Nobel z chemii za mikroskopię zamrożonych cząsteczek

Tegoroczną Nagrodą Nobla z chemii podzielili się Jacques Dubochet, Joachim Frank i Richard Henderson, dzięki którym nauka zyskała nowe narzędzie badawcze – mikroskopię krioelektronową. Pozwala ona badać z dużą rozdzielczością strukturę cząsteczek biologicznych w roztworze, uprzednio zamrożonych w temperaturze ciekłego azotu.

Królewska Szwedzka Akademia Nauk doceniła ich – jak uzasadniono w środę podczas konferencji w Sztokholmie – „za prace nad metodą mikroskopii krioelektronowej, pozwalającej na określanie w wysokiej rozdzielczości struktury biocząsteczek w roztworach”.

Mówi się, że jeden obraz wart jest tysiąc słów. Mikroskop, teleskop, promieniowanie rentgenowskie, mikroskop elektronowy, ultrasonografia, rezonans magnetyczny – pozwoliły dostrzec to, co wcześniej było niedostrzegalne i miały przełomowe znaczenie zarówno dla nauki teoretycznej, jak i stosowanej. Ukazały niewidoczne dla ludzkiego obiekty i zjawiska, których istnienia i natury wcześniej można się było tylko domyślać.

Mikroskopia krioelektronowa obrazuje maleńkie cząsteczki biologiczne lepiej i prościej. Umożliwia oglądanie kluczowych dla naszego życia białek z rozdzielczością pozwalającą dostrzec poszczególne atomy. Pozwala zobaczyć białka w ich naturalnym środowisku, a także badać ich interakcje zachodzące bezpośrednio w komórkach. Wcześniej badanie tych białek opierało się na mającej niską rozdzielczość mikroskopii świetlnej – albo na technikach polegających na uprzednim usunięciu białek z ich naturalnego środowiska.

Tradycyjna mikroskopia elektronowa pozwala osiągnąć znacznie wyższą rozdzielczość, niż mikroskop świetlny, ale wymaga kłopotliwych zabiegów: próbkę trzeba poddać działaniu toksycznych związków chemicznych lub pokryć ją cieniutką warstwą metalu, na przykład złota. Takie czynności niszczą jednak naturalne struktury. Także sama wiązka elektronów działa niszcząco na białka czy wirusy. Dlatego na biochemicznych mapach wciąż pozostawały białe plamy – niektórych białek nie udawało się zobrazować.

Mikroskopia krioelektronowa nie wymaga tak kłopotliwych zabiegów przygotowawczych. Badane próbki są zamrażane za pomocą etanu, schłodzonego przy pomocy ciekłego azotu, a następnie oglądane w wysokiej próżni za pomocą mikroskopu elektronowego (obraz tworzony jest przy użycia komputera). Możliwe jest zamrożenie białek „na gorącym uczynku” i dostrzeżenie procesów wcześniej niewidzianych. Ma to ogromne znaczenie nie tylko dla zrozumienia procesów życiowych, ale i opracowania nowych leków.

Jeden z tegorocznych noblistów – Joachim Frank – rozwinął technikę mikroskopii elektronowej, rozszerzając jej zastosowanie. Pomiędzy rokiem 1975 a 1986 opracował metodę obróbki obrazu, która dzięki analizie rozmytych, dwuwymiarowych obrazów z mikroskopu elektronowego pozwoliła uzyskać ostry obraz trójwymiarowy, o wyjątkowo dużej głębi ostrości.

Drugi z noblistów – Jacques Dubochet – rozwiązał problem wody. Próżnia panująca w mikroskopie elektronowym sprawia, że woda odparowuje, a pozbawione jej wsparcia cząstki biologiczne ulegają zniekształceniu. Na początku lat 80. XX wieku Dubochetowi udało się zeszklić (zwitryfikować wodę) – ochłodzić ją tak szybko, że stała się szklistym ciałem stałym, co pozwoliło cząsteczkom biologicznym zachować naturalny kształt.

W roku 1990 Richard Henderson – trzeci nagrodzony Noblem – po raz pierwszy dzięki mikroskopowi elektronowemu uzyskał trójwymiarowy obraz białka, mający rozdzielczość sięgającą atomów.

Wprowadzane z czasem udoskonalenia sprawiły, że obecnie badacze analizując komputerowo obrazy wielu identycznych cząsteczek biologicznych rutynowo tworzą obrazy trójwymiarowej struktury takiej cząsteczki – od białek pozwalających bakteriom uniknąć działania antybiotyku po szczegóły budowy powierzchni wirusa Zika. Rozwój biochemii uległ ogromnemu przyspieszeniu.

Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

*