Шведская королевская академия наук объявила о присуждении Нобелевской премии по химии за 2017 год швейцарцу Жаку Дюбоше, американцу Йоахиму Франку и британцу Ричарду Хендерсону. Ученые были отмечены высокой наградой за вклад в развитие криоэлектронной микроскопии – революционного метода определения структур молекул с высоким разрешением.
Данная методика открывает открывает совершенно новые перспективы перед биохимией, убеждены в Нобелевском комитете. Ведь она позовляет делать то, что раньше было недоступно: определять состав сложнейших белковых и мультибелковых структур.
Криоэлектронная микроскопия позволяет определять структуру тех соединений, которые нельзя снять ни при помощи ядерно-магнитного резонанса, ни при помощи кристаллографии. Причем этот метод позволяет устанавливать структуры отдельных молекул в их нативном состоянии – то есть необходимом для функционирования в живой клетке, а не в кристалле, как это делалось раньше.
Изменения в изображении биомолекул, связанные с работами нобелевских лауреатов 2017 года
Когда Эрнст Руска изобрел и продемонстрировал электронный микроскоп (за который он тоже получил свою Нобелевку в 1986-м), с помощью которого можно увидеть позиции отдельных атомов, другой ученый, Ладислав Мартон, написал статью о том, что новым методом трудно изучать биологический материал, ведь биомолекулы и клетки разрушаются под действием потока электронов. Этот поток должен был быть очень слабым, чтобы не повредить образцы, но такой слабый поток давал плохое разрешение. Для электронной микроскопии образец должен был быть тонким и плоским, что тоже усложняло задачу: приходилось достраивать 3D-модели изучаемых молекул (например, белков) из двухмерной проекции.
Естественно, об изучении живых клеток не могло быть и речи, а ведь в разрушенном состоянии они выглядят совсем не так, как во время работы. К тому же, электронному микроскопу нужен был вакуум, а в нем испарялась вся вода, которая помогает биомолекулам поддерживать их естественную форму. Все это было сложно и неудобно – до тех пор, пока не появилась криоэлектронная микроскопия.
Ричард Хендерсон работал с белками в Кембридже, используя рентгеновскую кристаллографию – метод, с помощью которого Розалинд Франклин получила знаменитые изображения, на основе которых Уотсон и Крик построили модель двойной спирали ДНК. Все было хорошо, пока Хендерсон не занялся мембранными белками, находящимися в оболочке клетки. «Вынутые» из своей естественной среды, они превращались в бесполезную запутанную кучу атомов. Один из них Хендерсон не смог выделить в достаточный количествах, другой не удавалось кристаллизовать.
Но все изменилось, когда Хендерсон взялся за светочувствительный белок бактериородопсин. Ученый решил не вытаскивать его из мембраны, а поместил целый кусок мембраны под электронный микроскоп вместе с ним. Чтобы структура не разрушилась, ее покрыли раствором глюкозы. Чтобы не повредить образец мощным потоком электронов, ученые пустили более слабый луч. Изображение, как и ожидалось, вышло не очень четким и контрастным, но тут они применили тот же математический метод, что и при рентгеновской кристаллографии, – это позволила сама структура белков, которые располагались в мембране ориентированными в одном и том же направлении. Картинки, полученные с разных углов зрения, показали, что белок извивается, семь раз проходя сквозь мембрану (теперь такие белки известны под названием семиспиральных рецепторов). Это было изображение лучшего качества из всех, когда-либо полученного с помощью электронного микроскопа.
Разрешение в семь ангстрем впечатлило многих, но Хендерсон не желал останавливаться: ему хотелось достичь такого же разрешения, как и при рентгеновской кристаллографии, в три ангстрема. Со временем стали лучше линзы, появились и технологии заморозки, позволяющие сохранить образец в жидком азоте. Для получения более четкого изображения бактериородопсина Хендерсон ездил по разным лабораториям, используя лучшие электронные микроскопы в мире. У всех их были те же недостатки, но они дополняли друг друга. И только в 1990 году, спустя 15 лет с получения первой, неказистой, на современный взгляд, картинки, Хендерсон достиг своей цели. Он показал, что криоэлектронная микроскопия может быть полезна для изучения биомолекул, однако его бактериородопсин был упорядочен и был практически зафиксирован в мембране клетки. Очень мало других белков могут похвастаться тем же, поэтому биологи посчитали, что это все же очень ограниченный метод.
В это самое время по другую сторону Атлантики, в Нью-Йорке, Иоахим Франк уже давно работал над решением этой проблемы. Уже в 1975 году он придумал теоретический подход, но на реализацию его ушло много лет. Его идеей было создать компьютер, который может отличать случайно расположенные белки от хаотичного «заднего плана». Он придумал математический метод, позволяющий компьютеру находить разные повторяющиеся последовательности в изображении. Компьютер сортировал паттерны, объединяя похожие, чтобы получить усредненное, но более резкое изображение. Франк опубликовал несколько работ с двухмерными моделями белков высокого разрешения с разных углов зрения. Алгоритмы были готовы к 1981 году.
Следующим шагом стало создание алгоритма, который находит похожие 2D-картинки и сам соберет их в 3D-структуры. В середине восьмидесятых Франк опубликовал эту часть метода и взялся за грандиозное дело – построение модели поверхности рибосомы, гигантской молекулярной машины для сборки белка в клетке.
Еще чуть раньше, в 1978 году, другой ученый, Жак Дюбоше, занялся решением третьей части этой проблемы электронного микроскопа. Как мы помним, биомолекулы очень страдали, превращаясь в бесформенную массу, если испарялась вода вокруг них, а в вакуумной камере электронного микроскопа она обязательно испарялась. Простая заморозка не давала результатов: кристаллики льда, расширяясь по сравнению с водой, могли разорвать изучаемый белок и разрушить его структуру. Если Хендерсон повезло с бактериородопсином, то другие ученые мучались с немембранными белками, растворимыми в воде.
Дюбоше придумал сверхбыстрый способ заморозки с помощью жидкого азота – вода как бы «остекленевала», и поток электронов отлично отражался от нее и давал хорошее изображение. Это позволило отлично подготовить биологический материал к работе, что Дюбоше и доказал, опубликовав несколько структур вирусов, полученных этим способом, в 1984 году.
С этого момента исследователи начали обращаться к Дюбоше, чтобы научиться его методу. С ним встретился и Франк — для того, чтобы получить структуры поверхности рибосомы. Сочетание методов Дюбоше, Франка и Хендерсона легло в основу криоэлектронной микроскопии.
Источники
-
-
- +1
-
Зачем поддерживать автора?
Зачем поддерживать автора?
- - Любой текст это труд, если вам понравилась статья, то поддерживая автора - вы показываете, что оценили то, что он потратил свое время и силы.
- - Автор получает небольшую финансовую помощь от вас, у него появляется больше стимула сделать еще лучше.
- - Статья, которую поддерживают пользователи попадет в рейтинг по поддержке на главной странице Конта, что принесет ей больше просмотров и откликов, а значит, поддерживая статью вы помогаете автору продвигать его точку зрения.
Оценили 17 человек
32 кармы