Нобелевская премия по химии – 2017: новый взгляд на биомолекулы

Нобелевскую премию по химии в этом году дали Жаку Дюбоше, Ричарду Хендерсону и Йоахиму Франку – за разработку метода микроскопии, который позволяет нам увидеть биомолекулы такими, какие они есть.

Чтобы точно знать, как работают клеточные молекулы и молекулярные комплексы, нужно подробно изучить их структуру. Но до недавнего времени далеко не все биомолекулы можно было увидеть – существующие методы визуализации часто оказывались тут бессильны. Широко используемая в молекулярной биологии рентгеновская кристаллография тоже далеко не всегда даёт такую возможность. Проблема в том, что молекулы и их комплексы приходится помещать в среды, которые сильно отличаются от условий живой клетки, и в таком окружении молекула вполне может изменить свою форму (претерпеть конформационные изменения), и предстать перед нашим взором совсем не в том виде, в котором она работает «вживую». Кроме того, та же рентгеноструктурная кристаллография требует кристаллизовать биологический образец, что не всегда возможно.

Криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ). за которую в этом году и дали Нобелевскую премию по химии, существенно расширила в этом смысле возможности исследователей. С её помощью можно увидеть многие молекулярные процессы, и, соответственно, более глубоко понять химию живого организма, без чего невозможно, например, разрабатывать новые, более эффективные лекарства. 

В крио-ЭМ биологический образец исследуют при очень низких температурах – обычно при температуре жидкого азота. В обычной электронной микроскопии изображение нам дает мощный пучок электронов, который легко может повредить биологический образец, с другой стороны, в высоком вакууме электронного микроскопа вода очень быстро испаряется, и биомолекулы и их комплексы, лишившись естественного водного окружения, меняет структуру и разрушаются.

Изначально криогенную электронную микроскопию разрабатывали, чтобы защитить образец от повреждений из-за радиации и иссушения. В начале 1980-х годов швейцарский биолог Жак Дюбоше (Jacques Dubochet) предложил помещать биообразцы в затвердевшую воду. Но «затвердевшую» не означает просто «замерзшую». Дюбоше разработал метод стеклования воды: он охлаждал её настолько быстро, что при затвердевании вода вокруг образца сохраняла ту структуру, которую имела в жидком виде. Биомолекула, заключённая в такую «стеклоледышку», сохраняла свою природную форму даже в условиях вакуума.

Практически в это же время, между 1975–1986 годами, немецкий биофизик Йоахим Франк (Joachim Frank) занимался тем, что пытался найти способ, как из весьма мутных двухмерных изображений, получаемых в электронном микроскопе, сделать трехмерное изображение микроскопируемой структуры. В итоге ему удалось разработать метод получения трехмерных изображений, опирающийся на сравнение и анализ двумерных «электронных» картинок, и метод этот широко используется до сих пор.

Шотландский биолог Ричард Хендерсон (Richard Henderson) в 1990 году с помощью крио-ЭМ впервые получил трёхмерное изображение белка бактериородопсина с атомным разрешением.

С тех пор криоэлектронная микроскопия постоянно совершенствовалась, и, наконец, в 2015 году появилась публикация, где была представлена карта бактериального фермента бета-галактозидазы с разрешением 2,2 Å (один ангстрем – приблизительный диаметр электронной орбиты в атоме водорода). Метод криоэлектронной микроскопии стал рутинным, и в последние годы научная литература изобилует изображениями самых разных трёхмерных структур – от белков, обуславливающих устойчивость к антибиотикам, до вируса Зика.

По материалам Нобелевского комитета.