Криоэлектронная микроскопия: за что вручили Нобелевку по химии

Нобелевская премия по химии — 2017 присуждена швейцарцу Жаку Дебуши, американцу Йоахиму Франку и представителю Великобритании Ричарду Хендерсону за разработку криоэлектронной микроскопии для определения структуры молекул с высоким разрешением в растворе, так как разработанный ими метод открывает новые возможности в изучении структур белков. Эта новость очень обрадовала многих химиков и биологов, наблюдающих взрывной рост численности интересных научных результатов, которые не были бы получены без использования метода криоэлектронной микроскопии.

Несмотря на то что первый электронный микроскоп был построен в 30-х годах ХХ века, — и это было настоящим прорывом, поскольку прибор позволял получать изображение объектов с максимальным увеличением до 106 раз, стало понятно, что далеко не все интересные объекты можно с легкостью рассмотреть, ведь для этого их надо было погрузить в вакуум. В СССР данной проблемой занимался член-корреспондент АН СССР, биофизик Николай Киселев, работавший в Институте кристаллографии им. А. В. Шубникова.

Электронный микроскоп

Стало ясно, что работы с мелкими объектами, например белками, их необходимо специально обработать. Тогда и был разработан медод покрытия их специальным раствором солей тяжелых металлов, под действием которых образец высыхал, а дальше с ним можно было делать что угодно.
Но что значит «посыпать солью» на микроуровне? То же самое, что и на макро. Вся поверхность белка покрывается своеобразным «снегом», что не дает возможности рассмотреть сам белок.

Просвечивающий электронный микроскоп FEI Talos L120C TEM

В дальнейшем белки научились кристаллизовать, однако выяснилось, что далеко не все молекулы поддаются кристаллизации. Если взять, например, белки, которые находятся в цитоплазме, то есть в растворенном состоянии, они кристаллизуются хорошо. А вот те, что «сидят» в мембранах клеток, просто разваливаются, если убрать «стенки», то есть мембраны. Поэтому ученые не могли изучить ни одну мембрану, а ведь из них состоят клетки любого живого существа, начиная с бактерий и заканчивая человеком.

Нобелевский лауреат по химии Жак Дюбуше

Предложенный Жаком Дебуши новый метод криомикроскопии стал большим шагом вперед. Йоахим Франк и Ричард Хендерсон доработали этот метод. Теперь криомикроскопия проводится так: сначала изучаемый белок помещают в раствор, например самый обычный, знакомый всем физраствор, который часто применяется в больницах для восстановления у пациента  нужного количества внеклеточной жидкости.

Нобелевский лауреат по химии Йоахим Франк

Белок в физрастворе помещают в специальный витробот — аппарат, где созданы условия для витрификации,  то есть перехода жидкости при понижении температуры в стеклообразное состояние. Аппарат изготавливает витрифицированный лед, через который можно наблюдать белок (обычный кристаллический лед для этого не подходит, поскольку меняет структуру белка).

Прибор Thermo Fisher Scientific Vitrobot

 

Когда белок находится в аппарате, его можно «зажать» и промокнуть, чтобы слой «буфера» был небольшим; это делается при определенной температуре и влажности в специальной камере.

Потом образец падает в газ этан (Ethanum), C2H6, который находится в сжиженном состоянии, представляя из себя жидкость с хорошей теплопроводностью. Тонкие прослойки «буфера» замораживаются (витрифицируются), превращаясь в идеальный лед: абсолютно ровный и с упорядоченным расположением молекул воды. В этом состоянии очень удобно рассматривать белки, которые черным цветом выделяются на фоне серого льда.

Криоэлектронное изображение белков GroEL, суспендированных в аморфном льду при увеличении в 50 000 раз

С помощью метода Жака Дебуши, Йоахима Франка и Ричарда Хендерсона появилась возможность анализа структуры белков, которые с трудом поддаются кристаллизации, — ионные каналы, молекулярные машины, вирусы. Это ведет к настоящему прорыву в создании лекарств.

Поясняет доктор биологических наук, профессор РАН, доцент биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова Ольга Соколова: «Я была уверена, что в этом году Нобелевскую премию по химии дадут Жаку Дебуши, Йоахиму Франку и Ричарду Хендерсону, — так и получилось. Еще одно мое предсказание состоит в том, что наш университет не обойдется без современного криоэлектронного микроскопа, поддерживающего эту прорывную технологию для изучения структур белков и других электроннопрозрачных объектов. Очень надеюсь, что скоро мы сможем приступить к изучению структур ионных каналов, теломеразы, транскрипционных комплексов, которые научились получать в очищенном виде на разных факультетах МГУ, используя именно этот метод.»

 

Источник: ria.ru