Креатор на вештачки ѓубрива и хемиско оружје

Еден од најконтроверзните добитници на Нобеловата награда беше Фриц Хабер. Наградата за хемија му беше доделена во 1918 година за неговиот изум на метод за синтеза на амонијак, откритие од клучно значење за производство на ѓубрива. Сепак, тој е познат и како „татко на хемиското оружје“ поради неговата работа на отровниот гас хлор користен за време на Првата светска војна.

Смртоносно откритие

Друг германски научник, Ото Хан (на сликата во центарот), беше награден со Нобелова награда во 1945 година за неговото откритие за фисија атомско јадро. Иако никогаш не работел на воената примена на ова откритие, тоа доведе директно до развој нуклеарно оружје. Ган го доби бонусот неколку месеци откако беа отфрлени нуклеарни бомбидо Хирошима и Нагасаки.

Од Фридман до Обама: најконтроверзните нобеловци

Пробив кој беше забранет

Швајцарскиот хемичар Пол Милер доби медицинска награда во 1948 година за неговото откритие дека ДДТ може ефикасно да убие инсекти кои шират болести како маларијата. Употребата на пестициди некогаш спаси милиони животи. Сепак, подоцна еколозите почнаа да тврдат дека ДДТ претставува закана за здравјето на луѓето и штети на природата. Денес неговата употреба е забранета низ целиот свет.

Од Фридман до Обама: најконтроверзните нобеловци

Неповолна награда

Поради нејзините отворени и имплицирани политички призвук, Наградата за мир е можеби најконтроверзната од сите Нобелови награди. Во 1935 година, германскиот пацифист Карл фон Осиецки го примил за разоткривање на тајното превооружување на Германија. Самиот Осиецки бил во затвор под обвинение за предавство, а револтираниот Хитлер го обвинил комитетот за мешање во внатрешните работи на Германија.

Од Фридман до Обама: најконтроверзните нобеловци

(Можно) Награда за мир

Одлуката на норвешкиот комитет да ја додели наградата за мир на американскиот државен секретар Хенри Кисинџер и северно виетнамскиот лидер Ле Дук То во 1973 година се соочи со остри критики. Нобеловата награда требаше да биде симбол на признавање на достигнувањата во постигнувањето прекин на огнот за време на војна во Виетнам, сепак, Ле Дук То одби да го прими. Виетнамската војна продолжи уште две години.

Од Фридман до Обама: најконтроверзните нобеловци

Слободар и диктатор

Застапникот за слободниот пазар Милтон Фридман е еден од најконтроверзните добитници на Нобеловата награда за мир за економија. Одлуката на Комитетот во 1976 година предизвика меѓународни протести поради врските на Фридман со чилеанскиот диктатор Аугусто Пиноче. Фридман всушност го посети Чиле една година порано, а критичарите тврдат дека неговите идеи инспирирале режим во кој илјадници биле мачени и убиени.

Од Фридман до Обама: најконтроверзните нобеловци

Залудни надежи

Наградата за мир, која во 1994 година ја поделија палестинскиот лидер Јасер Арафат, израелскиот премиер Јицак Рабин и израелскиот министер за надворешни работи Шимон Перес, требаше да послужи како дополнителен поттик за мирно решавање на конфликтот на Блискиот Исток. Наместо тоа, понатамошните преговори пропаднаа, а Рабин беше убиен од израелски националист една година подоцна.

Од Фридман до Обама: најконтроверзните нобеловци

Морничави мемоари

Активистката за човекови права Ригоберта Менчу, која ги брани интересите на народот на Маите, ја доби наградата за мир во 1992 година „за нејзината борба за социјална правда“. Последователно, оваа одлука предизвика многу контроверзии, бидејќи наводно биле откриени фалсификати во нејзините мемоари. Нејзините прикази на злосторствата на геноцидот на домородното население на Гватемала ја направија позната. Сепак, многумина се убедени дека таа сепак ја заслужила наградата.

Од Фридман до Обама: најконтроверзните нобеловци

Предвремена награда

Кога на Барак Обама му беше доделена наградата за мир во 2009 година, многумина беа изненадени, меѓу кои и тој. Бидејќи во тоа време беше претседател помалку од една година, тој ја доби наградата за неговите „огромни напори за зајакнување на меѓународната дипломатија“. Критичарите на Обама и некои поддржувачи сметаа дека наградата е прерано и тој ја доби пред да има шанса да направи вистински потези.

Од Фридман до Обама: најконтроверзните нобеловци

Постхумна награда

Во 2011 година, Нобеловиот комитет ги прогласи Жил Хофман, Брус Бојтлер и Ралф Стајнман за лауреати на наградата за медицина за нивните откритија во областа на имунолошки систем. Проблемот беше што Стајнман умре од рак неколку дена претходно. Според правилата, наградата не се доделува постхумно. Но, комитетот сепак му го додели на Стајнман, оправдувајќи го со фактот дека неговата смрт во тоа време сè уште не беше позната.

Од Фридман до Обама: најконтроверзните нобеловци

„Најголемиот пропуст“

Нобеловата награда е контроверзна не само поради тоа кој ја добил, туку и поради тоа што некој никогаш не ја добил. Во 2006 година, членот на Нобеловиот комитет Геир Лундестад рече дека „сигурно најголемиот пропуст во нашата 106-годишна историја е тоа што Махатма Ганди никогаш не добил Нобелова наградамир“.


Нобеловата награда за хемија за 2017 година беше доделена за развој на крио-електронска микроскопија со висока резолуција за одредување на структурите на биомолекулите во растворите. Лауреатите беа од Универзитетот во Лозана, Јоаким Франк од Универзитетот Колумбија и од Универзитетот во Кембриџ.

Крио-електронската микроскопија е форма на преносна електронска микроскопија во која примерокот се испитува на криогени температури.

Методот е популарен во структурна биологија, бидејќи овозможува набљудување на примероци кои не биле обоени или фиксирани на друг начин, прикажувајќи ги во нивната матична средина.

Со електронска криомикроскопија, движењето на атомите што влегуваат во молекулата се забавува, што овозможува да се добие многу јасни сликинеговата структура. Добиените информации за структурата на молекулите се исклучително важни, вклучително и за подлабоко разбирање на хемијата и развојот на фармацевтските производи.

Многу откритија во науката вклучуваат успешна визуелизација на предмети невидливи за човечкото око. Оптичката микроскопија овозможи да се докаже постоењето на микроорганизми, да се погледне спермата и јајцата, делумно да се проучува клеточната структура, па дури и да се видат хромозомите. Електронската микроскопија, која користеше зрак од електрони наместо светлосен флукс, овозможи да се надминат физичките ограничувања на оптичките телескопи.

Сепак, таа имаше и свои маани. Прво, моќен зрак на електрони уништи биолошки материјал. Второ, за да можат електроните да се забрзаат, им треба вакуум - соодветно, лекот мораше да биде во вакуум.

Затоа, со негова помош беше невозможно да се проучат „живи“ примероци.

Придонесот на Јоаким Франк придонесе за широко ширење на методот. Назад во 1975-1986 година, тој разви метод за обработка на слики, кој се состоеше од анализа на сликите добиени со помош на електронски микроскопдводимензионални слики и градба врз нивна основа на тродимензионални структури на предметите што се проучуваат.

Жак Дубоше предложи да се користи брзо ладена вода за да се зачуваат примероците. Ладењето на примероците како начин за нивно зачувување беше разгледувано од научниците подолго време. Меѓутоа, кога водата замрзнала и се формирала кристална решетка, структурата на примероците била уништена. И во течна форма испаруваше во вакуумската комора на електронскиот микроскоп, што повторно доведе до уништување на молекулите што се проучуваат.

Конечно, беше пронајден начин да се заобиколи фазата на кристализација и да се осигура дека водата се претвора во стаклена состојба. Методот беше наречен витрификација.

За време на витрификацијата, водата можеше да ги заштити молекулите од уништување дури и во вакуум.

Овие откритија дадоа моќен поттик за развојот на електронската микроскопија. Во 2013 година, научниците успеаја да испитаат дури и поединечни атоми на материјата.Таква висока резолуција овозможува да се испитаат рибозомите и митохондриите на клетките, јонските канали и ензимските комплекси.

Во 2015 година, списанието Nature Methods ја именуваше криоелектронската микроскопија со една честичка за пробив метод на годината.

Неодамнешните технички достигнувања во оваа област им овозможија на научниците да се оддалечат од методот на кристалографија на Х-зраци, главен недостатокшто е потребата за кристализација на протеините, што може да биде тешко за протеините со сложени структури. Научните списанија во последниве години беа полни со детални слики од површината на вирусот Зика и протеините кои предизвикуваат отпорност на антибиотици. Конкретно, беше можно да се види како бактериите Staphylococcus aureus се спротивставуваат на дејството на антибиотиците и слика од структурата со која коронавирусот навлегува во клетките.

И покрај брзиот напредок на ова поле, цената на опремата и стандардизираните методи донекаде го забавија широкото усвојување на технологијата за криоелектронска микроскопија.

Меѓу претендентите за Нобеловата награда за хемија беше Русин - водечки истражувач на Институтот за хемиска физика (ИЦП) по име. Н.Н. Семенова, заедно со колегите од САД, даде значаен придонес во областа на функционализација на јаглерод-водород - индустрија која развива нови методи на синтеза органски соединенија. На листата на можни победници се најде и Данецот Јенс Норсков за фундаментален напредок во областа на хетерогена катализа на цврсти површини и тим од хемичари Цутому Мијасаки, Нам-Кју Парк и Хенри Снаит за откривањето на минералот перовскит и развојот врз основа на него. .

Во 2016 година, наградата отиде во рацете на Жан-Пјер Соваж, Стодарт и Бернар Феринга за пронајдокот на молекуларните машини.

Минатата недела беше објавено дека Нобеловата награда за хемија за 2017 година ќе им припадне на Швајцарецот Жак Дубоше, Германско-американецот Јоаким Франк и Шкотланѓанецот Ричард Хендерсон за „развој на техники за крио-електронска микроскопија со висока резолуција за одредување на тридимензионалните структури на биомолекулите. во решение“. Нивната работа овозможи, почнувајќи од 80-тите години на минатиот век, да се тестира и постепено да се подобрува овој тип на микроскопија до таа мера што последните годиниНаучниците можат детално да ги видат сложените биолошки молекули. Нобеловиот комитет забележа дека методот на крио-електронска микроскопија ја превел биохемијата во нова ера, овозможувајќи ни да пополниме многу празнини во знаењето за молекулите на животот и живите системи.

Веднаш да забележиме дека е тешко возможно да се нарече криогена електронска микроскопија фундаментално нов и самодоволен метод за физичко проучување на материјата. Наместо тоа, тоа е еден вид преносна електронска микроскопија (еден од авторите на овој метод, Ернст Руска, ја доби Нобеловата награда во 1986 година), која беше специјално прилагодена за проучување на микробиолошки објекти.

Во преносниот електронски микроскоп, зрак од електрони поминува низ примерок доволно тенок за да биде транспарентен за електроните (обично десетини и стотинки од микрон), кои, како што минуваат низ примерокот, се апсорбираат и се расфрлаат, менувајќи ја насоката на движење. Овие промени може да се регистрираат (денес како детектор најчесто се користи CCD матрица, чии креатори, Вилард Бојл и Џорџ Смит, станаа лауреати) и, по анализата, да се добие слика на предметот што се проучува во авион. нормално на зракот. Бидејќи внатрешната бранова должина на електроните (десетици пикометри со енергии карактеристични за електронските микроскопи) е многу пократка од брановите должини на светлината во видливиот регион (стотици нанометри), електронската микроскопија може да „види“ многу пофини детали од оптичката микроскопија, вклучително и флуоресцентна микроскопија со висока резолуција (HRFM), развиена од лауреатите Ерик Бециг, Стефан Хел и Вилијам Моернер.

Максималната резолуција на електронските микроскопи - неколку ангстроми (десетини од нанометарот) - речиси е постигната. Ова овозможува да се добијат слики во кои, на пример, се разликуваат поединечни атоми. За споредба: границата на можностите на HRFM е 10–20 nm. Но, само споредувањето на различни методи засновани на максимална резолуција е сосема бесмислено. Електронските микроскопи имаат висока резолуција, но не е секогаш можно да се користат. Факт е дека примерокот, покрај мелењето за време на подготовката, во текот на самата студија е подложен на доста сериозно зрачење со електронски сноп (грубо кажано, колку е поинтензивен зракот, толку помалку грешки и подобар резултат), притоа во вакуум (вакуум е потребен на медиумот не расејува електрони надвор од примерокот, со што се воведуваат непотребни нарушувања). Ваквите услови се целосно несоодветни ако треба да проучувате сложени биолошки молекули и предмети - тие се оштетени во ретка средина и во нив има многу прилично слаби врски, кои едноставно ќе бидат уништени за време на студијата.

Разбирањето дека без дополнителни подобрувања електронскиот микроскоп не може да се прилагоди за проучување на биомолекулите и живите системи се појави речиси веднаш по неговиот пронајдок. На пример, унгарскиот физичар Ладислав Мартон напиша за ова три години по демонстрацијата на принципот на работа на електронскиот микроскоп од страна на Ернст Руска во 1931 година (Л. Мартон, 1934. Електронска микроскопија на биолошки објекти). Во истиот напис, Мартон предложи и начини за решавање на овој проблем. Особено, тој исто така истакна дека замрзнувањето на примероците може да ја намали штетата предизвикана од зрачењето со електронски зрак. Важно е да се напомене дека, иако не е наведено во трудот на Мартон, замрзнувањето на примерокот помага и со намалување на топлинските вибрации на молекулите, што исто така ја подобрува добиената слика.

Во 1970-тите и 80-тите, науката и технологијата достигнаа доволно ниво на развој за да се надминат сите тешкотии. И ова се случи најмногу благодарение на напорите на овогодинешните добитници на наградите.

Ричард Хендерсон беше првиот што сними асиметричен протеин со атомска резолуција користејќи трансмисивна електронска микроскопија (со ладење на примерокот). Своето истражување го започнал во средината на 70-тите години. Освен тоа, на почетокот Хендерсон се обидел да ја добие структурата на неколку протеини од клеточната мембрана, користејќи го методот на анализа на дифракција на Х-зраци, што дури и тогаш може да даде резолуција од неколку ангстроми. Сепак, брзо стана јасно дека овој метод не може да постигне добар резултат: супстанцијата што се проучува мора да биде во кристална форма, а мембранските протеини, извлечени од нивната околина, или лошо кристализираат или дури и ја губат својата форма. Потоа се префрли на електронска микроскопија.

Беше избран специфичен протеин - бактериородопсин - и беше одлучено да не се извлекува од мембраната, туку директно да се проучува во неа. Научниците дополнително ги обложиле примероците со раствор на гликоза за да го заштитат од сушење во вакуум. Ова помогна да се реши проблемот со одржување на структурата. Тогаш Хендерсон и неговите колеги се соочија со веќе опишаниот проблем на уништување на примероци под влијание на електронски зрак. Комбинацијата од неколку фактори помогна да се реши.

Прво, бактериородопсинот се наоѓа редовно во мембраната, така што внимателното разгледување на оваа регуларност во комбинација со фотографирање од различни агли многу помага при конструирање на слика. Ова помогна да се намали интензитетот на зракот и да се скрати времето на експозиција, но да се подобри квалитетот. Веќе во 1975 година, беше можно да се добие слика на овој протеин со резолуција од 7 ангстроми (сл. 3, види R. Henderson, P. N. T. Unwin, 1975. Тридимензионален модел на виолетова мембрана добиен со електронска микроскопија).

Второ, Хендерсон имаше можност да патува во различни научни центрии пробајте различни електронски микроскопи. Бидејќи во тие години немаше обединување, различни микроскопи имаа свои предности и недостатоци: различни степени на евакуација на комората, различни степени на ладење на примерокот (ова ја намалува штетата од зрачењето на електроните), различни енергии на електронски сноп и различна чувствителност на детекторот. Затоа, можноста за проучување на ист објект на различни микроскопи овозможи прво да се изберат „најмалку неповолните“ услови за добивање слика, а потоа постепено да се подобрат. Така Хендерсон акумулирал податоци и добил сè попрецизна структура на бактериородопсин. Во 1990 година беше објавена неговата статија во која беше претставен модел на овој протеин со атомска резолуција (R. Henderson et al., 1990. Model for the structure of bacteriorhodopsin врз основа на електронска крио-микроскопија со висока резолуција).

Во ова пионерско истражување, Хендерсон покажа дека крио-електронската микроскопија може да произведе слики со резолуција со добра резолуција како дифракција на Х-зраци, што беше откритие во тоа време. Навистина, овој резултат значително го искористи фактот дека бактериородопсинот редовно се наоѓа во клеточната мембрана, и не беше јасно дали таквата резолуција може да се постигне за други, „неправилни“ молекули.

Проблемот со обработката на слабите сигнали од случајно лоцираните биолошки активни молекули го реши уште еден добитник на Нобеловата награда за 2017 година, Јоаким Френк. Неговиот главен придонес во крио-електронската микроскопија е создавањето на алгоритми за анализа на дводимензионални слики добиени со помош на крио-електронска микроскопија, кои овозможуваат изградба на висококвалитетен тридимензионален модел. Слични алгоритми веќе се развиени за други техники на микроскопија. Френк ги оптимизирал и во голема мера ги рафинирал методите на математичка анализа кои овозможуваат раздвојување корисни информации, добиени при електронска микроскопија, од сигнали поради бучава. Бучавата се јавува во прецизните електронски уреди од различни причини: случајните флуктуации на струјата и напонот може да се должат на нерамномерна емисија на електрони во вакуумските блокови, нерамномерни процеси на формирање и рекомбинација на носителите на полнеж (проводнички електрони и дупки) во полупроводнички блокови, термичко движење на струјни носачи во проводниците (термички шум), или надворешен шум (и покрај фактот што сè е обично добро изолирано).

Задачата е дополнително комплицирана поради ова. Ако предметите, дури и ако се исти или приближно исти, како што треба да биде случај во таквите студии, се неуредени, тогаш тие даваат сигнали кои се малку различни по структура, кои можат да се заматат еден со друг. Згора на тоа, причината за таквото замаглување - без разлика дали се работи за бучава или алгоритамски грешки - не е лесно да се утврди. Принципот на обработка на податоците е шематски прикажан на Сл. 5: бројните рамни слики на молекулата што се проучува се исчистени од шум и се пишуваат според „аглите“, потоа се гради поквалитетен профил од слики со блиски агли и, конечно, од овие профили се гради тродимензионален модел .

Во 1981 година, Френк ги генерализираше математичките модели во првата верзија компјутерска програма SPIDER (System for Processing Image Data from Electron microscopy and Related fields - System for processing data from electron microscopy and related fields, прва публикација: J. Frank et al., 1981. Spider - Модуларен софтверски систем за обработка на електронска слика). Овој софтверски пакет сè уште постои и се ажурира до ден-денес, згора на тоа, овие програми се бесплатни за дистрибуција, што секако ја олеснува работата на научниците ширум светот. Френк користел сопствени алгоритми за да добие слика на површината на рибозомот - клеточна органела која се состои од нишки на РНК и придружни протеини што служи за биосинтеза на протеинот од амино киселини врз основа на генетски информации.

Конзола "крио-"се појави во електронска микроскопија благодарение на третиот лауреат Жак Дубоше. Развил метод за брзо ладење водени растворисо примероци (J. Dubochet, A.W. McDowall, 1981. Витрификација на чиста вода за електронска микроскопија). Покрај тоа, водата мора да замрзне толку брзо што молекулите немаат време да се наредат кристална решетка, замрзнување по случаен избор (види аморфен мраз). Ова се постигнува со брзо потопување на тенок слој раствор со примерок во контејнер со течен етан ладен до –160°C (сл. 6). Вистинскиот начинзамрзнувањето може да се нарече клуч за успехот на целиот метод, бидејќи подредените ледени кристали можат да предизвикаат дифракција на електрони, искривувајќи ги информациите за молекулите што се проучуваат. Поради големата молекуларна тежина на протеините и нуклеински киселиниОвие молекули се несмасни, така што кога блиц се замрзнати немаат време ниту да ја променат својата положба ниту да ја сменат формата. Тоа е, структурата на биолошки активните молекули не се менува за време на брзото замрзнување со овој метод. Користејќи го, Дубоше беше првиот што користеше крио-електронска микроскопија за проучување на структурата на вирусите (сл. 7, види М. Адријан и сор., 1984 година. Крио-електронска микроскопија на вируси).

Во текот на 1990-тите и 2000-тите, крио-електронската микроскопија постепено се развиваше и се подобруваше со напредокот во компјутерската моќ и прецизноста на инструментите. Но, вистинскиот процут на криоелектронската микроскопија започнува во 2012 година. Тоа е поврзано со појавата на директни електронски детектори базирани на CMOS (CMOS), кои можат директно да ги фатат електроните што минуваат низ примерокот. Ова овозможи да се поедностави дизајнот на електронските микроскопи со отстранување комплексни системифокусирање и конверзија на сигналот и намалување на бројот на јазли кои можат да воведат случаен шум. Како резултат на тоа, резолуцијата на методот на криоелектронска микроскопија се зголеми на 2-3 ангстроми (сл. 8).

Еден пример практична применакриоелектронската микроскопија во оваа област може да се смета за проучување на вирусот Зика (сл. 10). За време на избувнувањето на епидемијата Зика во Бразил во 2016 година, истражувачите имаа неколку месеци да добијат информации за структурата на вирусот користејќи крио-електронска микроскопија (D. Sirohi et al., 2016. Крио-EM структурата на Зика со резолуција 3,8 Å вирус).

Друг пример - оваа година, криоелектронската микроскопија овозможи да се добие структурата на капсидот на најголемиот претставник на семејството на херпес вируси - човечкиот цитомегаловирус (X. Yu et al., 2017. Атомска структура на капсидот на хуманиот цитомегаловирус со неговиот обезбедување на тегументен слој од pp150). Резултатите од студијата станаа основа за пребарување на можни региони на вирусниот капсид кои би можеле да станат молекуларни цели за антивирусни лекови.

Аркадиј Курамшин

Она што е впечатливо за новата Нобелова награда за хемија, зошто водата треба да се замрзне околу биомолекулите и како компјутерите ги претвораат 2D сликите во 3D, прочитајте го материјалот на страницата за работата Нобеловци 2017 година од Жак Дубоше, Јоаким Франк и Ричард Хендерсон.

Молекуларните структури добиени во последните години се импресивни. Еве цел „шприц“ од салмонела со кој ги напаѓа клетките и протеините кои обезбедуваат отпорност на бактериите на антибиотици и прекрасни структури во основата на флагелите и неверојатно убави ензими. Од фундаментално биолошко знаење за работата на биомолекулите во клетката до разбирање за тоа како се однесуваат молекулите на лекови, сите можеме да го добиеме ова благодарение на методот на крио-електронска микроскопија, за чиј развој ни беше доделена Нобеловата награда за хемија во 2017 година.

Но, што е овој метод и зошто не би можеле да се постигнат истите резултати без него? На крајот на краиштата, во тоа време имаше и рендгенска кристалографија и едноставно електронска микроскопија.

Овие методи им наметнаа на истражувачите неколку важни ограничувања, за чие надминување, или поточно, „за развој на методи на криоелектронска микроскопија за одредување на структурата на биомолекулите во раствори со висока резолуција“, денеска беше доделена престижната награда.

Тројца научници кои биле во потеклото на оваа технологија ќе ја добијат оваа година: Французинот Жак Дубоше, кој работи на Универзитетот во Лозана, Јоаким Франк роден во Германија од Универзитетот Колумбија во Њујорк и Шкотланѓанецот Ричард Хендерсон од лабораторијата. молекуларна биологијаво Кембриџ (патем, се чини дека ова е петнаесеттиот лауреат од оваа лабораторија).

Од лево кон десно: Жак Дубоше, Јоаким Франк и Ричард Хендерсон

Денис Балибауз/Ројтерс, Универзитет Колумбија, Лабораторија за молекуларна биологија на МРЦ

Кога Ернст Руска го измислил и демонстрирал електронскиот микроскоп, кој може да се користи за да се видат позициите на поединечни атоми (за што Руска ја добил Нобеловата награда во 1986 година), друг научник, Ладислав Мартон, напишал статија за тешкотијата на проучување на биолошки материјал со новиот метод, бидејќи биомолекулите и клетките се уништуваат под влијание на проток на електрони. Овој проток мораше да биде многу слаб за да не се оштетат примероците, но таквиот слаб проток даваше слаба резолуција. За електронска микроскопија, примерокот мораше да биде тенок и рамен, што исто така ја комплицираше задачата - беше неопходно да се завршат 3D модели на молекулите што се проучуваат (на пример, протеини) од дводимензионална проекција.

Нормално, не стануваше збор за проучување на живите клетки, но во уништена состојба тие изгледаат сосема поинаку од тоа како изгледаат за време на работата. Покрај тоа, на електронскиот микроскоп му требаше вакуум, а во него испаруваше целата вода, што им помогна на биомолекулите да ја задржат својата природна форма. Сето ова беше тешко и незгодно. Се додека не се појави криоелектронската микроскопија.

Промени во приказот на биомолекулите поврзани со работата на нобеловците од 2017 година

Ричард Хендерсон работеше на протеини во Кембриџ користејќи рендгенска кристалографија, техника со која Розалинд Френклин ги доби познатите слики од кои Вотсон и Крик го изградија својот модел на двојната спирала на ДНК. Сè беше во ред додека Хендерсон не почна да работи на мембранските протеини кои се наоѓаат во клеточната мембрана. Извадени од нивната природна средина, тие станаа бескорисно заплеткано куп атоми. Хендерсон не можеше да изолира еден од нив во доволни количини, другиот не можеше да се кристализира.

Сè се смени кога Хендерсон го зеде протеинот бактериородопсин чувствителен на светлина. Научникот одлучил да не го извлекува од мембраната, туку заедно со него ставил цело парче од мембраната под електронски микроскоп. За да се спречи рушење на структурата, таа беше покриена со раствор на гликоза. За да избегнат оштетување на примерокот со моќен прилив на електрони, научниците испукале послаб зрак. Сликата, очекувано, не излезе многу јасна и контрастна, но и овде го искористија истото математички метод, како и со рендгенската кристалографија, тоа беше овозможено со самата структура на протеините, кои се наоѓаа во мембраната ориентирана во иста насока. Сликите добиени од различни агли покажаа дека протеинот се искривил, поминувајќи низ мембраната седум пати (сега познати како рецептори со седум спирали). Тоа беше најквалитетната слика некогаш добиена со помош на електронски микроскоп.

Резолуцијата од седум ангстроми импресионираше многумина, но Хендерсон не сакаше да запре: тој сакаше да ја постигне истата резолуција како и рендгенската кристалографија, три ангстроми. Со текот на времето, леќите станаа подобри, а се појавија технологии за замрзнување кои овозможуваат примерокот да се зачува во течен азот. За да добие појасна слика за бактериородопсинот, Хендерсон патувал во различни лаборатории користејќи ги најдобрите електронски микроскопи во светот. Сите ги имаа истите маани, но се надополнуваа. И само во 1990 година, 15 години по добивањето на првиот, грозен модерен изгледслики, Хендерсон ја постигна својата цел. Тој покажал дека криоелектронската микроскопија може да биде корисна за проучување на биомолекули, но неговиот бактериородопсин бил нарачан и практично фиксиран во клеточната мембрана. Многу малку други протеини можат да го сторат истото, па биолозите сметаа дека тоа е сепак многу ограничен метод.

Токму во тоа време, од другата страна на Атлантикот, во Њујорк, Јоаким Франк долго време работеше на решение за овој проблем. Веќе во 1975 година тој излезе со теоретски пристап, но беа потребни многу години за да се спроведе. Неговата идеја беше да создаде компјутер кој може да ги разликува случајно поставените протеини од хаотичната позадина. Тој смислил математички метод кој му овозможува на компјутерот да најде различни модели кои се повторуваат на сликата. Компјутерот ги сортираше шаблоните, комбинирајќи слични, за да произведе просечна, но поостра слика. Френк објави неколку трудови со 2D протеински модели со висока резолуција од различни агли. Алгоритмите беа готови до 1981 година.

Следниот чекор беше да се создаде алгоритам кој наоѓа слични 2D слики и ги составува во 3D структури. Во средината на осумдесеттите, Френк го објави овој дел од методот и ја презеде огромната задача да конструира модел на површината на рибозомот, џиновската молекуларна машина за склопување на протеини во клетката.

Метод за анализа на 3Д структури развиен од Јоаким Френк: 1. Зрак од електрони погодува случајно ориентирани протеини, што резултира со тоа што нивниот отпечаток останува на сликата. 2. Благодарение на методите за обработка на нејасни информации, компјутерот ги групира добиените слики кои се слични една на друга во групи. 3. Користејќи ги добиените илјадници слики, компјутерот конструира 2D слика со висока резолуција. 4. Компјутерот анализира како 2D сликите се поврзани една со друга во вселената и создава 3D слика со висока резолуција.

Јохан Јарнестад/Кралската шведска академија на науките

Малку порано, во 1978 година, друг научник, Жак Дубоше, започна да го решава третиот дел од овој проблем со електронски микроскоп. Како што се сеќаваме, биомолекулите претрпеле многу, претворајќи се во безоблична маса ако водата околу нив испарила, а во вакуумската комора на електронскиот микроскоп таа нужно испарувала. Едноставното замрзнување не даде резултати: ледените кристали, кои се шират во споредба со водата, би можеле да го раскинат протеинот што се проучува и да ја уништат неговата структура. Додека Хендерсон имал среќа со бактериородопсин, други научници се бореле со немембрански протеини растворливи во вода.

Дубош смислил ултрабрз метод на замрзнување со помош на течен азот: се чинеше дека водата „стаклена“ и протокот на електрони совршено се рефлектираше од неа и даваше добра слика. Ова овозможи совршено да се подготви биолошки материјал за работа, што го докажа Дубоше со објавување на неколку структури на вируси добиени со овој метод во 1984 година.

Метод на Дубоше: 1. На примерокот се става метално сито и се просејува вишокот материјал. 2. Ситото се става во етан на температура од околу -196°C, предизвикувајќи примерокот да формира тенок филм низ дупките во ситото. 3. Водата се претвора во супстанција слична на стакло и го опкружува примерокот, а потоа се лади со течен азот за време на набљудувањата со електронски микроскоп.

Јохан Јарнестад/Кралската шведска академија на науките

Од овој момент, истражувачите почнаа да му се обраќаат на Дубоше за да го научат неговиот метод. Френк исто така се сретнал со него за да ги добие површинските структури на рибозомот. Комбинацијата на методите на Дубоше, Френк и Хендерсон ја формираше основата на криоелектронската микроскопија.

Всушност, потребата да се добие структурата на „жив“ рибозом беше таа што ја „мотивираше“ желбата за брзо совладување на методот: рибозомот е една од главните цели на антибиотското дејство, за што просторното усогласување со шуплините на рибозомите се многу важни. И сега повеќето комплекси на потенцијални антимикробни лекови со рибозоми „се разгледуваат“ со помош на методи на криоелектронска микроскопија.

Методот стана толку важен што ширум светот се одржуваат многу големи конференции посветени конкретно на методот CryoEM, како што е скратено во литературата на англиски јазик. Во 2017 година, првата ваква конференција се одржа на Московскиот државен универзитет.

Одлуката на Нобеловиот комитет беше коментирана специјално за локацијата од кандидат за физички и математички науки, раководител на одделот за молекуларна и радијациона биофизика на Институтот во Санкт Петербург. нуклеарна физикаименувана по Б.П. Константинов Андреј Коневега, чија истражувачка група често користи CryoEM методи во својата работа:

„Крио-електронската микроскопија ја револуционизираше структурната биологија бидејќи овозможува снимање на макромолекули со висока резолуција, сега со иста резолуција како кристалографијата со рендген, без потреба од кристализирање на протеините. Односно, сите биомолекули во текот на студијата се во нивната природна состојба. Во текот на изминатата деценија, овој метод забележа квалитативен скок во квалитетот на добиените структури и во резолуцијата. Ова беше овозможено благодарение на технолошкиот напредок: нови микроскопи, нови камери, нови методи на обработка. Она што е важно е дека биолозите сега имаат доволно моќни компјутерски системи за да овозможат обработката да трае со денови, а не со месеци или години. Ние самите во Русија имаме такви центри за обработка на податоци во Истражувачкиот центар „“ во Москва и во Истражувачкиот центар „Институт Курчатов“-ПНПИ во Гачина, така што активно ги користиме за обработка на нашите податоци.

За наградата:

Во текот на 117 години, беа доделени 109 награди за хемија (како и во другите дисциплини, имаше години кога наградата не се доделуваше поради војна или кога Нобеловиот комитет не постигна договор). Првата награда ја доби Џејкоб Хендрик ван'т Хоф во 1901 година. Во текот на целиот период во Стокхолм беа објавени имињата на 178 лауреати. Точно, само 177 луѓе ја добија наградата: Фредерик Сангер стана единствената личност во историјата што ја доби наградата двапати.

Просечната возраст на добитниците на наградата (без наградата за 2017 година) е 58 години. Најмладиот беше Фредерик Жолио-Кири, кој ја доби наградата во 1935 година на 35-годишна возраст, најстариот беше Џон Фен: нобеловецот од 2002 година имаше 85 години. Инаку, наградата не е баш лесна за жените: за 117 години имало само четири лауреати, од кои половината од исто семејство. Марија Кири ја доби наградата во 1911 година, а нејзината ќерка Ајрин во 1935 година. Друга половина е за истата рендгенска кристалографија со која се натпреварува криоелектронската микроскопија. Во 1964 година наградата и беше доделена на Дороти Кроуфут Хоџкин за анализа на рендгенска дифракција на биомолекули, а во 2009 година победник беше Ада Јонат, која ја искористи оваа техника за да ја одреди структурата на рибозомот.