Заморозить, сфотографировать, объединить: за что дали Нобеля по химии

Нобелевская премия по химии в этом году досталась Жаку Дюбоше, Иоахиму Франку и Ричарду Хендерсону «за разработку криоэлектронной микроскопии для определения структуры биомолекул с высоким разрешением в растворе». Что это такое и почему это важно – в материале «Футуриста»

Кто все эти люди?

В этом году Нобелевская премия по химии досталась интернациональной команде ученых: Жак Дюбоше работает в Университете Лозанны в Швейцарии, немец Иоахим Франк – в Колумбийском университете в Нью-Йорке, а шотландец Ричард Хендерсон связан с Лабораторией молекулярной биологии MRC в Кембридже (США). Их работы посвящены криоэлектронной микроскопии.

Ъ
Жак Дюбоше, Иоахим Франк и Ричард Хендерсон

В рамках этого метода образцы исследуются при очень низких (криогенных) температурах ниже 120 К или -153,15°C – точки, в которой природный газ превращается в жидкость – и до температуры 0,7 K (-272,45 °C, температура получения жидкого гелия под вакуумом). Обычно образец помещают в жидкий азот.

И для чего нужен этот метод?

Как поясняет Шведская королевская академия наук, криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ) упрощает и улучшает визуализацию биомолекул". Она популярна в структурной биологии, которая изучает строение сложных молекул. Такими макромолекулами являются белки, ДНК и РНК.

Электронные микроскопы долго считались пригодными только для изображения мертвого вещества, потому что мощный электронный пучок разрушает биологический материал. Кроме того, ученым приходилось окрашивать или фиксировать образцы, чтобы их можно было разглядеть в микроскоп. Еще одно ограничение: наблюдения можно проводить только в вакууме, что является жесткой средой для молекул.

Работа ученых, добавляет академия, "открыла новую эру в биохимии" и предоставила новые способы увидеть сложные процессы, которые происходят в человеческих клетках. Крио-ЭМ позволила ученым наблюдать за живыми молекулами в родной среде, расширив возможности для исследования и облегчив процесс подготовки препарата. Из полученных изображений можно собрать видео, рассказывающие о жизни внутри клетки. Исследования Дюбоше, Франка и Хендерсона позволили с 2013 года получать трехмерные изображения биологических образцов на микроскопическом уровне.

Как Дюбоше, Хендерсон и Франк пришли к открытию?

Ученые долго искали способы избежать радиологического повреждения образцов при наблюдении в электронный микроскоп. Кроме того, необходимо было решить проблему вакуума. Поначалу это пытались сделать с помощью негативного окрашивания, при котором окрашивается не сама молекула, а фон вокруг нее, и объект наблюдения становится четко виден в микроскоп. Однако структура молекулы все равно менялась, так как образец приходилось "высушивать". Поэтому предложили рассматривать объект в куске льда, который бы фиксировал форму молекулы. Но при замораживании вода превращается в кристаллы, которые сдавливают и разрушают хрупкие молекулы.

Молекулярная модель на основе криоэлектронной микроскопии вируса венесуэльского энцефалита. Фото предоставлено доктором Вах Чиу, профессором биохимии медицинского колледжа Бэйлор.

В начале 1980-х годов группы ученых, изучавшие физику твердого тела, пытались создать аморфный лед (или стекловидную воду), атомы которого расположены в хаотичном порядке, вне кристаллической решетки. Они предлагали разные способы, такие как замораживание под высоким давлением или мгновенная заморозка до температуры ниже точки стеклования воды – чтобы атомы не успели кристаллизоваться. Применить эти технологии в микроскопии удалось группе Жака Дюбоше из Европейской лаборатории молекулярной биологии: в 1984 году они показали изображения аденовируса, вмерзшего в остеклованный слой воды. Эта статья стала точкой отсчета в истории криоэлектронной микроскопии. Дюбоше так быстро охлаждал воду, что лед "обтекал" биологический образец, как если бы он был жидким. Это позволяло макромолекулам сохранять свою естественную форму даже в вакууме.

В 1981 году Иоахим Франк и его коллеги представили метод, позволяющий сортировать двухмерные изображения блеклых, хаотичных частиц в растворе по их ориентации в пространстве и структурным особенностям и объединять их в 3D-изображение. Ученый разработал многие важные математические инструменты для анализа изображений и собрал их вместе в компьютерной программе SPIDER.

Ричард Хендерсон продемонстрировал, что посредством крио-ЭМ можно получить структуры атомного разрешения биомолекул. В 1990 году ему удалось использовать электронный микроскоп для создания трехмерного изображения белка с атомным разрешением. Это был настоящий прорыв, доказавший потенциал крио-ЭМ.

Какие еще способы наблюдения существуют?

twit text

— The Nobel Prize (@NobelPrize) 4 октября 2017 г.

Рентгеновская кристаллография. Этот метод основан на явлении рентгеновской дифракции – рассеяния пучка рентгеновских лучей атомной структурой кристалла. Он требует кристаллизации образца, что может быть затруднено. Кроме того, препарат приходится помещать в неестественные для него среды, что неизбежно приводит к изменениям в макромолекулы и искажает результаты наблюдения.

А какие недостатки у крио-ЭМ?

Фотография белка галактозидазы. Слева – уровень детализации, которого криоэлектронная микроскопия позволяла добиться чуть более 5 лет назад. Справа – демонстрация современных возможностей крио-ЭМ, которые позволяют разглядеть молекулы воды, связывающие белок

Долгое время основным недостатком криомикроскопии было ее низкое разрешение — не более 0,5 нм. Однако недавние исследования позволили вывести ее на новый уровень. Например, благодаря команде ученых из Мэрилендского подразделения Национальных институтов здравоохранения США, разрешение увеличилось до 0,22 нм. Таким образом, криомикроскопия сравнялась с традиционными методами.

Как лауреаты отреагировали на новость о награждении?

"Обычно меня будит моя собака, но сегодня это была Нобелевская премия", – так ответил Иоахим Франк на звонок председателя Нобелевского комитета.