Нобелевская премия по химии 2017

Уроженец Швейцарии Жак Дюбоше (фр. Jacques Dubochet), американец Йоахим Франк (нем. Joachim Frank) и Ричард Хендерсон (англ. Richard Henderson), авторы методов криоэлектронной микроскопии высокого разрешения для определения трехмерных структур биомолекул в растворе, стали лауреатами Нобелевской премии по химии 2017 г. Работа этих ученых, начало которой было положено еще в 80-х годах XX века, имеет поистине эпохальное значение — благодаря ей исследователи и ученые получили возможность детально рассматривать сложнейшие биологические молекулы. По заявлению Нобелевского комитета, метод криогенной микроскопии ознаменовал начало новой эры в биохимии и позволил расширить знания о живых системах и молекулах жизни.

Метод криогенной электронной микроскопии — это один из видов просвечивающей электронной микроскопии, адаптированный для изучения микробиологических объектов. Принцип работы просвечивающего электронного микроскопа заключается в следующем: через прозрачный для электронов образец (толщина которого, как правило, не превышает десятых долей микрона), пропускают пучок электронов. При проходе через образец, электроны меняют траектории движения, поглощаются, рассеиваются — все эти процессы можно зарегистрировать (обычно, для этого используется CCD матрица), проанализировать и получить изображение изучаемого объекта в плоскости, перпендикулярной потоку электронов. Преимущество электронной микроскопии заключается в том, что с ее помощью возможно различить существенно боле тонкие детали, чем при помощи оптической (включая флуоресцентную) микроскопии.

Предельное разрешение электронных микроскопов (десятые доли нанометра) позволяет различать на полученном изображении отдельные атомы. Тем не менее, метод электронной микроскопии имеет и определенные ограничения. Исследуемый образец требует специальной пробоподготовки, его необходимо поместить в вакуумную среду, а также образец подвергается заметному облучению пучком электронов. Сложные биологические молекулы и объекты, в которых присутствуют слабые связи, могут разрушаться в ходе исследования.

В 1934 году ученый-физик Ладислав Мартон (Ladislav Marton) предложил использовать замораживание биологических образцов для применения электронной микроскопии при их изучении, однако технические возможности позволили реализовать такой подход только в 70-80-х гг. XX века. Ричарду Хендерсону первому удалось получить изображение несимметричного белка с атомной разрешающей способностью используя метод электронной микроскопии с охлаждением образца. Йоахиму Франку удалось разрешить проблему обработки сигналов от хаотично расположенных молекул — он разработал алгоритм построения трехмерной модели на основе двумерных изображений , получаемых методом криоэлектронной микроскопии.

В настоящее время метод криоэлектронной микроскопии применяется, например, для исследования вируса Зика — во время эпидемии Зика в Бразилии ученые смогли получить информацию о строении вируса в течение нескольких месяцев.