Pencipta pupuk dan senjata kimia

Salah satu pemenang Hadiah Nobel yang paling kontroversial adalah Fritz Haber. Hadiah Kimia dianugerahkan kepadanya pada tahun 1918 atas penemuan metode sintesis amonia, sebuah penemuan yang sangat penting untuk produksi pupuk. Namun, ia juga dikenal sebagai "bapak senjata kimia" karena karyanya pada gas beracun klorin yang digunakan selama Perang Dunia Pertama.

Penemuan yang mematikan

Ilmuwan Jerman lainnya, Otto Han (gambar tengah), dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1945 atas penemuan fisinya inti atom. Meskipun dia tidak pernah mengerjakan penerapan militer atas penemuan ini, penemuan ini mengarah langsung pada pengembangan senjata nuklir. Gan menerima bonus tersebut beberapa bulan setelah bonus tersebut dibatalkan bom nuklir ke Hiroshima dan Nagasaki.

Dari Friedman hingga Obama: peraih Nobel paling kontroversial

Sebuah terobosan yang dilarang

Ahli kimia Swiss Paul Müller memenangkan hadiah medis pada tahun 1948 atas penemuannya bahwa DDT dapat secara efektif membunuh serangga yang menyebarkan penyakit seperti malaria. Penggunaan pestisida pernah menyelamatkan jutaan nyawa. Namun, belakangan para pemerhati lingkungan mulai berpendapat bahwa DDT menimbulkan ancaman bagi kesehatan manusia dan merusak alam. Saat ini penggunaannya dilarang di seluruh dunia.

Dari Friedman hingga Obama: peraih Nobel paling kontroversial

Hadiah yang Tidak Nyaman

Karena nuansa politiknya yang terang-terangan dan tersirat, Hadiah Perdamaian mungkin merupakan penghargaan Nobel yang paling kontroversial. Pada tahun 1935, pasifis Jerman Carl von Ossietzky menerimanya karena mengungkap persenjataan rahasia Jerman. Ossietzky sendiri dipenjara atas tuduhan pengkhianatan, dan Hitler yang marah menuduh komite tersebut mencampuri urusan dalam negeri Jerman.

Dari Friedman hingga Obama: peraih Nobel paling kontroversial

(Kemungkinan) Hadiah Perdamaian

Keputusan komite Norwegia untuk memberikan Hadiah Perdamaian kepada Menteri Luar Negeri AS Henry Kissinger dan pemimpin Vietnam Utara Le Duc Tho pada tahun 1973 mendapat kritik keras. Hadiah Nobel seharusnya menjadi simbol pengakuan atas pencapaian dalam mencapai gencatan senjata selama ini perang Vietnam Namun, Le Duc Tho menolak menerimanya. Perang Vietnam berlanjut selama dua tahun lagi.

Dari Friedman hingga Obama: peraih Nobel paling kontroversial

Libertarian dan diktator

Pendukung pasar bebas Milton Friedman adalah salah satu penerima Hadiah Nobel Perdamaian di bidang ekonomi yang paling kontroversial. Keputusan komite pada tahun 1976 memicu protes internasional karena hubungan Friedman dengan diktator Chili Augusto Pinochet. Friedman sebenarnya mengunjungi Chili setahun sebelumnya, dan para kritikus menyatakan bahwa idenya menginspirasi sebuah rezim di mana ribuan orang disiksa dan dibunuh.

Dari Friedman hingga Obama: peraih Nobel paling kontroversial

Harapan yang sia-sia

Hadiah Perdamaian, yang dibagikan pada tahun 1994 oleh pemimpin Palestina Yasser Arafat, Perdana Menteri Israel Yitzhak Rabin dan Menteri Luar Negeri Israel Shimon Peres, seharusnya menjadi insentif tambahan bagi penyelesaian konflik di Timur Tengah secara damai. Sebaliknya, negosiasi lebih lanjut gagal, dan Rabin dibunuh oleh seorang nasionalis Israel setahun kemudian.

Dari Friedman hingga Obama: peraih Nobel paling kontroversial

Memoar yang menyeramkan

Aktivis hak asasi manusia Rigoberta Menchú, yang membela kepentingan masyarakat Maya, menerima Hadiah Perdamaian pada tahun 1992 “atas perjuangannya untuk keadilan sosial.” Selanjutnya, keputusan ini menimbulkan banyak kontroversi, karena diduga ditemukan pemalsuan dalam memoarnya. Penggambarannya tentang kekejaman genosida masyarakat adat Guatemala membuatnya terkenal. Namun, banyak yang yakin bahwa dia memang pantas mendapatkan penghargaan tersebut.

Dari Friedman hingga Obama: peraih Nobel paling kontroversial

Hadiah yang terlalu dini

Ketika Barack Obama dianugerahi Penghargaan Perdamaian pada tahun 2009, banyak yang terkejut, termasuk dirinya sendiri. Setelah menjabat sebagai presiden kurang dari satu tahun pada saat itu, ia menerima penghargaan atas “usahanya yang luar biasa untuk memperkuat diplomasi internasional.” Para pengkritik Obama dan beberapa pendukungnya merasa penghargaan itu terlalu dini dan dia menerimanya sebelum sempat mengambil tindakan nyata.

Dari Friedman hingga Obama: peraih Nobel paling kontroversial

Penghargaan anumerta

Pada tahun 2011, Komite Nobel menobatkan Jules Hoffman, Bruce Beutler dan Ralph Steinman sebagai penerima Hadiah Kedokteran atas penemuan mereka di bidang sistem imun. Masalahnya, Steinman telah meninggal karena kanker beberapa hari sebelumnya. Sesuai aturan, hadiah tidak diberikan secara anumerta. Namun panitia tetap memberikannya kepada Steinman, dengan alasan bahwa kematiannya belum diketahui pada saat itu.

Dari Friedman hingga Obama: peraih Nobel paling kontroversial

"Kehilangan Terbesar"

Hadiah Nobel kontroversial bukan hanya karena siapa yang dianugerahinya, tetapi juga karena tidak ada yang pernah menerimanya. Pada tahun 2006, anggota Komite Nobel Geir Lundestad mengatakan bahwa “tentu saja kelalaian terbesar dalam 106 tahun sejarah kita adalah Mahatma Gandhi tidak pernah menerima Penghargaan Nobel perdamaian."


Hadiah Nobel Kimia tahun 2017 dianugerahkan atas pengembangan mikroskop krio-elektron resolusi tinggi untuk menentukan struktur biomolekul dalam larutan. Para pemenangnya berasal dari Universitas Lausanne, Joachim Frank dari Universitas Columbia dan dari Universitas Cambridge.

Mikroskop krio-elektron adalah suatu bentuk mikroskop elektron transmisi di mana sampel diperiksa pada suhu kriogenik.

Metode ini populer di biologi struktural, karena memungkinkan pengamatan spesimen yang belum diwarnai atau diperbaiki, menunjukkan spesimen tersebut di lingkungan aslinya.

Dengan kriomikroskopi elektron, pergerakan atom yang memasuki molekul melambat, sehingga diperoleh hasil yang sangat gambar yang jelas strukturnya. Informasi yang diperoleh tentang struktur molekul sangatlah penting, termasuk untuk pemahaman yang lebih mendalam tentang kimia dan pengembangan obat-obatan.

Banyak terobosan dalam sains yang melibatkan keberhasilan visualisasi objek yang tidak terlihat oleh mata manusia. Mikroskop optik memungkinkan untuk membuktikan keberadaan mikroorganisme, melihat sperma dan sel telur, mempelajari sebagian struktur sel dan bahkan melihat kromosom. Mikroskop elektron, yang menggunakan berkas elektron sebagai pengganti fluks cahaya, memungkinkan mengatasi keterbatasan fisik teleskop optik.

Namun, dia juga memiliki kekurangan. Pertama, pancaran elektron yang kuat menghancurkan material biologis. Kedua, agar elektron dapat berakselerasi, mereka memerlukan ruang hampa - oleh karena itu, obat harus berada dalam ruang hampa.

Oleh karena itu, tidak mungkin mempelajari sampel “hidup” dengan bantuannya.

Kontribusi Joachim Frank berkontribusi pada penyebaran metode ini secara luas. Pada tahun 1975-1986, ia mengembangkan metode pengolahan citra, yang terdiri dari analisis gambar yang diperoleh dengan menggunakan mikroskop elektron gambar dua dimensi dan konstruksi berdasarkan struktur tiga dimensi dari objek yang diteliti.

Jacques Dubochet menyarankan penggunaan air yang didinginkan dengan cepat untuk mengawetkan sampel. Mendinginkan sampel sebagai cara untuk mengawetkannya telah dipertimbangkan oleh para ilmuwan selama beberapa waktu. Namun, ketika air membeku dan kisi kristal terbentuk, struktur sampel hancur. Dan dalam bentuk cair, ia menguap dalam ruang vakum mikroskop elektron, sekali lagi menyebabkan kehancuran molekul yang diteliti.

Akhirnya, ditemukan cara untuk melewati fase kristalisasi dan memastikan bahwa air berubah menjadi keadaan seperti kaca. Metode ini disebut vitrifikasi.

Selama vitrifikasi, air mampu melindungi molekul dari kehancuran bahkan dalam ruang hampa.

Penemuan ini memberikan dorongan yang kuat bagi perkembangan mikroskop elektron. Pada tahun 2013, para ilmuwan mampu memeriksa bahkan atom-atom materi secara individu. Resolusi tinggi tersebut memungkinkan untuk memeriksa ribosom dan mitokondria sel, saluran ion, dan kompleks enzim.

Pada tahun 2015, jurnal Nature Methods menobatkan mikroskop krioelektron partikel tunggal sebagai metode terobosan tahun ini.

Kemajuan teknis terkini dalam bidang ini telah memungkinkan para ilmuwan untuk beralih dari metode kristalografi sinar-X, kelemahan utama yaitu kebutuhan akan kristalisasi protein, yang mungkin menyulitkan protein dengan struktur kompleks. Jurnal ilmiah dalam beberapa tahun terakhir penuh dengan gambaran detail permukaan virus Zika dan protein penyebab resistensi antibiotik. Secara khusus, kita dapat melihat bagaimana bakteri Staphylococcus aureus menolak tindakan antibiotik dan gambaran struktur virus corona yang menembus sel.

Meskipun terdapat kemajuan pesat dalam bidang ini, biaya peralatan dan metode standar telah memperlambat penerapan teknologi mikroskop krioelektron secara luas.

Di antara pesaing Hadiah Nobel Kimia adalah seorang Rusia - peneliti terkemuka di Institut Fisika Kimia (ICP). N. N. Semenova, bersama dengan rekan-rekannya dari Amerika, memberikan kontribusi yang signifikan di bidang fungsionalisasi karbon-hidrogen - sebuah industri yang mengembangkan metode sintesis baru senyawa organik. Yang juga masuk dalam daftar kemungkinan pemenang adalah Jens Norskov dari Denmark atas kemajuan mendasar di bidang katalisis heterogen pada permukaan padat dan tim ahli kimia Tsutomu Miyasaki, Nam-Kyu Park, dan Henry Snaith atas penemuan mineral perovskit dan pengembangan berdasarkan mineral tersebut. .

Pada tahun 2016, hadiah diberikan kepada Jean-Pierre Sauvage, Stoddart, dan Bernard Feringa atas penemuan mesin molekuler.

Minggu lalu diumumkan bahwa Hadiah Nobel Kimia 2017 akan diberikan kepada Jacques Dubochet dari Swiss, Joachim Frank dari Jerman-Amerika, dan Richard Henderson dari Skotlandia atas “pengembangan teknik mikroskop krio-elektron resolusi tinggi untuk menentukan struktur tiga dimensi biomolekul. dalam solusi.” Pekerjaan mereka memungkinkan, mulai tahun 80-an abad terakhir, untuk menguji dan secara bertahap meningkatkan jenis mikroskop ini sedemikian rupa sehingga tahun terakhir ilmuwan dapat melihat molekul biologis yang kompleks dengan sangat rinci. Komite Nobel mencatat bahwa metode mikroskop krio-elektron menerjemahkan biokimia ke dalam era baru, memungkinkan kita mengisi banyak kesenjangan dalam pengetahuan tentang molekul kehidupan dan sistem kehidupan.

Mari kita segera mencatat bahwa hampir tidak mungkin untuk menyebut mikroskop elektron kriogenik sebagai metode yang pada dasarnya baru dan mandiri untuk mempelajari materi secara fisik. Sebaliknya, ini adalah jenis mikroskop elektron transmisi (salah satu penulis metode ini, Ernst Ruska, menerima Hadiah Nobel pada tahun 1986), yang secara khusus diadaptasi untuk mempelajari objek mikrobiologi.

Dalam mikroskop elektron transmisi, seberkas elektron dilewatkan melalui sampel yang cukup tipis sehingga menjadi transparan terhadap elektron (biasanya sepersepuluh dan seperseratus mikron), yang ketika melewati sampel, diserap dan dihamburkan, mengubah arah. pergerakan. Perubahan ini dapat didaftarkan (saat ini matriks CCD paling sering digunakan sebagai detektor, yang penciptanya, Willard Boyle dan George Smith, menjadi pemenangnya) dan, setelah dianalisis, memperoleh gambar objek yang diteliti di dalam pesawat. tegak lurus terhadap balok. Karena panjang gelombang intrinsik elektron (puluhan pikometer pada karakteristik energi mikroskop elektron) jauh lebih pendek daripada panjang gelombang cahaya di wilayah tampak (ratusan nanometer), mikroskop elektron dapat “melihat” detail yang jauh lebih halus daripada mikroskop optik, termasuk termasuk mikroskop fluoresensi resolusi tinggi (HRFM), dikembangkan oleh pemenang Eric Betzig, Stefan Hell dan William Moerner.

Resolusi maksimum mikroskop elektron - beberapa angstrom (sepersepuluh nanometer) - hampir tercapai. Hal ini memungkinkan untuk memperoleh gambar yang, misalnya, atom individu dapat dibedakan. Sebagai perbandingan: batas kemampuan HRFM adalah 10-20 nm. Namun membandingkan metode yang berbeda berdasarkan resolusi maksimum saja tidak ada gunanya. Mikroskop elektron memiliki resolusi tinggi, tetapi tidak selalu memungkinkan untuk digunakan. Faktanya adalah bahwa sampel, selain penggilingan selama persiapan, selama penelitian itu sendiri mengalami penyinaran yang cukup serius dengan berkas elektron (secara kasar, semakin kuat berkasnya, semakin sedikit kesalahan dan semakin baik hasilnya), sekaligus dalam ruang hampa (ruang hampa diperlukan agar media tidak menghamburkan elektron ke luar sampel, sehingga menimbulkan distorsi yang tidak perlu). Kondisi seperti itu sama sekali tidak cocok jika Anda perlu mempelajari molekul dan objek biologis yang kompleks - mereka rusak dalam lingkungan yang dijernihkan dan terdapat banyak ikatan yang agak lemah di dalamnya, yang akan hancur begitu saja selama penelitian.

Pemahaman bahwa tanpa perbaikan tambahan, mikroskop elektron tidak dapat disesuaikan dengan studi biomolekul dan sistem kehidupan muncul segera setelah penemuannya. Misalnya, fisikawan Hongaria Ladislav Marton menulis tentang hal ini tiga tahun setelah demonstrasi prinsip operasi mikroskop elektron oleh Ernst Ruska pada tahun 1931 (L. Marton, 1934. Mikroskop Elektron Benda Biologi). Dalam artikel yang sama, Marton juga mengusulkan cara untuk mengatasi masalah ini. Secara khusus, ia juga menunjukkan bahwa pembekuan sampel dapat mengurangi kerusakan akibat penyinaran berkas elektron. Penting untuk dicatat bahwa, meskipun tidak disebutkan dalam makalah Marton, membekukan sampel juga membantu mengurangi getaran termal molekul, yang juga meningkatkan kualitas gambar yang dihasilkan.

Pada tahun 1970-an dan 80-an, ilmu pengetahuan dan teknologi mencapai tingkat perkembangan yang cukup untuk mengatasi segala kesulitan. Dan hal ini sebagian besar terjadi berkat upaya para pemenang penghargaan tahun ini.

Richard Henderson adalah orang pertama yang menggambarkan protein asimetris pada resolusi atom menggunakan mikroskop elektron transmisi (dengan sampel didinginkan). Dia memulai penelitiannya pada pertengahan tahun 70an. Apalagi pada mulanya Henderson mencoba memperoleh struktur beberapa protein dari membran sel dengan menggunakan metode analisis difraksi sinar-X, yang itupun dapat memberikan resolusi beberapa angstrom. Namun, dengan cepat menjadi jelas bahwa metode ini tidak dapat mencapai hasil yang baik: zat yang diteliti harus dalam bentuk kristal, dan protein membran, yang diekstraksi dari lingkungannya, mengkristal dengan buruk atau bahkan kehilangan bentuknya. Kemudian dia beralih ke mikroskop elektron.

Protein spesifik dipilih - bakteriorhodopsin - dan diputuskan untuk tidak mengekstraknya dari membran, tetapi untuk mempelajarinya langsung di dalamnya. Para ilmuwan juga melapisi sampel dengan larutan glukosa untuk melindunginya agar tidak mengering dalam ruang hampa. Hal ini membantu memecahkan masalah pemeliharaan struktur. Kemudian Henderson dan rekan-rekannya dihadapkan pada masalah penghancuran sampel di bawah pengaruh berkas elektron yang telah dijelaskan. Kombinasi beberapa faktor membantu menyelesaikannya.

Pertama, bakteriorhodopsin terletak secara teratur di dalam membran, jadi pertimbangan yang cermat terhadap keteraturan ini dikombinasikan dengan pengambilan gambar dari sudut yang berbeda sangat membantu dalam membuat gambar. Hal ini membantu mengurangi intensitas sinar dan mempersingkat waktu pemaparan, namun meningkatkan kualitas. Sudah pada tahun 1975, gambar protein ini dapat diperoleh dengan resolusi 7 angstrom (Gbr. 3, lihat R. Henderson, P. N. T. Unwin, 1975. Model tiga dimensi membran ungu diperoleh dengan mikroskop elektron).

Kedua, Henderson berkesempatan bepergian ke tempat lain pusat ilmiah dan coba mikroskop elektron yang berbeda. Karena tidak ada penyatuan pada tahun-tahun itu, mikroskop yang berbeda memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing: derajat evakuasi ruang yang berbeda, derajat pendinginan sampel yang berbeda (ini mengurangi kerusakan akibat iradiasi elektron), energi berkas elektron yang berbeda, dan sensitivitas detektor yang berbeda. Oleh karena itu, kemungkinan mempelajari objek yang sama pada mikroskop yang berbeda memungkinkan untuk terlebih dahulu memilih kondisi yang “paling tidak menguntungkan” untuk memperoleh suatu gambar, dan kemudian secara bertahap memperbaikinya. Jadi Henderson mengumpulkan data dan memperoleh struktur bakteriorhodopsin yang lebih akurat. Pada tahun 1990, artikelnya diterbitkan, yang menyajikan model protein ini dengan resolusi atom (R. Henderson et al., 1990. Model struktur bakteriorhodopsin berdasarkan cryo-mikroskopi elektron resolusi tinggi).

Dalam penelitian perintis ini, Henderson menunjukkan bahwa mikroskop krio-elektron dapat menghasilkan gambar dengan resolusi sebaik difraksi sinar-X, sebuah terobosan pada saat itu. Benar, hasil ini memanfaatkan secara signifikan fakta bahwa bakteriorhodopsin sering ditemukan di dalamnya membran sel, dan tidak jelas apakah resolusi tersebut dapat dicapai untuk molekul “tidak beraturan” lainnya.

Masalah pemrosesan sinyal lemah dari molekul aktif biologis yang ditempatkan secara acak diselesaikan oleh pemenang Hadiah Nobel 2017 lainnya, Joachim Frank. Kontribusi utamanya pada mikroskop krio-elektron adalah penciptaan algoritma untuk menganalisis gambar dua dimensi yang diperoleh dengan menggunakan mikroskop krio-elektron, yang memungkinkan pembangunan model tiga dimensi berkualitas tinggi. Algoritma serupa telah dikembangkan untuk teknik mikroskop lainnya. Frank mengoptimalkan dan menyempurnakan metode analisis matematis yang memungkinkan pemisahan informasi berguna, diperoleh selama mikroskop elektron, dari sinyal akibat kebisingan. Kebisingan terjadi pada perangkat elektronik presisi karena berbagai alasan: fluktuasi acak pada arus dan tegangan mungkin disebabkan oleh emisi elektron yang tidak merata di blok vakum, proses pembentukan dan rekombinasi pembawa muatan yang tidak merata (elektron konduksi dan lubang) di blok semikonduktor, pergerakan termal dari pembawa arus dalam konduktor (kebisingan termal), atau kebisingan eksternal (terlepas dari kenyataan bahwa semuanya biasanya terisolasi dengan baik).

Tugas ini semakin rumit karena hal ini. Jika objek, meskipun sama atau kira-kira sama, seperti yang seharusnya terjadi dalam penelitian semacam itu, tidak teratur, maka objek tersebut memberikan sinyal yang strukturnya sedikit berbeda, yang dapat mengaburkan satu sama lain. Selain itu, alasan keburaman tersebut - apakah itu noise atau kesalahan algoritma - tidak mudah untuk ditentukan. Prinsip pemrosesan data ditunjukkan secara skematis pada Gambar. 5: banyak gambar datar dari molekul yang diteliti dibersihkan dari noise dan diketik menurut "sudut", kemudian profil berkualitas lebih tinggi dibuat dari gambar dengan sudut dekat, dan, terakhir, model tiga dimensi dibuat dari profil ini. .

Pada tahun 1981, Frank menggeneralisasi model matematika pada versi pertama program komputer SPIDER (Sistem Pemrosesan Data Gambar dari Mikroskop Elektron dan Bidang Terkait - Sistem untuk memproses data dari mikroskop elektron dan bidang terkait, publikasi pertama: J. Frank dkk., 1981. Spider - Sistem perangkat lunak modular untuk pemrosesan gambar elektron). Paket perangkat lunak ini masih ada dan diperbarui hingga saat ini, apalagi program ini didistribusikan secara gratis, yang tentunya memudahkan pekerjaan para ilmuwan di seluruh dunia. Frank menggunakan algoritmanya sendiri untuk mendapatkan gambar permukaan ribosom - organel sel yang terdiri dari untaian RNA dan protein terkait yang berfungsi untuk biosintesis protein dari asam amino berdasarkan informasi genetik.

Menghibur "cryo-" muncul dalam mikroskop elektron berkat pemenang ketiga, Jacques Dubochet. Dia mengembangkan metode pendinginan cepat larutan berair dengan sampel (J. Dubochet, A.W. McDowall, 1981. Vitrifikasi air murni untuk mikroskop elektron). Terlebih lagi, air harus membeku dengan sangat cepat sehingga molekul-molekulnya tidak punya waktu untuk berbaris kisi kristal, membeku secara acak (lihat es amorf). Hal ini dicapai dengan merendam lapisan tipis larutan dengan sampel secara cepat ke dalam wadah berisi etana cair yang didinginkan hingga –160°C (Gbr. 6). Jalan yang benar pembekuan dapat disebut sebagai kunci keberhasilan keseluruhan metode, karena kristal es yang teratur dapat menyebabkan difraksi elektron, mendistorsi informasi tentang molekul yang sedang dipelajari. Karena berat molekul protein yang besar dan asam nukleat Molekul-molekul ini kikuk, jadi ketika dibekukan, mereka tidak punya waktu untuk mengubah posisi atau mengubah bentuk. Artinya, struktur molekul yang aktif secara biologis tidak berubah selama pembekuan cepat dengan metode ini. Dengan menggunakannya, Dubochet adalah orang pertama yang menggunakan mikroskop krio-elektron untuk mempelajari struktur virus (Gbr. 7, lihat M. Adrian et al., 1984. Mikroskop virus krio-elektron).

Selama tahun 1990-an dan 2000-an, mikroskop krio-elektron secara bertahap berkembang dan ditingkatkan seiring dengan kemajuan dalam daya komputasi dan presisi instrumen. Namun perkembangan mikroskop krioelektron yang sebenarnya dimulai pada tahun 2012. Hal ini terkait dengan munculnya detektor elektron langsung berbasis CMOS (CMOS), yang dapat langsung menangkap elektron yang melewati suatu sampel. Hal ini memungkinkan untuk menyederhanakan desain mikroskop elektron dengan menghilangkan sistem yang kompleks pemfokusan dan konversi sinyal serta mengurangi jumlah node yang dapat menimbulkan gangguan acak. Hasilnya, resolusi metode mikroskop krioelektron meningkat menjadi 2-3 angstrom (Gbr. 8).

Salah satu contoh aplikasi praktis mikroskop krioelektron di bidang ini dapat dianggap sebagai studi tentang virus Zika (Gbr. 10). Selama merebaknya epidemi Zika di Brasil pada tahun 2016, para peneliti memiliki waktu beberapa bulan untuk memperoleh informasi tentang struktur virus menggunakan mikroskop krio-elektron (D. Sirohi et al., 2016. Struktur cryo-EM Zika beresolusi 3,8 Å virus).

Contoh lain - tahun ini, mikroskop krioelektron memungkinkan untuk memperoleh struktur kapsid dari perwakilan terbesar keluarga virus herpes - sitomegalovirus manusia (X. Yu et al., 2017. Struktur atom kapsid sitomegalovirus manusia dengan komposisinya mengamankan lapisan tegument pp150). Hasil penelitian tersebut menjadi dasar pencarian kemungkinan wilayah kapsid virus yang dapat menjadi target molekuler obat antivirus.

Arkady Kuramshin

Apa yang patut diperhatikan tentang Hadiah Nobel Kimia yang baru, mengapa air harus dibekukan di sekitar biomolekul dan bagaimana komputer mengubah gambar 2D menjadi 3D, baca materi di situs tentang karya tersebut Peraih Nobel 2017 oleh Jacques Dubochet, Joachim Frank dan Richard Henderson.

Struktur molekul yang diperoleh dalam beberapa tahun terakhir sangat mengesankan. Ada “jarum suntik” salmonella yang dapat digunakan untuk menyerang sel, dan protein yang membuat bakteri resisten terhadap antibiotik, dan struktur indah di dasar flagela, dan enzim yang luar biasa indah. Dari pengetahuan biologis dasar tentang kerja biomolekul dalam sel hingga pemahaman tentang bagaimana molekul obat berperilaku, kita semua dapat memperolehnya berkat metode mikroskop krio-elektron, yang pengembangannya membuat kita dianugerahi Hadiah Nobel Kimia pada tahun 2017. 2017.

Namun apakah metode ini dan mengapa hasil yang sama tidak dapat dicapai tanpanya? Memang, pada saat itu sudah ada kristalografi sinar-X dan mikroskop elektron.

Metode-metode ini memberikan beberapa batasan penting pada para peneliti, untuk mengatasinya, atau lebih tepatnya, “untuk pengembangan metode mikroskop krioelektron untuk menentukan struktur biomolekul dalam larutan dengan resolusi tinggi,” penghargaan bergengsi tersebut diberikan hari ini.

Tiga ilmuwan yang mencetuskan teknologi ini akan menerimanya tahun ini: Jacques Dubochet dari Prancis, yang bekerja di Universitas Lausanne, Joachim Frank kelahiran Jerman dari Universitas Columbia di New York, dan Richard Henderson dari Skotlandia dari laboratorium. biologi molekuler di Cambridge (omong-omong, ini sepertinya pemenang kelima belas dari laboratorium ini).

Dari kiri ke kanan: Jacques Dubochet, Joachim Frank dan Richard Henderson

Denis Balibouse/Reuters, Universitas Columbia, Laboratorium Biologi Molekuler MRC

Ketika Ernst Ruska menemukan dan mendemonstrasikan mikroskop elektron, yang dapat digunakan untuk melihat posisi atom individu (yang Ruska menerima Hadiah Nobelnya pada tahun 1986), ilmuwan lain, Ladislav Marton, menulis artikel tentang kesulitan mempelajari bahan biologis dengan mikroskop elektron. metode baru, karena biomolekul dan sel dihancurkan di bawah pengaruh aliran elektron. Aliran ini harus sangat lemah agar tidak merusak sampel, namun aliran yang lemah memberikan resolusi yang buruk. Untuk mikroskop elektron, sampel harus tipis dan rata, yang juga memperumit tugasnya - model 3D dari molekul yang diteliti (misalnya protein) harus diselesaikan dari proyeksi dua dimensi.

Secara alami, tidak ada pertanyaan untuk mempelajari sel-sel hidup, tetapi dalam keadaan hancur mereka terlihat sangat berbeda dari apa yang mereka lakukan selama bekerja. Selain itu, mikroskop elektron memerlukan ruang hampa, dan semua air di dalamnya menguap, yang membantu biomolekul mempertahankan bentuk aslinya. Semua ini sulit dan tidak nyaman. Sampai mikroskop krioelektron muncul.

Perubahan penggambaran biomolekul terkait dengan karya peraih Nobel 2017

Richard Henderson mengerjakan protein di Cambridge menggunakan kristalografi sinar-X, teknik yang digunakan Rosalind Franklin untuk memperoleh gambar terkenal yang digunakan Watson dan Crick untuk membuat model heliks ganda DNA mereka. Semuanya baik-baik saja sampai Henderson mulai mengerjakan protein membran yang ditemukan di membran sel. Diambil dari lingkungan alaminya, mereka menjadi tumpukan atom yang tidak berguna. Henderson tidak dapat mengisolasi salah satunya dalam jumlah yang cukup, yang lain tidak dapat dikristalisasi.

Segalanya berubah ketika Henderson mengonsumsi bakteriorhodopsin protein peka cahaya. Ilmuwan memutuskan untuk tidak mengeluarkannya dari membran, tetapi menempatkan seluruh bagian membran di bawah mikroskop elektron bersamanya. Untuk mencegah strukturnya runtuh, ditutup dengan larutan glukosa. Untuk menghindari kerusakan sampel dengan aliran elektron yang kuat, para ilmuwan menembakkan sinar yang lebih lemah. Gambarnya, seperti yang diharapkan, tidak terlihat terlalu jelas dan kontras, tetapi di sini mereka menggunakan hal yang sama metode matematika, seperti halnya kristalografi sinar-X, hal ini dimungkinkan oleh struktur protein, yang terletak di membran yang berorientasi pada arah yang sama. Gambar yang diperoleh dari berbagai sudut menunjukkan bahwa protein terpelintir, melewati membran sebanyak tujuh kali (sekarang dikenal sebagai reseptor tujuh heliks). Itu adalah gambar dengan kualitas terbaik yang pernah diperoleh dengan menggunakan mikroskop elektron.

Resolusi tujuh angstrom mengesankan banyak orang, tetapi Henderson tidak mau berhenti: dia ingin mencapai resolusi yang sama dengan kristalografi sinar-X, tiga angstrom. Seiring waktu, lensa menjadi lebih baik, dan teknologi pembekuan telah muncul yang memungkinkan sampel disimpan dalam nitrogen cair. Untuk mendapatkan gambaran yang lebih jelas tentang bakteriorhodopsin, Henderson melakukan perjalanan ke berbagai laboratorium menggunakan mikroskop elektron terbaik di dunia. Mereka semua mempunyai kekurangan yang sama, namun saling melengkapi. Dan baru pada tahun 1990, 15 tahun setelah menerima yang pertama, tidak sedap dipandang tampilan modern gambar, Henderson mencapai tujuannya. Dia menunjukkan bahwa mikroskop krioelektron dapat berguna untuk mempelajari biomolekul, tetapi bakteriorhodopsinnya teratur dan praktis terfiksasi dalam membran sel. Sangat sedikit protein lain yang dapat melakukan hal yang sama, sehingga para ahli biologi merasa metode ini masih sangat terbatas.

Saat ini, di seberang Atlantik, di New York, Joachim Frank telah lama berupaya mencari solusi untuk masalah ini. Sudah pada tahun 1975 dia menemukan pendekatan teoritis, tapi butuh waktu bertahun-tahun untuk mengimplementasikannya. Idenya adalah menciptakan komputer yang dapat membedakan protein yang ditempatkan secara acak dari latar belakang yang kacau. Dia menemukan metode matematika yang memungkinkan komputer menemukan pola berulang yang berbeda dalam sebuah gambar. Komputer mengurutkan pola-pola tersebut, menggabungkan pola-pola serupa, untuk menghasilkan gambar yang rata-rata namun lebih tajam. Frank telah menerbitkan beberapa makalah dengan model protein 2D resolusi tinggi dari berbagai sudut. Algoritmanya sudah siap pada tahun 1981.

Langkah selanjutnya adalah membuat algoritma yang menemukan gambar 2D serupa dan menyusunnya menjadi struktur 3D. Pada pertengahan tahun delapan puluhan, Frank menerbitkan bagian dari metode ini dan mengambil tugas besar untuk membuat model permukaan ribosom, mesin molekuler raksasa untuk merakit protein di dalam sel.

Metode analisis struktur 3D yang dikembangkan oleh Joachim Frank: 1. Seberkas elektron mengenai protein yang berorientasi acak, sehingga meninggalkan jejaknya pada gambar. 2. Berkat metode pemrosesan informasi fuzzy, komputer mengelompokkan gambar-gambar yang dihasilkan yang mirip satu sama lain ke dalam kelompok. 3. Dengan menggunakan ribuan gambar yang dihasilkan, komputer membuat gambar 2D resolusi tinggi. 4. Komputer menganalisis bagaimana gambar 2D berhubungan satu sama lain di ruang angkasa dan membuat gambar 3D resolusi tinggi.

Johan Jarnestad/Akademi Ilmu Pengetahuan Kerajaan Swedia

Beberapa saat sebelumnya, pada tahun 1978, ilmuwan lain, Jacques Dubochet, mulai memecahkan bagian ketiga dari masalah mikroskop elektron ini. Seperti yang kita ingat, biomolekul sangat menderita, berubah menjadi massa tak berbentuk jika air di sekitarnya menguap, dan di ruang vakum mikroskop elektron, biomolekul tersebut akan menguap. Pembekuan sederhana tidak membuahkan hasil: kristal es, yang mengembang dibandingkan dengan air, dapat memecahkan protein yang sedang dipelajari dan menghancurkan strukturnya. Meskipun Henderson beruntung dengan bakteriorhodopsin, ilmuwan lain kesulitan dengan protein non-membran yang larut dalam air.

Duboche menemukan metode pembekuan ultra-cepat menggunakan nitrogen cair: air tampak “vitrifikasi”, dan aliran elektron dipantulkan dengan sempurna darinya dan menghasilkan gambar yang bagus. Hal ini memungkinkan untuk mempersiapkan bahan biologis dengan sempurna untuk pekerjaan, yang dibuktikan Dubochet dengan menerbitkan beberapa struktur virus yang diperoleh dengan metode ini pada tahun 1984.

Metode Dubochet: 1. Saringan logam ditempatkan pada sampel dan menyaring bahan berlebih. 2. Saringan ditempatkan dalam etana pada suhu sekitar -196°C, menyebabkan sampel membentuk lapisan tipis di seluruh lubang saringan. 3. Air berubah menjadi zat seperti kaca dan mengelilingi sampel, kemudian didinginkan oleh nitrogen cair pada pengamatan mikroskop elektron.

Johan Jarnestad/Akademi Ilmu Pengetahuan Kerajaan Swedia

Sejak saat itu, para peneliti mulai beralih ke Dubochet untuk mempelajari metodenya. Frank juga bertemu dengannya untuk mendapatkan struktur permukaan ribosom. Kombinasi metode Dubochet, Frank dan Henderson membentuk dasar mikroskop krioelektron.

Faktanya, kebutuhan untuk mendapatkan struktur ribosom “hidup”lah yang “memotivasi” keinginan untuk segera menguasai metode ini: ribosom adalah salah satu target utama tindakan antibiotik, yang mana penyelarasan spasial dengan lingkungan rongga ribosom sangat penting. Dan sekarang sebagian besar kompleks obat antimikroba potensial dengan ribosom “dilihat” menggunakan metode mikroskop krioelektron.

Metode ini menjadi sangat penting sehingga banyak konferensi besar diadakan di seluruh dunia yang didedikasikan khusus untuk metode CryoEM, sebagaimana disingkat dalam literatur berbahasa Inggris. Pada tahun 2017, konferensi serupa pertama diadakan di Universitas Negeri Moskow.

Keputusan Komite Nobel dikomentari secara khusus untuk situs tersebut oleh kandidat ilmu fisika dan matematika, kepala departemen biofisika molekuler dan radiasi di Institut St. fisika nuklir dinamai menurut B.P. Konstantinov Andrey Konevega, yang kelompok risetnya sering menggunakan metode CryoEM dalam pekerjaannya:

“Mikroskopi krio-elektron telah merevolusi biologi struktural karena memungkinkan pencitraan makromolekul resolusi tinggi, sekarang dengan resolusi yang sama seperti kristalografi sinar-X, tanpa perlu mengkristalkan protein. Artinya, semua biomolekul selama penelitian berada dalam keadaan alaminya. Selama dekade terakhir, metode ini telah mengalami lompatan kualitatif dalam kualitas struktur yang dihasilkan dan resolusinya. Hal ini dimungkinkan berkat kemajuan teknologi: mikroskop baru, kamera baru, metode pemrosesan baru. Yang penting adalah para ahli biologi kini memiliki sistem komputasi yang cukup kuat sehingga memungkinkan pemrosesan memakan waktu berhari-hari, bukan berbulan-bulan atau bertahun-tahun. Kami sendiri di Rusia memiliki pusat pemrosesan data di Pusat Penelitian "" di Moskow dan di Pusat Penelitian "Institut Kurchatov"-PNPI di Gatchina, jadi kami secara aktif menggunakannya untuk memproses data kami."

Tentang penghargaan:

Selama 117 tahun, 109 hadiah diberikan dalam bidang kimia (seperti dalam disiplin ilmu lain, ada tahun-tahun ketika hadiah tidak diberikan karena perang atau ketika Komite Nobel tidak mencapai kesepakatan). Hadiah pertama diterima pada tahun 1901 oleh Jacob Hendrik van't Hoff. Selama seluruh periode, nama 178 pemenang diumumkan di Stockholm. Benar, hanya 177 orang yang menerima penghargaan tersebut: Frederick Sanger menjadi satu-satunya orang dalam sejarah yang menerima penghargaan tersebut dua kali.

Usia rata-rata pemenang hadiah (tidak termasuk hadiah tahun 2017) adalah 58 tahun. Yang termuda adalah Frédéric Joliot-Curie, yang menerima hadiah pada tahun 1935 pada usia 35 tahun, yang tertua adalah John Fenn: peraih Nobel tahun 2002 berusia 85 tahun. Ngomong-ngomong, hadiahnya tidak mudah bagi perempuan: dalam 117 tahun hanya ada empat pemenang, setengahnya berasal dari keluarga yang sama. Marie Curie menerima hadiah tersebut pada tahun 1911, dan putrinya Irene pada tahun 1935. Setengah lainnya adalah untuk kristalografi sinar-X yang sama dengan mikroskop krioelektron yang bersaing. Pada tahun 1964, hadiah tersebut diberikan kepada Dorothy Crowfoot Hodgkin untuk analisis difraksi sinar-X biomolekul, dan pada tahun 2009 pemenangnya adalah Ada Yonath, yang menggunakan teknik ini untuk menentukan struktur ribosom.