosti

Nekoliko prej, leta 1978, se je tretji del tega problema elektronskega mikroskopa lotil še en znanstvenik, Jacques Dubochet. Kot se spomnimo, so biomolekule močno trpele in se spremenile v brezoblično maso, če je voda okoli njih izhlapela, v vakuumski komori elektronskega mikroskopa pa je nujno izhlapela. Preprosto zamrzovanje ni dalo rezultatov: ledeni kristali, ki se širijo v primerjavi z vodo, bi lahko zlomili proučevano beljakovino in uničili njeno strukturo. Medtem ko je Henderson imel srečo z bakteriorodopsinom, so se drugi znanstveniki borili z vodotopnimi nemembranskimi proteini.

Dubochet se je domislil ultra hitrega načina zamrzovanja s tekočim dušikom: zdelo se je, da voda »zastekleni«, tok elektronov pa se je od nje popolnoma odbijal in dal dobro sliko. To je omogočilo popolno pripravo biološkega materiala za delo, kar je Dubochet dokazal z objavo več struktur virusov, pridobljenih s to metodo leta 1984.

Dubochetova metoda: 1. Kovinsko sito, na katerega pade vzorec, odseje odvečni material. 2. Sito postavimo v etan pri približno -196 °C, kar povzroči, da vzorec tvori tanek film čez luknje v situ. 3. Voda se spremeni v steklasto snov in obda vzorec, nato pa se med opazovanjem z elektronskim mikroskopom ohladi zaradi tekočega dušika.

Johan Jarnestad/Švedska kraljeva akademija znanosti

Od tega trenutka so se raziskovalci začeli obračati na Dubocheta, da bi se naučili njegove metode. Z njim se je srečal tudi Frank, da bi pridobil površinske strukture ribosoma. Kombinacija metod Dubochet, Frank in Henderson je bila osnova za krioelektronsko mikroskopijo.

Pravzaprav je bila potreba po strukturi »živega« ribosoma tista, ki je »premaknila« željo po čimprejšnjem obvladovanju metode: ribosom je ena glavnih tarč antibiotikov, za katero je potrebna prostorska poravnava z ribosomskimi votlinami. je zelo pomembno. In zdaj večina kompleksov potencialnih protimikrobnih zdravil z ribosomi "gleda" ravno z metodami krioelektronske mikroskopije.

Metoda je postala tako pomembna, da po svetu potekajo številne velike konference, posvečene prav metodi CryoEM, kot jo na kratko imenujemo v angleški literaturi. Leta 2017 je bila prva takšna konferenca na Moskovski državni univerzi.

Odločitev Nobelovega odbora je posebej za spletno mesto komentiral kandidat fizikalnih in matematičnih znanosti, vodja oddelka za molekularno in radiacijsko biofiziko B.P. Konstantinova Andrey Konevega, čigar raziskovalna ekipa pri svojem delu pogosto uporablja metode CryoEM:

»Krioelektronska mikroskopija je revolucionirala strukturno biologijo, saj je ta metoda tista, ki omogoča vizualizacijo makromolekul z visoko ločljivostjo in zdaj z enako ločljivostjo kot rentgenska kristalografija, vendar brez potrebe po spreminjanju beljakovin v kristal. To pomeni, da so vse biomolekule med študijo v svojem naravnem stanju. V zadnjem desetletju je ta metoda doživela kvalitativni preskok v kakovosti nastalih struktur, v ločljivosti. To je omogočil tehnološki napredek: novi mikroskopi, nove kamere, nove metode obdelave. Kar je pomembno, biologi imajo zdaj dovolj zmogljive računalniške sisteme, da zagotovijo, da obdelava traja dneve, ne mesece ali leta. Sami imamo v Rusiji takšne centre za obdelavo podatkov v NRC "" v Moskvi in na NRC "Kurchatov Institute"-PNPI v Gatchini, zato jih aktivno uporabljamo za obdelavo naših podatkov."

O nagradi:

V 117 letih je bilo v kemiji podeljenih 109 nagrad (tako kot v drugih disciplinah so bila leta, ko nagrada ni bila podeljena zaradi vojne ali ko se Nobelov odbor ni strinjal). Že prvo nagrado leta 1901 je prejel Jacob Hendrik van't Hoff. Za ves čas v Stockholmu so razglasili imena 178 nagrajencev. Res je, nagrado je prejelo le 177 ljudi: Frederik Sanger je postal edini v zgodovini, ki je nagrado prejel dvakrat.

Povprečna starost nagrajencev (brez nagrade 2017) je 58 let. Najmlajši je bil Frederic Joliot-Curie, ki je nagrado prejel leta 1935 pri 35 letih, najstarejši John Fenn: Nobelov nagrajenec leta 2002 je bil star 85 let. Mimogrede, nagrada za ženske ni zelo lahka: za 117 let - le štiri nagrajenke, polovica pa jih je iz iste družine. Marie Curie je nagrado prejela leta 1911, njena hči Irene pa leta 1935. Druga polovica je namenjena prav rentgenski kristalografiji, s katero tekmuje krioelektronska mikroskopija. Leta 1964 je Dorothy Crowfoot Hodgkin prejela nagrado za rentgensko difrakcijsko analizo biomolekul, leta 2009 pa je Ada Yonath prejela nagrado za uporabo te tehnike za določitev strukture ribosoma.

Dobra tradicija Nobelovega odbora je priznanje pomena tehnik, ki vam omogočajo, da "vidite" posamezne atome: leta 2014 je bila opažena superločljivostna mikroskopija, 4. oktobra 2017 pa je bila podeljena Nobelova nagrada za kemijo "za razvoj metode krioelektronske mikroskopije." Zmagovalci so bili trije raziskovalci: Jacques Dubochet z Univerze v Lausanni, Joachim Frank z Univerze Columbia v New Yorku in Richard Henderson iz Laboratorija za molekularno biologijo v Cambridgeu. Zamrzovanje biomolekul v gibanju omogoča pridobivanje njihovih visokoločljivih slik, tehnike računalniške rekonstrukcije pa zagotavljajo prostorsko strukturo z natančnostjo atoma. Študija, ki se je začela že v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, postaja vedno boljša pri ocenjevanju arhitekture bioorganskih kompleksov.

Ljudje, ki redno berejo članke v vrhunskih znanstvenih revijah, so že dolgo navajeni številnih molekularnih podob. Toda mikroskopi vam ne omogočajo, da vidite posamezne molekule. Resda obstaja mikroskopija s super ločljivostjo, za katero so leta 2014 prejeli Nobelovo nagrado za kemijo, a tudi ta ne omogoča »videti« posameznih atomov. Tako podrobno preučevanje strukture bioloških molekul je naloga strukturne biologije, katere vodilni metodi sta do nedavnega veljali za analizo rentgenske difrakcije (XRD) in spektroskopijo z jedrsko magnetno resonanco (NMR). Zanimiva metoda je tudi mikroskopija na atomsko silo, vendar je junak naše današnje zgodbe drugačen: to krioelektronska mikroskopija, za razvoj katerega je bila letos, 2017, podeljena Nobelova nagrada za kemijo.

Vizualizacija kompleksnih struktur, ki so prej veljale za "nevidne" zaradi svoje majhnosti, je omogočila številne temeljne preboje. Eden od njih je napredek v boju proti virusu Zika, (slika 1), ki je nedavno povzročil pandemijo istoimenske bolezni. Zahvaljujoč krioelektronski mikroskopiji, ki se v zadnjih petih letih vse trdneje uvršča med »velike tri« metode strukturne biologije, je uspelo pridobiti tridimenzionalni model tega zahrbtnega povzročitelja. To pa je pomenilo začetek iskanja potencialnih tarč za zdravila, ki se lahko spopadejo z boleznijo.

Slika 1. Primeri nekaterih proteinskih kompleksov. a - Proteinski kompleks, ki uravnava cirkadiani ritem. b - Kompleks ušesnega senzorja zvoka, ki bere spremembe tlaka in nam omogoča slišati. v - Model virusa Zika.

Kratek izlet v zgodovino mikroskopije do leta 1975

V prvi polovici 20. stoletja so tri najbolj znane biološke strukture - DNK, RNK in beljakovine - ostale prazna lisa na zemljevidu biokemičnega sveta. Vedelo se je, da so v telesu in igrajo pomembno vlogo v življenju celic, kakšna je njihova zgradba, pa nihče ni imel niti najmanjšega pojma. Šele v zgodnjih petdesetih letih 20. stoletja je slavna skupina znanstvenikov s Cambridgea, vključno s Francisom Crickom, Jamesom Watsonom, Mauriceom Wilkinsom in Rosalind Franklin, prvič preizkusila DNK z rentgenskimi žarki, kar je vodilo do odkritja znamenite dvojne vijačnice.

Med kristalografe je sprva spadal tudi Richard Henderson, ki je za svoje zgodnje raziskave prejel če ne Nobelovo nagrado, pa doktorat. Metoda rentgenske difrakcijske analize je sestavljena iz difrakcije rentgenskih žarkov na kristalni mreži, ki pomaga prepoznati strukturo molekule. Toda takrat je bilo še daleč od popolnosti, čeprav je danes eden glavnih načinov preučevanja strukture snovi. Ko stopimo 30 let naprej, izvemo, da je znanost dobila še en način za dešifriranje strukture biomolekul: v osemdesetih letih prejšnjega stoletja so jedrsko magnetno resonanco začeli uporabljati za preučevanje strukture in dinamike proteinov v raztopini (in se še vedno uporablja).

Zahvaljujoč tema dvema metodama je bilo mogoče zbrati impresivne količine informacij o strukturi bioloških molekul: danes je v bazi PDB več kot 100 tisoč struktur. Toda, kot se pogosto zgodi, imata obe metodi svoje pomanjkljivosti. Na primer, NMR lahko vizualizira samo beljakovine, ki so v raztopini, njihova velikost pa mora biti majhna. In minus rentgenske kristalografije se bere v imenu metode: deluje na stabilnih strukturah, kot so kristali, ne pa na dinamičnih "živih" molekulah. Slike, dobljene s to metodo, spominjajo na prve kamere: črno-bele in zamrznjene, ne prenašajo informacij o mobilni strukturi proteina. Zaradi te težave je Richard Henderson v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja opustil rentgensko kristalografijo, ki je bila izhodišče na njegovi poti do Nobelove nagrade leta 2017.

Prvi korak: bakteriorodopsin, usmerjen z elektronskim žarkom

Henderson se je že od vsega začetka zanimal za membranske proteine. Zakaj njihova vizualizacija takrat ni bila predmet rentgenske metode? Napake so se pojavile pri poskusu kristalizacije proteina, s čimer je bilo moteno njegovo naravno stanje v lipidni membrani celice. Membranske beljakovine je izjemno težko izločiti iz membrane, ne da bi motili njihovo izvorno stanje: zelo pogosto se preprosto "zlepijo" v eno samo maso, ki ni predmet nadaljnjega preučevanja. Vendar pa je zdaj velik napredek pri kristalizaciji membranskih proteinov: preprosto so se naučili, kako narediti membrano del kristala.

Po vrsti neuspešnih poskusov se je Richard Henderson obrnil na edino na videz izvedljivo možnost: elektronsko mikroskopijo. Kakšna je temeljna razlika med elektronskim in optičnim mikroskopom? Pri transmisijski elektronski mikroskopiji (kot se tehnika imenuje) se v vzorec namesto žarka svetlobe pošlje žarek elektronov. Valovna dolžina elektronov je veliko krajša od valovne dolžine svetlobe, zato lahko z elektronskim mikroskopom vizualiziramo tudi zelo majhne strukture – vse do nivoja posameznih atomov.

V teoriji je bil elektronski mikroskop idealen za raziskave Richarda Hendersona, saj je omogočal pridobivanje slik membranskih proteinov na atomski ravni. Toda v praksi se je ta ideja zdela nerealna. Od iznajdbe elektronskega mikroskopa je veljalo, da se ta metoda lahko uporablja samo za preučevanje nežive snovi. To je posledica elektronskega žarka: omogoča vam, da dobite slike visoke ločljivosti, vendar dejansko "zažge" žive strukture na svoji poti. Če zmanjšate njegovo intenzivnost, potem slika izgubi kontrast in se izkaže za mehko.

Dodatna ovira pri vizualizaciji biomolekul pod elektronskim mikroskopom je potreba po ustvarjanju vakuuma. Pri črpanju zraka iz biološkega vzorca izhlapeva tudi voda, ki ovije žive strukture, zaradi česar te izgubijo svojo naravno obliko. Tako so bile vse okoliščine proti Hendersonu. Njegovo idejo pa je rešil poseben protein z izjemno stabilnostjo v membrani - bakteriorhodopsin.

Leta 1991 je Joachim Frank z Dubochetovo metodo »zamrznil« ribosome in tako dobil sliko njihove tridimenzionalne strukture. In kljub dejstvu, da je bila slika posneta z ločljivostjo brez primere za elektronsko mikroskopijo, so raziskovalci lahko pokazali le obrise ribosoma. Nenavadne kapljičaste strukture se še vedno niso primerjale z atomsko ločljivostjo rentgenske kristalografije. Krioelektronska mikroskopija je lahko vizualizirala le nepravilne mehurčke podobne konture elektronske gostote, zato so to metodo v šali poimenovali "blobologija" ( blobologija) . Toda napredek gre naprej in po letu 2010 je postala razširjena nova vrsta elektronskega detektorja - Neposredni detektor elektronov, kar omogoča veliko bolj podrobno podobo bioloških struktur.

Danes krioelektronska mikroskopija omogoča »ujetje« bioloških struktur »v dinamiki« na različnih stopnjah. S kombiniranjem pridobljenih slik lahko raziskovalci ustvarijo cele filme, ki prikazujejo gibanje in interakcije proteinov z drugimi molekulami. V zadnjih petih letih je bila skoraj vsaka druga molekularna struktura objavljena v revijah tega nivoja Znanost in Narava, kriomikroskopsko: to so nova stanja ribosoma, pa ATPaze, pa raznih receptorjev, pa filamentov skrivnostnega tau peptida, pa inflammosoma, pa termosenzitivnega ionskega kanala TRPV1 in še mnogo več. In to je šele začetek: znanstveniki morajo šele ugotoviti natančno strukturo in mehanizem delovanja številnih proteinov in drugih kompleksnih bioloških struktur.