Нобелевскую премию по химии дали за флуоресцентную микроскопию высокого разрешения

Работы Штефана Хелля, Эрика Бетцига и Уильяма Мернера позволили разглядеть в клетке отдельные молекулы.

Чтобы рассмотреть клетку и её содержимое, мы должны взять микроскоп. Его принцип работы относительно прост: лучи света проходят через объект, а потом попадают в увеличительные линзы, так что мы можем разглядеть и клетку, и некоторые органеллы внутри неё, например, ядро или митохондрии.

Но если мы захотим увидеть молекулу белка или ДНК, или рассмотреть крупный надмолекулярный комплекс вроде рибосомы, или вирусную частицу, то обычный световой микроскоп окажется бесполезен. Ещё в 1873 году немецкий физик Эрнст Аббе вывел формулу, полагающую предел возможностям любого светового микроскопа: оказывается, в него нельзя увидеть объект, размером меньше половины длины волны видимого света – то есть меньше 0,2 микрометров.

  Решение, очевидно, состоит в том, чтобы выбрать нечто, что смогло бы заменить видимый свет. Можно использовать пучок электронов, и тогда мы получим электронный микроскоп – в него можно наблюдать вирусы и белковые молекулы, но наблюдаемые объекты при электронной микроскопии попадают в совершенно неестественные условия. Поэтому исключительно удачной оказалась идея Штефана Хелля (Stefan W. Hell) из Института биофизической химии Общества Макса Планка (Германия), которому в начале 90-х голов пришла в голову мысль использовать для визуализации макромолекул и их комплексов стимулированное флуоресцентное излучение.

Суть идеи состояла в том, что объект можно облучить лазерным лучом, который переведёт биологические молекулы в возбуждённое состояние. Из этого состояния они начнут переходить в обычное, освобождаясь от излишков энергии в виде светового излучения – то есть начнётся флуоресценция, и молекулы станут видимыми. Но излучаемые волны будут самой разной длины, и у нас перед глазами будет неопределённое пятно. Чтобы такого не случилось, вместе с возбуждающим лазером объект обрабатывается гасящим лучом, который подавляет все волны, кроме тех, которые обладают нанометровой длиной. Излучение с длиной волны порядка нанометров как раз позволяет отличить одну молекулу от другой.

Метод получил название STED (stimulated emission depletion), и как раз за него Штефан Хелль получил свою часть Нобелевской премии. При STED-микроскопии объект не охватывается лазерным возбуждением сразу целиком, а как бы прорисовывается двумя тонкими пучками лучей (возбудителем и гасителем), потому что чем меньше область, которая флуоресцирует в данный момент времени, тем выше разрешение изображения.

Метод STED впоследствии дополнился так называемой одномолекулярной микроскопией, разработанной в конце XX века независимо двумя другими нынешними лауреатами, Эриком Бетцигом (Eric Betzig) из Института Говарда Хьюза и Уильямом Мернером (William E. Moerner) из Стэнфорда. В большинстве физико-химических методов, полагающихся на флуоресценцию, мы наблюдаем суммарное излучение сразу множества молекул. Уильям Мернер как раз предложил способ, с помощью которого можно наблюдать за излучением одной молекулы. Экспериментируя с зелёным флуоресцентным белком (GFP), он заметил, что у его молекул свечение можно произвольно включать и выключать, манипулируя длиной возбуждающей волны. Включая и выключая флуоресценцию разных молекул GFP, их можно было наблюдать в световой микроскоп, не обращая внимания на нанометровое ограничение Аббе. Целое изображение можно было получить, просто совместив несколько снимков с разными светящимися молекулами в поле наблюдения. Эти данные были дополнены идеями Эрика Бетцига, который предложил увеличить разрешение флуоресцентной микроскопии, использовав белки с разными оптическим свойствами (то есть, грубо говоря, разноцветные).

Совмещение метода возбуждения-гашения Хелля с методом суммы наложений Бетцига и Мернера позволило разработать микроскопию с нанометровым разрешением. С её помощью мы можем наблюдать не только органеллы и их фрагменты, но и взаимодействия молекул друг с другом (если молекулы пометить флуоресцентными белками), что, повторим, далеко не всегда возможно с электронно-микроскопическими методами. Значение метода трудно переоценить, ведь межмолекулярные контакты – это то, на чём стоит молекулярная биология и без чего невозможно, например, ни создание новых лекарств, ни расшифровка генетических механизмов, ни многие другие вещи, лежащие в поле современной науки и техники.

Подготовлено по материалам Нобелевского комитета.