Нобелова награда за химия за криоелектронна микроскопия

Награда за ключов метод на биохимия

Крио-електронната микроскопия осигурява уникален поглед върху структурата на биомолекулите. © Martin Högbom / Кралската шведска академия на науките
чете на глас

Поглед върху молекулите на живота: Жак Дюбочет, Йоахим Франк и Ричард Хендерсън - трима изследователи, разработили криоелектронна микроскопия - ще получат тазгодишната Нобелова награда за химия. Този метод даде възможност да се видят биомолекули в действие и да се картографират атомно. Дължим го на такива ефектни изображения като бактерии, атакуващи клетки, фотосинтетични молекули, улавящи светлина, или структурата на вируса Zika.

Дълго време биомолекулите като протеини, ДНК или РНК бяха големите неизвестни на биохимията. Въпреки че учените са успели да заключат структурата на тези молекули с помощта на рентгенова кристалография, тези изображения показват само биомолекулите в кристализирана, втвърдена форма. Как се движат тези сложни връзки и как те си взаимодействат помежду си остава до голяма степен неизвестно. Освен това много биомолекули не могат да изкристализират и по този начин напълно избягат от нашето виждане.

Също така електронната микроскопия е ограничена, подходяща само за изобразяване на такива биомолекули. За да се отразят лъчите и по този начин да се разкрие неговата структура и форма, пробата трябва да бъде сложно подготвена, изсушена и, например, да се пара с тежки метални соли. Това лечение обаче променя много биомолекули и дори може да ги унищожи.

Ричард Хендерсън: Захар и слабо лъчение

Британецът Ричард Хендерсън не пожела да бъде доволен от тази ситуация. В своята лаборатория в Кеймбридж той работи по метод, чрез който може да визуализира фотосинтезиращия протеин бактериодопсозин. Идеята му: Той замени водата в протеиновия разтвор с разтвор на глюкоза, който стабилизира молекулата във вакуума на електронния микроскоп.

Така че твърдите електронни лъчи не унищожиха чувствителния протеин, Хендерсън и неговите колеги тестваха след това колко информация може да бъде получена при по-ниски дози радиация. Оказа се, че чрез комбиниране на много изображения човек може да събере достатъчно данни за молекулната структура, за да получи първата полезна картина. показ

Въз основа на тази техника през 1975 г. Хендерсън и неговите колеги представят за първи път 3D модел бактериодопсозин, който показва как протеиновата верига на молекулата прониква седем пъти през съседната клетъчна мембрана. Техните изображения с резолюция 0, 7 нанометра бяха най-доброто изображение на всеки протеин, създаван някога с помощта на електронен микроскоп. Но това не е така за резолюция до атомно ниво и не всички молекули могат да бъдат използвани за захарния разтвор.

Жак Дюбот: Студен шок за молекули

Решение на този проблем намери Жак Дюбот в Европейската лаборатория по молекулярна биология в Хайделберг. Той откри как молекулите във воден разтвор могат да бъдат предотвратени да изсъхнат във вакуума на електронния микроскоп. Още преди него изследователите са се опитвали просто да замразят пробите, но ледените кристали смущават електронните лъчи и по този начин изображението.

Схематично представяне на методите на Дюбочет и Франк Кралската шведска академия на науките

Разтвор на Дюбот: Той охлажда молекулните разтвори с течен азот толкова бързо и радикално, че не могат да се образуват ледени кристали. Вместо това водата се втвърдява в стъклено твърдо вещество, което не нарушава радиацията, като по този начин позволява изображението на молекулата, хваната в стъклената вода. През 1984 г. Дюбочет и неговите колеги използват този метод за картографиране на вируси в разтвор за първи път - важна стъпка напред за медицинските изследвания.

Йоахим Франк: Алгоритъмът изостря картината

Йоахим Франк, който провежда изследвания в Министерството на здравеопазването на САЩ през 70-те години на миналия век, успя да завърши криоелектронна микроскопия. Той разработи софтуер, който може да създава 3D изображения с висока разделителна способност от няколко изображения с електронен микроскоп с ниска разделителна способност. Компютърът успява чрез разпознаване и комбиниране на повтарящи се модели в молекулната структура.

Решаващото предимство на това е, че информацията за изображението на няколко еднакви, произволно разпределени и подравнени молекули може да се комбинира чрез тази оценка. Още през 1981 г. Франк успя да генерира първите изображения с висока разделителна способност на протеини, използвайки тези алгоритми. През 1991 г. изследователят комбинира своя софтуер с метода на приготвяне на Дюбочет, което му позволява да визуализира структурата на протеин в 3D за първи път.

Нова ера на биохимията

Междувременно комбинирането и усъвършенстването на трите метода е значително усъвършенствано криоелектронна микроскопия. От 2013 г. протеините и другите биомолекули, с изключение на атома, могат да бъдат прецизно картографирани, в снимки, които замразяват молекулите в средата на движение или в действие. "Този метод изведе биохимията в нова ера", казва комитетът за Нобелова награда. „Защото картината често е ключът към разбирането.“

(Фондация Нобел, 04.10.2017 - DAL)