Nobelova cena za chémiu pre kryo-elektrónovú mikroskopiu

Cena za kľúčovú metódu biochémie

Kryo-elektrónová mikroskopia poskytuje jedinečný pohľad na štruktúru biomolekúl. © Martin Högbom / Kráľovská švédska akadémia vied
čítať nahlas

Vhľad do molekúl života: Jacques Dubochet, Joachim Frank a Richard Henderson - traja vedci, ktorí vyvinuli kryo-elektrónovú mikroskopiu - dostanú tohtoročnú Nobelovu cenu za chémiu. Táto metóda umožnila vidieť biomolekuly v činnosti a ich atómové mapovanie. Vďačíme za také veľkolepé obrazy, ako sú baktérie útočiace na bunky, fotosyntetické molekuly zachytávajúce svetlo alebo štruktúra vírusu Zika.

Biomolekuly, ako sú proteíny, DNA alebo RNA, boli dlho biochémiou. Hoci vedci dokázali uzavrieť štruktúru týchto molekúl pomocou röntgenovej kryštalografie, tieto obrázky ukazujú iba biomolekuly v kryštalizovanej, stuhnutej forme. Ako sa tieto zložité spojenia pohybujú a ako spolu vzájomne pôsobia, zostalo do značnej miery neznáme. Okrem toho mnoho biomolekúl nemôže kryštalizovať, a tak úplne uniklo nášmu názoru.

Elektrónová mikroskopia je tiež vhodná len na zobrazovanie takýchto biomolekúl. Aby sa lúče odrážali a tým odhalila jeho štruktúra a tvar, musí sa vzorka dôkladne pripraviť, vysušiť a napríklad napariť soľami ťažkých kovov. Toto spracovanie však mení veľa biomolekúl a môže ich dokonca zničiť.

Richard Henderson: Cukor a slabé žiarenie

Brit Richard Henderson s touto situáciou nechcel byť spokojný. Vo svojom laboratóriu v Cambridge pracoval na metóde, pomocou ktorej by mohol vizualizovať fotosyntetický proteín bakteriorhodopsín. Jeho nápad: Nahradil vodu v proteínovom roztoku glukózovým roztokom, ktorý stabilizoval molekulu vo vákuu elektrónového mikroskopu.

Aby tvrdé elektrónové lúče nepoškodili citlivý proteín, Henderson a jeho kolegovia potom testovali, koľko informácií možno získať pri nižších dávkach žiarenia. Ukázalo sa, že kombináciou mnohých obrázkov je možné zhromaždiť dostatok údajov o molekulovej štruktúre, aby sa získal prvý užitočný obrázok. zobraziť

Na základe tejto techniky Henderson a jeho kolegovia v roku 1975 prvýkrát predstavili 3D model bakteriorodopsínu, ktorý ukázal, ako proteínový reťazec molekuly prenikol sedemkrát cez susednú bunkovú membránu. Ich obrázky s rozlíšením 0, 7 nanometrov boli najlepším obrazom akéhokoľvek proteínu, ktorý bol kedy vytvorený pomocou elektrónového mikroskopu. To však nebol prípad rozlíšenia až na atómovú úroveň a nie všetky molekuly sa mohli použiť na roztok cukru.

Jacques Dubochet: Studený šok pre molekuly

Riešenie tohto problému našiel Jacques Dubochet v Európskom laboratóriu molekulárnej biológie v Heidelbergu. Objavil, ako možno zabrániť tomu, aby sa molekuly vo vodnom roztoku vysušili vo vákuu elektrónového mikroskopu. Už pred ním sa vedci snažili vzorky jednoducho zmraziť, ale kryštály ľadu rušili elektrónové lúče a tým aj obraz.

Schematické znázornenie metód Dubocheta a Franka Swedish Kráľovská švédska akadémia vied

Dubochetov roztok: Molekulárne roztoky ochladil tekutým dusíkom tak rýchlo a radikálne, že sa nemohli tvoriť žiadne ľadové kryštály. Namiesto toho voda stuhne na sklovitú pevnú látku, ktorá neporušuje žiarenie, čím umožňuje zobrazenie molekuly zachytenej v sklovitej vode. V roku 1984 Dubochet a jeho kolegovia prvýkrát použili túto metódu na mapovanie vírusov v riešení - čo je dôležitý krok vpred pre lekársky výskum.

Joachim Frank: Algoritmus zaostruje obraz

Joachimovi Frankovi, ktorý v 70. rokoch 20. storočia uskutočnil výskum na americkom ministerstve zdravotníctva, sa podarilo dokončiť kryoelektrónovú mikroskopiu. Vyvinul softvér, ktorý dokáže vytvárať obrázky 3D s vysokým rozlíšením z niekoľkých obrazov elektrónového mikroskopu s nízkym rozlíšením. Počítač uspeje rozpoznaním a kombináciou opakujúcich sa vzorcov v molekulárnej štruktúre.

Rozhodujúcou výhodou je to, že obrazové informácie niekoľkých identických, náhodne distribuovaných a zarovnaných molekúl sa môžu kombinovať týmto vyhodnotením. Už v roku 1981 bol Frank schopný pomocou týchto algoritmov generovať prvé obrázky proteínov s vysokým rozlíšením. V roku 1991 výskumník skombinoval svoj softvér s metódou prípravy Dubochet, čo mu umožnilo prvýkrát vizualizovať štruktúru proteínu v 3D.

Nová éra biochémie

Medzitým kombinácia a zlepšenie všetkých troch metód výrazne pokročilo v kryo-elektrónovej mikroskopii. Od roku 2013 je možné proteíny a ďalšie biomolekuly, s výnimkou atómu, presne zmapovať v snímkach, ktoré zmrazujú molekuly uprostred pohybu alebo v akcii. „Táto metóda priniesla biochémiu do novej éry, “ hovorí výbor Nobelovej ceny. „Pretože obrázok je často kľúčom k porozumeniu.“

(Nobel Foundation, 04.10.2017 - DAL)