перейти на мобильную версию сайта
да
нет
обновлено
4 октября 2017  13:48

Нобелевская премия по химии присуждена за развитие криптоэлектронной микроскопии

Шведская королевская академия наук назвала имена нобелевских лауреатов по химии. В этом году премия досталась троим ученым, внесшим вклад в «развитие криоэлектронной микроскопии высокого разрешения для определения структуры биомолекул в растворах». Трансляция объявления лауреатов велась на сайте Нобелевского комитета.

Нобелевские премии получат швейцарец Жак Дюбоше, американец Йоахим Франк и британец Ричард Хендерсон. Именно они смогли усовершенствовать метод криптоэлектронной микроскопии высокого разрешения, при котором структура белка определяется с атомарным разрешением.

Этот метод в отличие от предшествоваших ему не требует трудоемкого процесса по выращиванию монокристалла биомолекулы. Первым этот опыт в своей лаборатории смог провести Хендерсон. Он заморозил раствор белка в виде очень тонкого слоя (примерно 100 нанометров) так, чтобы молекулы белка не заслоняли друг друга при взгляде сверху вниз. Затем электронный микроскоп делает сотни тысяч фотографий молекул, склеивая которые, ученые получают его в виде трехмерного объекта. Созданная объемная модель с понятной структурой белка важна при производстве новых лекарственных препаратов и для понимания принципов работы клеток человека.

Примеры фотографий, полученных с помощью криоэлектронной микроскопии
Примеры фотографий, полученных с помощью криоэлектронной микроскопии
© Twomey et al/Nature 2017

После прорыва Хендерсона, который первым в мире получил структуру белка, его начинания подхватил Дюбоше. Швейцарец изобрел метод получения мономолекулярной пленки, которая необходима для фотографирования молекул. Позднее уже Франк сумел разработать принцип обработки полученных снимков и создания итогового трехмерного объекта.

Обновление (18.05): Специально для «Афиши Daily» о значимости развития криоэлектронной микроскопии высокого разрешения для определения структуры биомолекул в растворах рассказал заместитель заведующего Лаборатории перспективных исследований мембранных белков МФТИ Валентин Борщевский.

Зачем нужна криоэлектронная микроскопия

«Надо сказать, что в этом году вручена не первая Нобелевская премия за электронную микроскопию, поскольку за нее премию дали гораздо раньше — в середине 1980-х. В этом же году премия вручена за применение метода электронной микроскопии для исследования структур биологических молекул: белков, ДНК и так далее. Наш организм состоит из макромолекул, которые практически невозможно увидеть, узнать, как они устроены, что они из себя представляют. Есть ограниченное количество методов, которые могут это делать. До появления криоэлектронной микроскопии таких методов было только два. Один из них — метод рентгеноструктурного анализа, для которого нужно иметь огромную установку — синхротрон, это круг диаметром порядка километра и больше. Понятно, что такое в каждой лаборатории не поставишь. Другой метод — ЯМР (ядерный магнитный резонанс. — Прим. ред.), но у него есть существенное ограничение: он не может видеть большие молекулы, которые наиболее интересны для биологии».

Как устроена криоэлектронная микроскопия

«Замораживается не отдельная молекула, а раствор молекул. Они замораживаются в так называемом аморфном льду. Эту процедуру как раз и разработал один из номинантов этого года — Жак Дюбуше. Для того, чтобы это произошло, надо очень быстро, скажем так, кинуть тоненькую пленочку этого раствора в жидкий этан. Тогда вода очень быстро отдает тепло, и не образовываются кристаллики льда, которые очень мешают при сборе данных. Далее этот образец ставят под электронный микроскоп, под большую машину высотой в пять метров, и просвечивают пучком электронов.

Есть несколько причин, [из-за которых молекулы замораживают]. Основная состоит в том, если делать съемку при комнатной температуре, то электроны будут сильно повреждать молекулы, и это будет искажать получаемые данные. Чтобы данные меньше искажались, образец замораживают. Кроме того, заморозка нужна, чтобы молекулы меньше двигались. Это легко представить по аналогии с фотографией: если человек бежит, когда вы его фотографируете, то получается смазанное изображение.

На пути создания криоэлектронной микроскопии был ряд принципиальных сложностей. С одной стороны они связаны с тем, как готовить образец. Надо было придумать, как сделать так, чтобы объекты не сильно менялись, пока вы их исследуете. Этим занимался, насколько я понимаю, Жак Дюбуше, один из Нобелевских лауреатов. Кроме того, надо было придумать, каким образом по отдельным изображениям [молекул], воссоздать трехмерный образ объекта. Это легко представить. Вы берете камеру и начинаете фотографировать человека. У вас получается двухмерная картинка — вы не видите [человека] в объеме. Этим занимался Йоахим Франк, второй человек, который в этом году номинирован на Нобелевскую премию [по химии].

Все лауреаты сделали свои основные работы до примерно 1990-х годов, а премия вручается только сейчас. Причина в том, что революция в этой области произошла буквально в последние лет пять. Причины революции была даже не в том, что сделали лауреаты, а в том, что другие люди научились делать очень хорошие камеры, которые детектируют электроны. То, что стало триггером для этой Нобелевской премии, на самом деле произошло в другой области и меньше связано с людьми, о которых мы сейчас говорим».

Что криоэлектронная микроскопия даст человечеству

«Мы помним историю с вирусом Зика, который всех напугал. Люди стали разрабатывать лекарство, а недавно вышла статья о том, как увидели, каким образом вещество, разработанное против вируса Зика, взаимодействует с самим вирусом. То есть теперь вы буквально видите отдельную частицу вируса, видите отдельную молекулу антитела, которая с ним взаимодействует, и можете понять, как улучшить это антитело, в чем могут быть его недостатки.

Почему это важно? Это позволяет вам анализировать, как происходят биологические процессы. Если говорить о чем-то более конкретном, например, можно рассматривать рибосому, в которой происходит создание белков. Люди применяют разные вещества и смотрят, как они влияют на рибосому. Если вы узнаете, каким образом можно выключить эту рибосому, то фактически создадите новый антибиотик. Можно много примеров привести. Есть исследования, которые посвящены тому, как бактериофаги проникают в бактерии. А теперь люди могут увидеть, каким образом происходит это взаимодействие с точностью до мельчайших движений отдельных молекул.

Нобелевская премия дана небольшим авансом. Сейчас в этой области идет очень сильный прогресс, люди учатся при помощи микроскопа изучать все более мелкие объекты. Недавно показали, что электронная микроскопия может быть использована для изучения связывания лиганд с белками. Если это действительно так — а если это не так, то в ближайшем будущем это точно случится, — то появляется возможность смотреть, как лекарства или кандидаты на лекарства взаимодействуют со своими мишенями. Это открывает в перспективе быстрый путь к тому, чтобы проверять новые претенденты на лекарства. Поскольку такой микроскоп может позволить себе любая лаборатория, у которой есть достаточно денег, то можно ожидать большой прорыв в этой области».

Почему Нобелевскую премию не дали за метод редактирования генома человека

«Возможно, [авторам технологии редактирования генома CRISPR] не дали [Нобелевскую премию], потому что все ждут реального подтверждения, что это поможет человечеству с медицинской точки зрения. Есть очень большие надежды, но мне неизвестно, чтобы получилось кого-то вылечить. Эти проекты начаты, они идут, думаю, что результаты будут в ближайшие годы, может в следующем году. Это не единственная ситуация такого рода. Потенциальная премия, которая в этом году может чуть меньше обсуждалась, была за оптогенетику, технология, с помощью которого светом можно активировать нейроны, мышцы и другие клетки. Это еще одна большая надежда исследователей и медиков на создание метода, который позволит лечить нейродегенеративные заболевания, проблемы с сердцем и много чего еще. Ситуация точно такая же: есть метод, который очень перспективен, которого буквально все ждут. Каждую неделю мы пролистываем новый Nature и ждем, когда же будет показано первое серьезное медицинское применение технологии. Но пока это не показано, думаю, Нобелевскую премию придется подождать».

Жак Дюбоше родился в швейцарском городе Эгле в 1942 году. Защитив докторскую диссертацию по биофизике в 1973 году сразу в двух университетах, Базеля и Женевы, он начал преподавать в Лозанне.

Йоахим Франк родился в Зигене, Германия, в 1940 году. В 1970 году получил докторскую степень по биохимии и молекулярной биофизике в Мюнхенском университете, после чего переехал в США и начал преподавать в Колумбийском университете.

Ричард Хендерсон родился в 1945 году в Эдинбурге. Защитив докторскую диссертацию в Кембриджском университете, он продолжил вести там же научные исследования в области молекулярной биологии.

Лауреаты Нобелевской премии 2017 года получат премию в размере 9 миллионов шведских крон (1,1 миллиона долларов). С этого года размер денежного вознаграждения был увеличен почти на 13%. Ученые получат премии на традиционном мероприятии в Стокгольме, которое пройдет 10 декабря.

Ранее стали известны имена обладателей Нобелевской премии по физиологии и медицине, получившие награду за исследования молекулярных механизмов, лежащих в основе циркадных ритмов, более известных как биологические часы, у всех живых существ.

Накануне были объявлены имена нобелевских лауреатов по физике. Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри Бэриш разделили премию в размере 1,1 миллиона долларов «за решающий вклад в детектор LIGO и за наблюдение гравитационных волн».

Котик «Афиши Daily» присылает ровно одну хорошую новость в день. Его всегда можно прогнать и отписаться.
Топ-новости
Лучшее за день

Другие материалы по темам

Ошибка в тексте
Отправить