Twórca nawozów i broni chemicznej

Jednym z najbardziej kontrowersyjnych laureatów Nagrody Nobla był Fritz Haber. Nagrodę Chemiczną przyznano mu w 1918 roku za wynalezienie metody syntezy amoniaku, odkrycie o kluczowym znaczeniu dla produkcji nawozów sztucznych. Jednak znany jest również jako „ojciec broni chemicznej” ze względu na prace nad trującym gazem chlorem używanym podczas I wojny światowej.

Zabójcze odkrycie

Inny niemiecki naukowiec, Otto Han (na zdjęciu w środku), otrzymał w 1945 roku Nagrodę Nobla za odkrycie rozszczepienia jądro atomowe. Chociaż nigdy nie pracował nad militarnym zastosowaniem tego odkrycia, doprowadziło to bezpośrednio do rozwoju bronie nuklearne. Gan otrzymał premię kilka miesięcy po ich zwolnieniu bomby nuklearne do Hiroszimy i Nagasaki.

Od Friedmana do Obamy: najbardziej kontrowersyjni laureaci Nagrody Nobla

Przełom, który został zakazany

Szwajcarski chemik Paul Müller zdobył w 1948 roku nagrodę medyczną za odkrycie, że DDT może skutecznie zabijać owady przenoszące choroby takie jak malaria. Stosowanie pestycydów uratowało kiedyś miliony istnień ludzkich. Jednak później ekolodzy zaczęli argumentować, że DDT stanowi zagrożenie dla zdrowia ludzkiego i szkodzi przyrodzie. Dziś jego użycie jest zabronione na całym świecie.

Od Friedmana do Obamy: najbardziej kontrowersyjni laureaci Nagrody Nobla

Niewygodna nagroda

Ze względu na swój jawny i ukryty podtekst polityczny Nagroda Pokojowa jest prawdopodobnie najbardziej kontrowersyjną ze wszystkich nagród Nobla. W 1935 roku niemiecki pacyfista Carl von Ossietzky otrzymał go za ujawnienie tajnego zbrojenia Niemiec. Sam Ossietzky przebywał w więzieniu pod zarzutem zdrady stanu, a oburzony Hitler oskarżył komitet o ingerencję w wewnętrzne sprawy Niemiec.

Od Friedmana do Obamy: najbardziej kontrowersyjni laureaci Nagrody Nobla

(Możliwa) Nagroda Pokojowa

Decyzja norweskiej komisji o przyznaniu Pokojowej Nagrody Sekretarzowi Stanu USA Henry’emu Kissingerowi i przywódcy Wietnamu Północnego Le Duc Tho w 1973 r. spotkała się z ostrą krytyką. Nagroda Nobla miała być symbolem uznania osiągnięć w doprowadzeniu do zawieszenia broni wojna wietnamska jednak Le Duc Tho odmówił jego przyjęcia. Wojna w Wietnamie trwała jeszcze dwa lata.

Od Friedmana do Obamy: najbardziej kontrowersyjni laureaci Nagrody Nobla

Libertarianin i dyktator

Zwolennik wolnego rynku Milton Friedman jest jednym z najbardziej kontrowersyjnych laureatów Pokojowej Nagrody Nobla w dziedzinie ekonomii. Decyzja komisji z 1976 r. wywołała międzynarodowe protesty ze względu na powiązania Friedmana z chilijskim dyktatorem Augusto Pinochetem. Friedman faktycznie odwiedził Chile rok wcześniej, a krytycy twierdzą, że jego pomysły zainspirowały reżim, w którym tysiące ludzi było torturowanych i zabijanych.

Od Friedmana do Obamy: najbardziej kontrowersyjni laureaci Nagrody Nobla

Próżne nadzieje

Nagroda Pokojowa, którą w 1994 r. podzielili się palestyński przywódca Jaser Arafat, izraelski premier Icchak Rabin i izraelski minister spraw zagranicznych Szimon Peres, miała stanowić dodatkową zachętę do pokojowego rozwiązania konfliktu na Bliskim Wschodzie. Zamiast tego dalsze negocjacje zakończyły się niepowodzeniem, a rok później Rabin został zamordowany przez izraelskiego nacjonalistę.

Od Friedmana do Obamy: najbardziej kontrowersyjni laureaci Nagrody Nobla

Straszne wspomnienia

Działaczka na rzecz praw człowieka Rigoberta Menchú, która broni interesów narodu Majów, otrzymała w 1992 roku Nagrodę Pokojową „za walkę o sprawiedliwość społeczną”. Następnie decyzja ta wywołała wiele kontrowersji, ponieważ w jej wspomnieniach rzekomo odkryto fałszerstwa. Jej sławę przyniosły jej przedstawienia przedstawiające okrucieństwa ludobójstwa dokonanego na rdzennej ludności Gwatemali. Wielu jest jednak przekonanych, że i tak zasłużyła na tę nagrodę.

Od Friedmana do Obamy: najbardziej kontrowersyjni laureaci Nagrody Nobla

Przedwczesna nagroda

Kiedy w 2009 roku Barack Obama otrzymał Pokojową Nagrodę, wielu było zaskoczonych, w tym on sam. Będąc prezydentem niecały rok, otrzymał tę nagrodę za „niezwykłe wysiłki na rzecz wzmocnienia międzynarodowej dyplomacji”. Krytycy Obamy i część jego zwolenników uważali, że nagroda jest przedwczesna i otrzymał ją, zanim zdążył wykonać jakiekolwiek realne posunięcia.

Od Friedmana do Obamy: najbardziej kontrowersyjni laureaci Nagrody Nobla

Nagroda pośmiertna

W 2011 roku Komitet Noblowski uznał Julesa Hoffmana, Bruce’a Beutlera i Ralpha Steinmana za laureatów Nagrody Medycznej za ich odkrycia w dziedzinie medycyny. układ odpornościowy. Problem w tym, że kilka dni wcześniej Steinman zmarł na raka. Zgodnie z przepisami nagroda nie jest przyznawana pośmiertnie. Komisja mimo to przyznała ją Steinmanowi, uzasadniając to faktem, że wówczas nie była jeszcze znana jego śmierć.

Od Friedmana do Obamy: najbardziej kontrowersyjni laureaci Nagrody Nobla

„Największe zaniedbanie”

Nagroda Nobla budzi kontrowersje nie tylko ze względu na to, kto ją otrzymał, ale także dlatego, że ktoś jej nigdy nie otrzymał. W 2006 roku członek Komitetu Nobla Geir Lundestad stwierdził, że „z pewnością największym zaniedbaniem w naszej 106-letniej historii było to, że Mahatma Gandhi nigdy nie otrzymał nagroda Nobla pokój."


Nagroda Nobla w dziedzinie chemii 2017 została przyznana za opracowanie wysokorozdzielczej mikroskopii krioelektronowej do określania struktury biomolekuł w roztworach. Laureatami zostali przedstawiciele Uniwersytetu w Lozannie, Joachim Frank z Uniwersytetu Columbia oraz Uniwersytet w Cambridge.

Mikroskopia krioelektronowa jest formą transmisyjnej mikroskopii elektronowej, w której próbkę bada się w temperaturach kriogenicznych.

Metoda jest popularna w biologia strukturalna, ponieważ pozwala na obserwację okazów, które nie zostały zabarwione ani utrwalone w inny sposób, pokazując je w ich naturalnym środowisku.

W przypadku kriomikroskopii elektronowej ruch atomów wchodzących do cząsteczki ulega spowolnieniu, co umożliwia uzyskanie bardzo wyraźne obrazy jego strukturę. Uzyskane informacje na temat struktury cząsteczek są niezwykle ważne, m.in. dla głębszego zrozumienia chemii i rozwoju farmaceutyków.

Wiele przełomów w nauce wiąże się z udaną wizualizacją obiektów niewidocznych dla ludzkiego oka. Mikroskopia optyczna pozwoliła udowodnić istnienie mikroorganizmów, przyjrzeć się plemnikom i komórkom jajowym, częściowo zbadać strukturę komórkową, a nawet zobaczyć chromosomy. Mikroskopia elektronowa, która zamiast strumienia świetlnego wykorzystywała wiązkę elektronów, umożliwiła pokonanie fizycznych ograniczeń teleskopów optycznych.

Miała jednak także swoje wady. Najpierw potężna wiązka elektronów zniszczyła materiał biologiczny. Po drugie, aby elektrony przyspieszały, potrzebują próżni - w związku z tym lek musiał znajdować się w próżni.

Dlatego niemożliwe było badanie „żywych” próbek za jego pomocą.

Wkład Joachima Franka przyczynił się do szerokiego rozpowszechnienia metody. Już w latach 1975-1986 opracował metodę przetwarzania obrazu, która polegała na analizie obrazów uzyskanych za pomocą mikroskop elektronowy dwuwymiarowe obrazy i konstrukcja na ich podstawie trójwymiarowych struktur badanych obiektów.

Jacques Dubochet zasugerował użycie szybko schłodzonej wody do konserwacji próbek. Chłodzenie próbek jako sposób na ich konserwację jest rozważane przez naukowców już od dłuższego czasu. Jednak gdy woda zamarzła i utworzyła się sieć krystaliczna, struktura próbek uległa zniszczeniu. W postaci płynnej odparował w komorze próżniowej mikroskopu elektronowego, co ponownie doprowadziło do zniszczenia badanych cząsteczek.

Wreszcie znaleziono sposób na ominięcie fazy krystalizacji i zapewnienie, że woda przejdzie w stan szklisty. Metodę tę nazwano witryfikacją.

Podczas witryfikacji woda była w stanie chronić cząsteczki przed zniszczeniem nawet w próżni.

Odkrycia te dały potężny impuls do rozwoju mikroskopii elektronowej. W 2013 roku naukowcom udało się zbadać nawet pojedyncze atomy materii, a tak wysoka rozdzielczość umożliwia badanie rybosomów i mitochondriów komórek, kanałów jonowych i kompleksów enzymatycznych.

W 2015 roku czasopismo Nature Methods uznało mikroskopię krioelektronową pojedynczych cząstek za przełomową metodę roku.

Najnowsze osiągnięcia techniczne w tej dziedzinie umożliwiły naukowcom odejście od metody krystalografii rentgenowskiej, główna wada czyli konieczność krystalizacji białek, co może być trudne w przypadku białek o złożonej strukturze. W ostatnich latach czasopisma naukowe były pełne szczegółowych zdjęć powierzchni wirusa Zika i białek powodujących oporność na antybiotyki. W szczególności można było zobaczyć, jak bakterie Staphylococcus aureus opierają się działaniu antybiotyków, a także uzyskać migawkę struktury, za pomocą której koronawirusy przenikają do komórek.

Pomimo szybkiego postępu w tej dziedzinie, koszt sprzętu i znormalizowanych metod nieco spowolniły powszechne przyjęcie technologii mikroskopii krioelektronowej.

Wśród pretendentów do Nagrody Nobla w dziedzinie chemii znalazł się Rosjanin – czołowy badacz Instytutu Fizyki Chemicznej (ICP) im. N. N. Semenova wraz z kolegami z USA wniósł znaczący wkład w dziedzinę funkcjonalizacji węgiel-wodór - przemysł rozwijający nowe metody syntezy związki organiczne. Na liście potencjalnych zwycięzców znaleźli się także Duńczyk Jens Norskov za fundamentalne postępy w dziedzinie katalizy heterogenicznej na powierzchniach stałych oraz zespół chemików Tsutomu Miyasaki, Nam-Kyu Park i Henry Snaith za odkrycie minerału perowskitu i opracowania na jego bazie .

W 2016 roku nagrodę otrzymali Jean-Pierre Sauvage, Stoddart i Bernard Feringa za wynalezienie maszyn molekularnych.

W zeszłym tygodniu ogłoszono, że Nagroda Nobla w dziedzinie chemii za rok 2017 trafi do Szwajcara Jacquesa Dubocheta, Amerykanina niemieckiego pochodzenia Joachima Franka i Szkota Richarda Hendersona za „rozwój technik kriomikroskopii elektronowej o wysokiej rozdzielczości do określania trójwymiarowych struktur biomolekuł w rozwiązaniu." Ich prace umożliwiły począwszy od lat 80-tych ubiegłego wieku testowanie i stopniowe udoskonalanie tego typu mikroskopii do tego stopnia, że ostatnie lata naukowcy mogą bardzo szczegółowo oglądać złożone cząsteczki biologiczne. Komitet Noblowski zauważył, że metoda kriomikroskopii elektronowej przełożyła biochemię na język Nowa era, co pozwala nam wypełnić wiele luk w wiedzy o cząsteczkach życia i układach żywych.

Zauważmy od razu, że kriogenicznej mikroskopii elektronowej trudno nazwać zasadniczo nową i samowystarczalną metodą fizycznego badania materii. Jest to raczej rodzaj transmisyjnej mikroskopii elektronowej (jeden z autorów tej metody, Ernst Ruska, otrzymał Nagrodę Nobla w 1986 r.), która została specjalnie przystosowana do badania obiektów mikrobiologicznych.

W transmisyjnym mikroskopie elektronowym wiązka elektronów przepuszczana jest przez próbkę wystarczająco cienką, aby była przezroczysta dla elektronów (zwykle dziesiątych i setnych mikrona), które przechodząc przez próbkę są absorbowane i rozpraszane, zmieniając kierunek ruch. Zmiany te można zarejestrować (obecnie jako detektor najczęściej wykorzystuje się matrycę CCD, której twórcy, Willard Boyle i George Smith, zostali laureatami) i po analizie uzyskać obraz badanego obiektu w płaszczyźnie prostopadle do belki. Ponieważ wewnętrzna długość fali elektronów (dziesiątki pikometrów przy energiach charakterystycznych dla mikroskopów elektronowych) jest znacznie krótsza niż długość fali światła w obszarze widzialnym (setki nanometrów), mikroskopia elektronowa może „zobaczyć” znacznie dokładniejsze szczegóły niż mikroskopia optyczna, w tym m.in. mikroskopia fluorescencyjna o wysokiej rozdzielczości (HRFM), opracowana przez laureatów Erica Betziga, Stefana Hell i Williama Moernera.

Maksymalna rozdzielczość mikroskopów elektronowych – kilka angstremów (dziesiątych części nanometra) – została już prawie osiągnięta. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie obrazów, na których można wyróżnić np. poszczególne atomy. Dla porównania: granica możliwości HRFM wynosi 10–20 nm. Ale samo porównywanie różnych metod opartych na maksymalnej rozdzielczości jest zupełnie bezcelowe. Mikroskopy elektronowe mają wysoką rozdzielczość, ale nie zawsze można z niej skorzystać. Faktem jest, że próbka oprócz szlifowania w trakcie przygotowania, w trakcie samego badania poddawana jest dość poważnemu naświetlaniu wiązką elektronów (w przybliżeniu im intensywna wiązka, tym mniej błędów i lepszy wynik), będąc jednocześnie w próżni (podciśnienie jest potrzebne, aby ośrodek nie rozpraszał elektronów na zewnątrz próbki, wprowadzając w ten sposób niepotrzebne zniekształcenia). Takie warunki są całkowicie nieodpowiednie, jeśli trzeba badać złożone cząsteczki i obiekty biologiczne - ulegają one uszkodzeniu w rozrzedzonym środowisku i jest w nich wiele raczej słabych wiązań, które po prostu ulegną zniszczeniu podczas badania.

Zrozumienie, że bez dodatkowych udoskonaleń mikroskopu elektronowego nie da się dostosować do badania biomolekuł i układów żywych, pojawiło się niemal natychmiast po jego wynalezieniu. Na przykład węgierski fizyk Ladislav Marton pisał o tym trzy lata po demonstracji zasady działania mikroskopu elektronowego przez Ernsta Ruską w 1931 roku (L. Marton, 1934. Electron Microscopy of Biological Objects). W tym samym artykule Marton zaproponował również sposoby rozwiązania tego problemu. W szczególności zwrócił także uwagę, że zamrożenie próbek może zmniejszyć szkody spowodowane napromienianiem wiązką elektronów. Należy zauważyć, że choć nie zostało to stwierdzone w artykule Martona, zamrożenie próbki pomaga również poprzez zmniejszenie wibracji termicznych cząsteczek, co również poprawia uzyskany obraz.

W latach 70. i 80. nauka i technologia osiągnęły poziom rozwoju wystarczający do pokonania wszelkich trudności. A stało się to w dużej mierze dzięki staraniom tegorocznych laureatów.

Richard Henderson jako pierwszy wykonał obraz asymetrycznego białka w rozdzielczości atomowej za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (z chłodzoną próbką). Prace badawcze rozpoczął w połowie lat 70. Co więcej, Henderson początkowo próbował uzyskać strukturę kilku białek z błony komórkowej, stosując metodę analizy dyfrakcji promieni rentgenowskich, która już wtedy mogła dać rozdzielczość kilku angstremów. Szybko jednak stało się jasne, że tą metodą nie można osiągnąć dobrego wyniku: badana substancja musi mieć postać krystaliczną, a białka błonowe wyekstrahowane ze swojego otoczenia albo słabo krystalizują, albo wręcz tracą swój kształt. Następnie przeszedł na mikroskopię elektronową.

Wybrano konkretne białko – bakteriorodopsynę – i zdecydowano, że nie będzie ono ekstrahowane z błony, lecz będzie badane bezpośrednio w niej. Naukowcy dodatkowo pokryli próbki roztworem glukozy, aby zabezpieczyć je przed wysychaniem w próżni. Pomogło to rozwiązać problem utrzymania konstrukcji. Następnie Henderson i jego współpracownicy stanęli przed opisanym już problemem niszczenia próbek pod wpływem wiązki elektronów. Pomogło w rozwiązaniu tego połączenie kilku czynników.

Po pierwsze, bakteriorodopsyna występuje regularnie w błonie, dlatego dokładne rozważenie tej prawidłowości w połączeniu ze strzelaniem pod różnymi kątami bardzo pomaga w konstruowaniu obrazu. Pomogło to zmniejszyć intensywność wiązki i skrócić czas ekspozycji, ale poprawić jakość. Już w 1975 roku udało się uzyskać obraz tego białka z rozdzielczością 7 angstremów (ryc. 3, por. R. Henderson, P. N. T. Unwin, 1975. Trójwymiarowy model fioletowej membrany uzyskany za pomocą mikroskopii elektronowej).

Po drugie, Henderson miał okazję podróżować do różnych krajów ośrodków naukowych i wypróbuj różne mikroskopy elektronowe. Ponieważ w tamtych latach nie było unifikacji, różne mikroskopy miały swoje zalety i wady: różne stopnie ewakuacji komory, różne stopnie chłodzenia próbki (zmniejsza to uszkodzenia spowodowane napromieniowaniem elektronów), różne energie wiązek elektronów i różne czułości detektora. Dlatego możliwość badania tego samego obiektu pod różnymi mikroskopami pozwoliła w pierwszej kolejności wybrać „najmniej niekorzystne” warunki uzyskania obrazu, a następnie stopniowo je poprawiać. Henderson zgromadził więc dane i uzyskał coraz dokładniejszą strukturę bakteriorodopsyny. W 1990 roku ukazał się jego artykuł, w którym przedstawiono model tego białka z rozdzielczością atomową (R. Henderson i in., 1990. Model struktury bakteriorodopsyny oparty na kriomikroskopii elektronowej wysokiej rozdzielczości).

W tych pionierskich badaniach Henderson wykazał, że mikroskopia krioelektronowa może generować obrazy o rozdzielczości tak dobrej jak dyfrakcja promieni rentgenowskich, co było wówczas przełomem. To prawda, że ​​​​w wyniku tym w znacznym stopniu wykorzystano fakt, że bakteriorodopsyna regularnie występuje Błona komórkowa i nie było jasne, czy taką rozdzielczość można osiągnąć dla innych „nieregularnych” cząsteczek.

Problem przetwarzania słabych sygnałów z losowo rozmieszczonych cząsteczek biologicznie aktywnych rozwiązał inny laureat Nagrody Nobla z 2017 roku, Joachim Frank. Jego głównym wkładem w rozwój mikroskopii krioelektronowej jest stworzenie algorytmów do analizy dwuwymiarowych obrazów uzyskanych za pomocą mikroskopii krioelektronowej, które pozwalają na budowę wysokiej jakości trójwymiarowego modelu. Podobne algorytmy zostały już opracowane dla innych technik mikroskopowych. Frank zoptymalizował i w dużym stopniu udoskonalił metody analizy matematycznej umożliwiającej separację przydatna informacja, uzyskane podczas mikroskopii elektronowej, z sygnałów spowodowanych szumem. W precyzyjnych urządzeniach elektronicznych szumy powstają z różnych powodów: losowe wahania prądu i napięcia mogą wynikać z nierównomiernej emisji elektronów w blokach próżniowych, nierównomiernych procesów tworzenia i rekombinacji nośników ładunku (elektronów i dziur przewodzących) w blokach półprzewodników, ruchu termicznego nośniki prądu w przewodnikach (szum termiczny) lub hałas zewnętrzny (mimo że wszystko jest zwykle dobrze izolowane).

Przez to zadanie jest jeszcze bardziej skomplikowane. Jeśli obiekty, nawet jeśli są takie same lub w przybliżeniu takie same, jak powinno być w takich badaniach, są nieuporządkowane, to dają sygnały o nieco innej strukturze, które mogą się wzajemnie zacierać. Co więcej, przyczyna takiego rozmycia – czy jest to szum, czy błędy algorytmu – nie jest łatwa do ustalenia. Zasadę przetwarzania danych pokazano schematycznie na ryc. 5: liczne płaskie obrazy badanej cząsteczki są oczyszczane z szumu i wpisywane według „kątów”, następnie z obrazów o małych kątach budowany jest profil wyższej jakości, a na koniec z tych profili budowany jest trójwymiarowy model .

W 1981 roku Frank uogólnił modele matematyczne w pierwszej wersji program komputerowy SPIDER (System przetwarzania danych obrazowych z mikroskopii elektronowej i dziedzin pokrewnych - System przetwarzania danych z mikroskopii elektronowej i dziedzin pokrewnych, pierwsza publikacja: J. Frank i in., 1981. Spider - modułowy system oprogramowania do przetwarzania obrazu elektronowego). Ten pakiet oprogramowania istnieje do dziś i jest aktualizowany, a ponadto programy te można rozpowszechniać bezpłatnie, co z pewnością ułatwia pracę naukowcom na całym świecie. Frank za pomocą własnych algorytmów uzyskał obraz powierzchni rybosomu – organelli komórkowej składającej się z nici RNA i związanych z nimi białek, która służy do biosyntezy białka z aminokwasów w oparciu o informację genetyczną.

Konsola „krio-” pojawił się w mikroskopii elektronowej za sprawą trzeciego laureata, Jacques’a Dubocheta. Opracował metodę szybkiego chłodzenia roztwory wodne z próbkami (J. Dubochet, A.W. McDowall, 1981. Witryfikacja czystej wody do mikroskopii elektronowej). Co więcej, woda musi zamarzać tak szybko, że cząsteczki nie mają czasu na ułożenie się w jednej linii sieci krystalicznej, losowo zamrażając (patrz lód amorficzny). Osiąga się to poprzez szybkie zanurzenie cienkiej warstwy roztworu z próbką w pojemniku z ciekłym etanem schłodzonym do –160°C (rys. 6). Właściwy sposób zamrażanie można nazwać kluczem do sukcesu całej metody, ponieważ uporządkowane kryształki lodu mogą powodować dyfrakcję elektronów, zniekształcając informację o badanych cząsteczkach. Ze względu na dużą masę cząsteczkową białek i kwasy nukleinowe Cząsteczki te są niezdarne, więc po błyskawicznym zamrożeniu nie mają czasu ani na zmianę swojej pozycji, ani na zmianę kształtu. Oznacza to, że struktura cząsteczek biologicznie aktywnych nie zmienia się podczas szybkiego zamrażania tą metodą. Wykorzystując ją, Dubochet jako pierwszy zastosował mikroskopię krioelektronową do badania struktury wirusów (ryc. 7, patrz M. Adrian i in., 1984. Mikroskopia krioelektronowa wirusów).

W latach 90. i 2000. mikroskopia krioelektronowa stopniowo się rozwijała i ulepszała wraz z postępem mocy obliczeniowej i precyzji instrumentów. Jednak prawdziwy rozkwit mikroskopii krioelektronowej rozpoczyna się w 2012 roku. Jest to związane z pojawieniem się bezpośrednich detektorów elektronów opartych na technologii CMOS (CMOS), które mogą bezpośrednio wychwytywać elektrony przechodzące przez próbkę. Umożliwiło to uproszczenie konstrukcji mikroskopów elektronowych poprzez usunięcie złożone systemy ogniskowanie i konwersja sygnału oraz zmniejszenie liczby węzłów, które mogą wprowadzać losowy szum. W rezultacie rozdzielczość metody mikroskopii krioelektronowej wzrosła do 2–3 angstremów (ryc. 8).

Jeden przykład praktyczne zastosowanie Mikroskopię krioelektronową w tym obszarze można uznać za badanie wirusa Zika (ryc. 10). Podczas wybuchu epidemii Zika w Brazylii w 2016 r. badacze mieli kilka miesięcy na uzyskanie informacji na temat struktury wirusa za pomocą mikroskopii krioelektronowej (D. Sirohi i in., 2016. Struktura krio-EM wirusa Zika o rozdzielczości 3,8 Å wirus).

Inny przykład – w tym roku mikroskopia krioelektronowa umożliwiła otrzymanie struktury kapsydu największego przedstawiciela rodziny wirusów opryszczki – ludzkiego cytomegalowirusa (X. Yu i in., 2017. Atomic Structure of the human cytomegalovirus capsid wraz z jego zabezpieczająca warstwę wierzchnią pp150). Wyniki badań stały się podstawą do poszukiwania potencjalnych obszarów kapsydu wirusa, które mogłyby stać się celami molekularnymi leków przeciwwirusowych.

Arkadij Kuramszyn

Co ciekawego na temat nowej Nagrody Nobla z chemii, dlaczego należy zamrażać wodę wokół biomolekuł i jak komputery zamieniają obrazy 2D w 3D, przeczytaj materiał na stronie o pracy Laureaci Nobla 2017 autorstwa Jacques’a Dubocheta, Joachima Franka i Richarda Hendersona.

Uzyskane w ostatnich latach struktury molekularne robią wrażenie. Oto cała „strzykawka” salmonelli, za pomocą której atakuje komórki, oraz białka zapewniające bakteriom odporność na antybiotyki, piękne struktury u podstawy wici i niezwykle piękne enzymy. Od podstawowej wiedzy biologicznej na temat pracy biomolekuł w komórce po zrozumienie, jak zachowują się cząsteczki leków, wszyscy możemy ją zdobyć dzięki metodzie mikroskopii krioelektronowej, za której opracowanie otrzymaliśmy Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii 2017.

Ale czym jest ta metoda i dlaczego bez niej nie można byłoby osiągnąć takich samych wyników? W końcu istniała już wtedy zarówno krystalografia rentgenowska, jak i po prostu mikroskopia elektronowa.

Metody te nałożyły na badaczy kilka istotnych ograniczeń, za przezwyciężenie których, a dokładniej „za rozwój metod mikroskopii krioelektronowej do określania struktury biomolekuł w roztworach o wysokiej rozdzielczości” przyznano dziś tę prestiżową nagrodę.

Otrzyma ją w tym roku trzech naukowców, którzy stworzyli tę technologię: Francuz Jacques Dubochet, który pracuje na Uniwersytecie w Lozannie, urodzony w Niemczech Joachim Frank z Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku oraz Szkot Richard Henderson z laboratorium Biologia molekularna w Cambridge (swoją drogą to chyba piętnasty laureat z tego laboratorium).

Od lewej do prawej: Jacques Dubochet, Joachim Frank i Richard Henderson

Denis Balibouse/Reuters, Uniwersytet Columbia, Laboratorium Biologii Molekularnej MRC

Kiedy Ernst Ruska wynalazł i zademonstrował mikroskop elektronowy, za pomocą którego można zobaczyć położenie poszczególnych atomów (za co Ruska otrzymał w 1986 roku Nagrodę Nobla), inny naukowiec, Ladislav Marton, napisał artykuł o trudnościach badania materiału biologicznego za pomocą nowa metoda, ponieważ biomolekuły i komórki ulegają zniszczeniu pod wpływem przepływu elektronów. Przepływ ten musiał być bardzo słaby, aby nie uszkodzić próbek, ale tak słaby przepływ dawał słabą rozdzielczość. Do mikroskopii elektronowej próbka musiała być cienka i płaska, co również komplikowało zadanie – konieczne było uzupełnienie modeli 3D badanych cząsteczek (np. białek) z projekcji dwuwymiarowej.

Naturalnie nie było mowy o badaniu żywych komórek, jednak w stanie zniszczonym wyglądają one zupełnie inaczej niż podczas pracy. Ponadto mikroskop elektronowy potrzebował próżni, w której odparowała cała woda, co pomogło biomolekułom zachować naturalny kształt. Wszystko to było trudne i niewygodne. Dopóki nie pojawiła się mikroskopia krioelektronowa.

Zmiany w obrazowaniu biomolekuł związane z twórczością laureatów Nagrody Nobla z 2017 roku

Richard Henderson pracował nad białkami w Cambridge, stosując krystalografię rentgenowską – technikę, dzięki której Rosalind Franklin uzyskała słynne obrazy, na podstawie których Watson i Crick zbudowali swój model podwójnej helisy DNA. Wszystko było w porządku, dopóki Henderson nie zaczął pracować nad białkami błonowymi znajdującymi się w błonie komórkowej. Wyrwane ze swojego naturalnego środowiska stały się bezużytecznym stosem splątanych atomów. Henderson nie był w stanie wyizolować jednego z nich w wystarczającej ilości, drugiego nie udało się skrystalizować.

Wszystko się zmieniło, gdy Henderson przyjął światłoczułą bakteriorodopsynę białkową. Naukowiec zdecydował się nie wyciągać go z membrany, lecz umieścił wraz z nim cały kawałek membrany pod mikroskopem elektronowym. Aby zapobiec zapadnięciu się konstrukcji, pokryto ją roztworem glukozy. Aby uniknąć uszkodzenia próbki silnym strumieniem elektronów, naukowcy wystrzelili słabszą wiązkę. Obraz, zgodnie z oczekiwaniami, nie wyszedł zbyt wyraźny i kontrastowy, ale tutaj użyli tego samego metoda matematyczna, podobnie jak w przypadku krystalografii rentgenowskiej, było to możliwe dzięki samej strukturze białek, które znajdowały się w membranie zorientowanej w tym samym kierunku. Zdjęcia uzyskane pod różnymi kątami pokazały, że białko skręciło się, przechodząc przez błonę siedem razy (obecnie znane jako receptory siedmiu helis). Był to obraz najwyższej jakości, jaki kiedykolwiek uzyskano za pomocą mikroskopu elektronowego.

Rozdzielczość siedmiu angstremów zrobiła na wielu wrażenie, ale Henderson nie chciał przestać: chciał osiągnąć tę samą rozdzielczość, co krystalografia rentgenowska, czyli trzy angstremów. Z biegiem czasu soczewki stały się lepsze i pojawiły się technologie zamrażania, które pozwalają na konserwację próbki w ciekłym azocie. Aby uzyskać jaśniejszy obraz bakteriorodopsyny, Henderson podróżował do różnych laboratoriów, korzystając z najlepszych mikroskopów elektronowych na świecie. Wszyscy mieli te same wady, ale uzupełniali się. I dopiero w 1990 roku, 15 lat po otrzymaniu pierwszego, brzydkiego nowoczesny wygląd zdjęć Henderson osiągnął swój cel. Pokazał, że mikroskopia krioelektronowa może być przydatna do badania biomolekuł, ale jego bakteriorodopsyna została uporządkowana i praktycznie utrwalona w błonie komórkowej. Bardzo niewiele innych białek potrafi zrobić to samo, więc biolodzy uznali, że jest to nadal bardzo ograniczona metoda.

Właśnie w tym czasie, po drugiej stronie Atlantyku, w Nowym Jorku, Joachim Frank długo pracował nad rozwiązaniem tego problemu. Już w 1975 roku wymyślił podejście teoretyczne, ale jego wdrożenie zajęło wiele lat. Jego pomysł polegał na stworzeniu komputera, który potrafiłby odróżnić losowo rozmieszczone białka od chaotycznego tła. Opracował metodę matematyczną, która pozwala komputerowi znajdować różne powtarzające się wzory na obrazie. Komputer posortował wzory, łącząc podobne, aby uzyskać przeciętny, ale ostrzejszy obraz. Frank opublikował kilka artykułów przedstawiających modele białek 2D o wysokiej rozdzielczości pod różnymi kątami. Algorytmy były gotowe w 1981 roku.

Kolejnym krokiem było stworzenie algorytmu, który wyszukuje podobne obrazy 2D i składa je w struktury 3D. W połowie lat osiemdziesiątych Frank opublikował tę część metody i podjął się ogromnego zadania zbudowania modelu powierzchni rybosomu, gigantycznej maszyny molekularnej do składania białek w komórce.

Metoda analizy struktur 3D opracowana przez Joachima Franka: 1. Wiązka elektronów uderza w losowo zorientowane białka, w wyniku czego zostaje ich ślad na obrazie. 2. Dzięki metodom rozmytego przetwarzania informacji komputer grupuje powstałe obrazy, które są do siebie podobne. 3. Korzystając z tysięcy uzyskanych obrazów, komputer tworzy obraz 2D o wysokiej rozdzielczości. 4. Komputer analizuje wzajemne powiązanie obrazów 2D w przestrzeni i tworzy obraz 3D o wysokiej rozdzielczości.

Johan Jarnestad/Królewska Szwedzka Akademia Nauk

Nieco wcześniej, w 1978 roku, inny naukowiec, Jacques Dubochet, zaczął rozwiązywać trzecią część problemu mikroskopu elektronowego. Jak pamiętamy, biomolekuły bardzo ucierpiały, zamieniając się w bezkształtną masę, jeśli otaczająca je woda odparowała, a w komorze próżniowej mikroskopu elektronowego koniecznie wyparowała. Proste zamrażanie nie dawało rezultatów: kryształki lodu, rozszerzając się w porównaniu z wodą, mogły rozerwać badane białko i zniszczyć jego strukturę. Podczas gdy Henderson miał szczęście z bakteriorodopsyną, inni naukowcy mieli trudności z rozpuszczalnymi w wodzie białkami niebłonowymi.

Duboche wymyślił ultraszybką metodę zamrażania przy użyciu ciekłego azotu: woda wydawała się „zeszklić”, a przepływ elektronów doskonale się od niej odbijał i dawał dobre zdjęcie. Umożliwiło to doskonałe przygotowanie materiału biologicznego do pracy, czego Dubochet udowodnił publikując w 1984 roku kilka struktur wirusów otrzymanych tą metodą.

Metoda Dubocheta: 1. Na próbkę nakłada się metalowe sito i odsiewa nadmiar materiału. 2. Sito umieszcza się w etanie o temperaturze około -196°C, co powoduje, że próbka tworzy cienką warstwę w poprzek otworów sita. 3. Woda zamienia się w substancję szklistą i otacza próbkę, a następnie podczas obserwacji pod mikroskopem elektronowym jest chłodzona ciekłym azotem.

Johan Jarnestad/Królewska Szwedzka Akademia Nauk

Od tego momentu badacze zaczęli zwracać się do Dubocheta, aby poznać jego metodę. Frank spotkał się z nim także w celu uzyskania struktur powierzchniowych rybosomu. Połączenie metod Dubocheta, Franka i Hendersona stworzyło podstawę mikroskopii krioelektronowej.

Tak naprawdę to właśnie potrzeba uzyskania struktury „żywego” rybosomu „motywowała” chęć szybkiego opanowania metody: rybosom jest jednym z głównych celów działania antybiotyku, dla którego konieczne jest zrównanie przestrzenne z jamy rybosomów jest bardzo ważne. Obecnie większość kompleksów potencjalnych leków przeciwdrobnoustrojowych z rybosomami jest „badanych” za pomocą metod mikroskopii krioelektronowej.

Metoda ta stała się tak ważna, że ​​na całym świecie odbywa się wiele dużych konferencji poświęconych w szczególności metodzie CryoEM, jak jest ona określana w skrócie w literaturze anglojęzycznej. W 2017 roku pierwsza taka konferencja odbyła się na Moskiewskim Uniwersytecie Państwowym.

Decyzję Komitetu Noblowskiego skomentował specjalnie dla tego miejsca kandydat nauk fizycznych i matematycznych, kierownik katedry biofizyki molekularnej i radiacyjnej Instytutu w Petersburgu Fizyka nuklearna nazwany na cześć B.P. Konstantinow Andrey Konevega, którego grupa badawcza często wykorzystuje w swojej pracy metody CryoEM:

„Mikroskopia krioelektronowa zrewolucjonizowała biologię strukturalną, ponieważ umożliwia obrazowanie makrocząsteczek w wysokiej rozdzielczości, obecnie z taką samą rozdzielczością jak krystalografia rentgenowska, bez konieczności krystalizacji białek. Oznacza to, że wszystkie biomolekuły podczas badania znajdują się w swoim naturalnym stanie. W ciągu ostatniej dekady za pomocą tej metody nastąpił jakościowy skok w jakości otrzymywanych struktur i rozdzielczości. Było to możliwe dzięki postępowi technologicznemu: nowym mikroskopom, nowym kamerom, nowym metodom obróbki. Ważne jest to, że biolodzy mają teraz wystarczająco wydajne systemy obliczeniowe, aby przetwarzanie trwało dni, a nie miesiące czy lata. My sami w Rosji mamy takie centra przetwarzania danych w Centrum Badawczym „” w Moskwie oraz w Centrum Badawczym „Instytut Kurczatowa” – PNPI w Gatczynie, dlatego aktywnie wykorzystujemy je do przetwarzania naszych danych.

O nagrodzie:

W ciągu 117 lat w dziedzinie chemii przyznano 109 nagród (podobnie jak w innych dyscyplinach, zdarzały się lata, gdy nagrody nie przyznano z powodu wojny lub gdy Komitet Noblowski nie doszedł do porozumienia). Pierwszą nagrodę otrzymał w 1901 roku Jacob Hendrik van't Hoff. Przez cały okres w Sztokholmie ogłoszono nazwiska 178 laureatów. To prawda, że ​​​​nagrodę otrzymało tylko 177 osób: Frederick Sanger stał się jedyną osobą w historii, która otrzymała tę nagrodę dwukrotnie.

Średni wiek laureatów nagród (z wyłączeniem nagrody za rok 2017) wynosi 58 lat. Najmłodszym był Frédéric Joliot-Curie, który otrzymał nagrodę w 1935 roku w wieku 35 lat, najstarszym był John Fenn: laureat Nagrody Nobla z 2002 roku miał 85 lat. Swoją drogą, nagroda nie jest dla kobiet zbyt łatwa: w ciągu 117 lat było tylko czterech laureatów, z czego połowa pochodziła z tej samej rodziny. Marie Curie otrzymała nagrodę w 1911 r., a jej córka Irena w 1935 r. Druga połowa dotyczy tej samej krystalografii rentgenowskiej, z którą konkuruje mikroskopia krioelektronowa. W 1964 roku nagrodę przyznano Dorothy Crowfoot Hodgkin za analizę biomolekuł metodą dyfrakcji rentgenowskiej, a w 2009 roku laureatką została Ada Yonath, która wykorzystała tę technikę do określenia struktury rybosomu.