Нобелова награда за хемију, 2017: Молекули живота, снимљени у 3Д
Употреба крио-електронске микроскопије, коју су посебно развили лауреати, омогућава замрзавање биомолекула усред кретања и приказивање у атомској резолуцији. Ова технологија, рекао је Нобелов комитет, „померила је биохемију у нову еру“.
Рицхард Хендерсон (Л), Јоацхим Франк (Ц), Јацкуес Дубоцхет (Р). Нобелова награда за хемију за 2017. додељена је у среду Жаку Дубошеу, Јоакиму Франку и Ричарду Хендерсону за развој крио-електронске микроскопије за одређивање структуре биомолекула у раствору високе резолуције.
Електронски микроскоп је раних 30-их година прошлог века дизајнирао немачки физичар Ернст Руска, за шта је добио Нобелову награду за физику 1986. (заједно са Гердом Бинигом и Хајнрихом Рорером који су делили другу половину награде). Четири године раније, Нобелова награда за хемију из 1982. године припала је Арону Клугу за његов развој кристалографске електронске микроскопије и његово структурно разјашњавање биолошки важних комплекса нуклеинска киселина-протеин.
Током већег дела прве половине 20. века, одређивање структуре биомолекула — протеина, ДНК и РНК — се појавило као значајан изазов у области биохемије. Знање научника је стално еволуирало током последњих шест деценија — почевши од пионирских кристалографских студија структура глобуларних протеина које су донеле Максу Ф. Перуцу и Џону Кендреју Нобелову награду за хемију 1962, до савладавања крио-електронске микроскопије (крио-ЕМ) за којој је додељена награда за 2017.
Током 50-их година рендгенска кристалографија (излагање протеинских кристала рендгенским зрацима) коришћена је за развој модела биомолекула за истраживање и развој; 80-их година, спектроскопија нуклеарне магнетне резонанце (НМР) је такође коришћена у ту сврху. Употреба обе технике је, међутим, била подложна ограничењима наметнутим природом биомолекула. Рендгенска кристалографија захтевала је добро организоване кристале - биомолекули обично никада нису организовани као кристали. И НМР је радио само за релативно мали скуп протеина.
Добитници награде за 2017. користили су три различита приступа који су заједно превазишли ове изазове, одводећи, како је Нобелов комитет рекао, биохемију у нову еру, чинећи снимање слика биомолекула лакшим него икада раније.
Рентгенска кристалографија на електронски микроскоп
Ричард Хендерсон је напустио рендгенску кристалографију и прибегао снимању протеина помоћу трансмисионе електронске микроскопије - у којој се, уместо светлости, танак сноп електрона шаље кроз узорак. Међутим, док је електронски микроскоп добар за добијање атомске структуре, рецимо, мембранског протеина, интензиван електронски сноп неопходан за слике високе резолуције спаљује биолошки материјал. А смањење интензитета зрака значи значајан губитак контраста, а слика постаје нејасна.
Додатно, захтев за вакуумом за електронску микроскопију значио је пропадање биомолекула са испаравањем околне воде.
Хендерсон је радио са бактериорходопсином, протеином љубичасте боје уграђеним у мембрану фотосинтетизирајућег организма. Да не би спалио, оставио је осетљиви протеин у мембрани и пустио слабији електронски сноп кроз узорак. Слике су снимљене из много различитих углова исте мембране под електронским микроскопом да би се произвео груби 3Д модел структуре бактериородопсина.
То је било 1975. Како је електронска микроскопија еволуирала са бољим сочивима и развојем криотехнологије (у којој су узорци хлађени течним азотом на око – 190 степени Целзијуса да би их заштитили од електронског снопа), његова техника је успела да произведе, 1990. , структура бактериорходопсина при атомској резолуцији.
Математичка обрада 2Д електронски микроскопских слика
Такође 1975. године, Јоацхим Франк је припремио теоријску стратегију да споји све информације које се преносе у дводимензионалним сликама са електронског микроскопа, како би се створила тродимензионална целина високе резолуције. Његов математички метод је прегледао 2Д слике да би идентификовао обрасце који се понављају и сортирао их у групе како би спојио своје информације, стварајући оштрије слике. Овај модел је помогао да се заобиђу мање оштре слике настале због слабијих електронских снопова који се користе за биомолекуле. Математички алати за анализу слике састављени су као компјутерско програмско одело.
Припрема узорка
Суштински изазов да се осигура да узорци биомолекула не буду дехидрирани и да се не сруше у вакууму крио-ЕМ снимања испод снопа електрона, решио је Жак Дубоше.
Природно решење проблема било је замрзавање узорака. Пошто лед испарава спорије од воде, требало је да функционише. Међутим, кристална вода је фузионисала слике док су се електронски снопови дифракирали кроз кристале воде.
Дубоцхет је решио проблем брзим хлађењем које није дозволило молекулима воде да се распореде у кристални облик; уместо тога су се претворили у остакљену воду која би деловала као стакло за електронски сноп. Његово истраживање развило је технику припреме узорака где су биомолекули заштићени под стакленом водом. Техника се користи у крио-ЕМ.
Најновија употреба
Најновија техничка достигнућа попут увођења нових детектора електрона — директних детектора електрона — у електронске микроскопе су помогла даљем побољшању резолуције слика снимљених под крио-ЕМ ниског снопа за биомолекуле. Показало се да је увођење директних детектора електрона у електронске микроскопе 2012-13. године моћно оруђе за научнике јер су се сусрели са изазовом Зика вирус који се брзо ширио у различитим земљама у 2015-16.
ЈАЦКУЕС ДУБОЦХЕТ
Рођен је 1942. у Аиглеу, Швајцарска. Докторирао је 1973. године на Универзитету у Женеви и Универзитету у Базелу, Швајцарска. Почасни је професор биофизике Универзитета у Лозани, Швајцарска.
ЈОАЦХИМ ФРАНК
Рођен 1940. у Зигену, Немачка. Докторирао је 1970. године на Техничком универзитету у Минхену, Немачка. Професор је биохемије и молекуларне биофизике и биолошких наука на Универзитету Колумбија, САД.
РИЦХАРД ХЕНДЕРСОН
Рођен је 1945. у Единбургу, Шкотска. Докторирао је 1969. на Универзитету Кембриџ, Велика Британија. Он је вођа програма, МРЦ Лабораторија за молекуларну биологију, Универзитет Кембриџ.
ПОБЕДНИЦИ 2016: ЈЕАН-ПИЕРРЕ САУВАГЕ, СИР Ј ФРАСЕР СТОДДАРТ и БЕРНАРД Л ФЕРИНГА за њихов развој нано-машина, направљених од покретних молекула, које би се евентуално могле користити за стварање нових материјала, сензора и система за складиштење енергије.
Подели Са Пријатељима:
