Рождение новой микроскопии

Использование двух лазерных лучей – «толстого» и «тонкого» – для подавления бликов. Иллюстрация Physorg

В очередной раз нобелевские судьи вынесли «перекрестное» решение, дав премию по физике химикам-технологам, а химическую премию – за сугубо физическое достижение по преодолению запрета почти полуторавековой давности. Премия 2014 года по химии присуждена Стефану Хеллу, который родился в 1962 году в румынском городе Арад. Он окончил в 1990-м Гейдельбергский университет и сейчас возглавляет один из институтов в Геттингене. Именно Хелл придумал соединить для исследования светящихся – флюоресцирующих – молекул два лазерных луча, а также сканировать получаемые изображения и «накапливать» их в памяти компьютера для последующей обработки и получения «суммарных» изображений.

Два его американских коллеги, Уильям Морнер и Эрик Бетзиг, также были одержимы идеей преодоления дифракционного запрета, согласно которому в оптический микроскоп из-за естественной дифракции света невозможно увидеть две точки, расположенные ближе чем на 0,2 микрона (200 нанометров – нм) друг от друга. Указанное расстояние соответствует примерно половине усредненной длины волны видимого света.

Уильям Морнер родился в 1953 году в Калифорнии, но окончил в 1982-м Корнельский университет – далеко на востоке США, в г. Итака. Затем вернулся в родной штат и ныне пребывает в Стэнфордском университете. Там же, в Корнеле, провел свои студенческие годы третий лауреат Эрик Бетзиг, родившийся в университетском городе Энн-Арбор штата Мичиган.

Суть достижения Хелла заключается в том, что он придумал пропускать сквозь линзы оптического микроскопа узкий центральный луч лазера, который возбуждает свечение молекул в исследуемом образце. Но это свечение очень яркое и забивает своими бликами то, что хочется рассмотреть. Это очень похоже на то, что астрономы не любят лунных ночей, поскольку яркий свет естественного спутника Земли затмевает слабый свет далеких звезд и галактик.

Для решения проблемы нынешний лауреат придумал, как погасить блики с помощью второго лазерного луча с большим по диаметру «стаканом» падающего света. Хелл дал новому методу микроскопии название StED – Stimulated Emission Depletion, – что можно перевести как «убывание вызванной эмиссии» света. StED позволил сканировать препараты и строить с помощью компьютеров их яркие светящиеся изображения с нанометровым разрешением. Свой приоритет Хелл застолбил статьей 1995 года, опубликованной в журнале Optic Letters.

По другую сторону Атлантики два американца, как уже говорилось, тоже были независимо друг от друга одержимы идеей преодоления давнишнего запрета. Морнер двумя годами позже Хелла «застолбил участок» в более престижном издании – Nature. Он описал интересное наблюдение, касающееся включения и выключения флюоресценции отдельных молекул с помощью света разной длины волны. Все знали, что свет с волной 488 нм возбуждает флюоресценцию молекул, которая довольно быстро гаснет. Но лауреат не успокоился и обнаружил, что волна 405 нм вновь вызывает свечение, и тем самым доказал, что может оптически его контролировать. Дальнейшее усовершенствование метода позволило ему также преодолеть дифракционный предел микроскопии.

Бетзиг начинал как микроскопист «ближнего поля» – near-field microscopy, которой бредили технологи IBM, где он работал после окончания университета. С ее помощью микроэлектроника стремилась повысить степень микроминиатюризации при изготовлении электронных чипов. Суть near-field microscopy заключается в том, что чрезвычайно тонкий источник света приближается на несколько нанометров к образцу. Это позволяет выйти за пределы дифракционного ограничения.

Но идея эта показалась Бетзигу малопривлекательной, и он решил воспользоваться флюоресцентными белками, в частноcти, GFP («зеленый флюоресцирующий протеин»), ген которого был выделен из небольшой океанической медузки (за что со временем также была вручена Нобелевская премия). Бетциг исследовал лизосомы клетки, которые очень важны для понимания иммунитета и других клеточных процессов (в них происходит «лизис»-расщепление разных антигенов и веществ). В отличие от Хелла он использовал один и слабый лазерный луч, вызывающий свечение не всех сразу, а лишь нескольких молекул. Накопление изображений и их наложение позволяют получать яркие целостные изображения, впервые опубликованные в 2006 году в журнале Science. 

Впервые в истории науки ученые увидели живые клетки и процессы в них. Нобелевский комитет особо подчеркивает, что благодаря быстродействующим компьютерам изображения в клетках строятся в режиме реального времени и часто – в секундном разрешении.

Флюоресцентная микроскопия позволила каждому из лауреатов идти своим собственным путем. Хелл сконцентрировал внимание на нервных клетках и их синапсах, то есть точках соединений нейронных тел и их отростков. Морнер изучает молекулярные процессы в нейронах, нарушения которых ведут к развитию таких нейродегенеративных заболеваний, как паркинсонизм и болезнь Альцгеймера. Бетзига же заинтересовало клеточное деление и его закономерности на самых ранних этапах развития зародышей, поскольку множество проблем детства и последующей жизни коренятся именно на стадии внутриутробного развития плода.