Быстрозамороженные биомолекулы

Электронный микроскоп позволил рассмотреть, как функционирует живой механизм

Электронный микроскоп позволил рассмотреть, как функционирует живой механизм

Нобелевская премия по химии в этом году была присуждена международному коллективу, представленному швейцарцем, немцем-баварцем и шотландцем.

Жак Дюбоше родился в 1942 году в швейцарском городке Эгль (Aigle), название которого переводится как «Орел». Научную карьеру он связал на всю жизнь с Лозаннским университетом. Там и сделал свое основное усовершенствование классической электронной микроскопии. Иоахим Франк родился в 1940 году в баварском городке Зигель и на момент присуждения премии является сотрудником Колумбийского университета в Нью-Йорке. Ричард Хендерсон появился на свет в 1945 году в столице Шотландии – Эдинбурге. А трудится Хендерсон в Кембриджском университете.

Кстати, именно в Кембридже в свое время Розалинд Франклин совершила чудо, получив четкие рентгенограммы кристаллов ДНК, на основе которых Френсис Крик и Джеймс Уотсон предложили модель двуцепочной спирали вещества генов. При наличии таких предшественников трудно было не воспылать мечтой об атомах и молекулах.

Надо сказать, что идее использования электронного луча для «рассмотрения» мельчайших деталей строения живого и неживого вот уже скоро целый век. И связана она с тем, что длина волны электрона намного меньше, нежели видимого света (сотни нанометров). Для микроскопии это сравнимо с использованием портновского деревянного метра и микронного измерителя. В самом начале 1930-х идею запатентовал немец Р. Руденберг, а через год после него другой немец Э. Руска создал первый прототип, за который ему в 1986 году дали Нобелевскую премию. Вместе с ним в Стокгольм вызвали Г. Биннинга и Г. Рорера, которые создали сканирующий туннельный микроскоп. С помощью его остро заточенного «стиля», с конца которого стекает туннельный ток, удалось впервые увидеть расположенные на поверхности атомы и молекулы, которые удается даже перемещать с места на место.

Электронный микроскоп изменил также наше видение клеток, бактерий и вирусов, о внутренних структурах которых ученые даже не подозревали. За революцию, произведенную в науках о живом, К. де Дюву, А. Клоду и Ж. Паладе вручили Нобелевскую премию 1974 года. К сожалению, на долгие 30 лет электронная микроскопия вышла из моды, что было связано с тем, что метод и сами микроскопы довольно дороги, трудоемки и на фоне бурно развивающейся молекулярной биологии малоинформативны. И все же пепел старой идеи бил в сердца одиночек, которые не желали мириться, казалось бы, с непреодолимыми ограничениями методического характера.

Сначала Ричард Хендерсон в 1990 году достиг успеха в использовании электронного микроскопа для получения трехмерных изображений молекул, добившись атомного разрешения. Но он не помог «изжить» недостатки микроскопа, хотя и показал резкое расширение его технологического потенциала.

Дюбоше более 10 лет, начиная с 1975 года, потратил на то, чтобы создать метод получения привычных двумерных изображений биомолекул, размещаемых подобно кускам мяса на прутьях гриля. Естественно, что вместо «макрогриля» он использовал тончайшие металлические сетки (mesh), на которых раствор с биомолекулами образует тонкую пленку. Затем проводят витрификацию, или остекление (сравни: стекловидное тело глаза corpus vitrum), среды вокруг образца. После его охлаждения с помощью жидкого азота при температуре 196 градусов ниже нуля образец исследуется под электронным микроскопом. Благодаря азоту новый метод получил название «криоэлектронная микроскопия» (крио-ЭМ).

Но надо было еще разработать метод получения 3D-изображений биомолекул, что легло на плечи Франка. Тот использовал компьютер для «сегрегации» и дискриминации полученных 2D-изображений, «отбрасываемых» на нечеткий фон. Такой подход позволяет отсортировывать сходные картины и объединять их в соответствующие группы. Последующий анализ тысяч двумерных изображений дает в конечном итоге четкие HD (High Definition) трехмерные реконструкции. Дальнейшее совершенствование метода позволило в 2013 году достичь атомного разрешения, что и было с энтузиазмом отмечено всем научным сообществом, а затем и Нобелевским комитетом.

Можно усомниться в критериях, которыми руководствовались его члены, поскольку метод вряд ли можно отнести к химическим модификациям, синтезу и анализу. Но это только на первый взгляд, поскольку биологи, в том числе и молекулярные, а главное, биохимики и фармацевты впервые увидели с подобным разрешением природные молекулы белков и нуклеиновых кислот в их молекулярной динамике. А это очень важно для понимания механизмов жизни и возможности создания новых лекарств направленного действия.

Комитеты в Стокгольме чаще всего раздают свои награды финансово успешным достижениям ученых и их помощников. Поэтому опять не дали премию создателям молекулярных ген-редакторов, нацеливание которых также требует точного знания пространственных изгибов ДНК для соответствующих атак редакторских «ножниц».