Лауреаты нобелевской премии по химии года. Нобелевский комитет объявил лауреатов премии по химии. Либертарианец и диктатор

Что примечательного в новой Нобелевской премии по химии, зачем вокруг биомолекул замораживать воду и как компьютеры превращают 2D-изображения в 3D, читайте в материале сайт о работе нобелевских лауреатов 2017 года Жака Дюбоше, Иоахима Франка и Ричарда Хендерсона.

Структуры молекул, полученные в последние годы, впечатляют. Здесь и целый «шприц» сальмонеллы, которым она атакует клетки, и белки, которые обеспечивают бактериям устойчивость к антибиотикам, и красивейшие структуры у основания жгутиков, и удивительно красивые ферменты. От фундаментальных биологических знаний о работе биомолекул в клетке до понимания того, как ведут себя молекулы медицинских препаратов, - все это мы можем получить благодаря методу криоэлектронной микроскопии, за развитие которого присудили Нобелевскую премию по химии в 2017 году.

Но что это за метод и почему без него нельзя было добиться тех же результатов? Ведь к тому времени существовала и рентгеновская кристаллография, и просто электронная микроскопия.

Эти методы накладывали на исследователей несколько важных ограничений, за преодоление которых, или, если быть точнее, «за развитие методов криоэлектронной микроскопии для определения структуры биомолекул в растворах с большим разрешением», и была сегодня присуждена престижная награда.

Получат ее в этом году трое ученых, стоявших у истоков этой технологии: француз Жак Дюбоше, который работает в Университете Лозанны, рожденный в Германии Иоахим Франк из Университета Колумбии в Нью-Йорке и шотландец Ричард Хендерсон из лаборатории молекулярной биологии в Кембридже (к слову, это, кажется, уже пятнадцатый лауреат из этой лаборатории).

Слева направо: Жак Дюбоше, Иоахим Франк и Ричард Хендерсон

Denis Balibouse/Reuters, Columbia University, MRC Laboratory of Molecular Biology

Когда Эрнст Руска изобрел и продемонстрировал электронный микроскоп, с помощью которого можно увидеть позиции отдельных атомов (за что Руска получил свою «Нобелевку» в 1986-м), другой ученый, Ладислав Мартон, написал статью о том, что новым методом трудно изучать биологический материал, ведь биомолекулы и клетки разрушаются под действием потока электронов. Этот поток должен был быть очень слабым, чтобы не повредить образцы, но такой слабый поток давал плохое разрешение. Для электронной микроскопии образец должен был быть тонким и плоским, что тоже усложняло задачу - приходилось достраивать 3D-модели изучаемых молекул (например, белков) из двухмерной проекции.

Естественно, об изучении живых клеток не могло быть и речи, а ведь в разрушенном состоянии они выглядят совсем не так, как во время работы. К тому же электронному микроскопу нужен был вакуум, а в нем испарялась вся вода, которая помогала биомолекулам поддерживать их естественную форму. Все это было сложно и неудобно. До тех пор, пока не появилась криоэлектронная микроскопия.

Изменения в изображении биомолекул, связанные с работами нобелевских лауреатов 2017 года

Ричард Хендерсон работал с белками в Кембридже, используя рентгеновскую кристаллографию - метод, с помощью которого Розалинд Франклин получила знаменитые изображения, на основе которых Уотсон и Крик построили модель двойной спирали ДНК . Все было хорошо, пока Хендерсон не занялся мембранными белками, находящимися в оболочке клетки. «Вынутые» из своей естественной среды, они превращались в бесполезную запутанную кучу атомов. Один из них Хендерсон не смог выделить в достаточном количестве, другой не удавалось кристаллизовать.

Все изменилось, когда Хендерсон взялся за светочувствительный белок бактериородопсин. Ученый решил не вытаскивать его из мембраны, а поместил целый кусок мембраны под электронный микроскоп вместе с ним. Чтобы структура не разрушилась, ее покрыли раствором глюкозы. Чтобы не повредить образец мощным потоком электронов, ученые пустили более слабый луч. Изображение, как и ожидалось, вышло не очень четким и контрастным, но тут они применили тот же математический метод, что и при рентгеновской кристаллографии, это позволила сама структура белков, которые располагались в мембране ориентированными в одном и том же направлении. Картинки, полученные с разных углов зрения, показали, что белок извивается, семь раз проходя сквозь мембрану (теперь такие белки известны под названием семиспиральных рецепторов). Это было изображение лучшего качества, когда-либо полученного с помощью электронного микроскопа.

Разрешение в семь ангстрем впечатлило многих, но Хендерсон не желал останавливаться: ему хотелось достичь такого же разрешения, как и при рентгеновской кристаллографии, в три ангстрема. Со временем линзы стали лучше, появились технологии заморозки, позволяющие сохранить образец в жидком азоте. Для получения более четкого изображения бактериородопсина Хендерсон ездил по разным лабораториям, используя лучшие электронные микроскопы в мире. У всех их были те же недостатки, но они дополняли друг друга. И только в 1990 году, спустя 15 лет с получения первой, неказистой на современный взгляд картинки, Хендерсон достиг своей цели. Он показал, что криоэлектронная микроскопия может быть полезна для изучения биомолекул, однако его бактериородопсин был упорядочен и был практически зафиксирован в мембране клетки. Очень мало других белков могут похвастаться тем же, поэтому биологи посчитали, что это все же очень ограниченный метод.

В это самое время по другую сторону Атлантики, в Нью-Йорке, Иоахим Франк уже давно работал над решением этой проблемы. Уже в 1975 году он придумал теоретический подход, но на реализацию его ушло много лет. Его идеей было создать компьютер, который может отличать случайно расположенные белки от хаотичного «заднего плана». Он придумал математический метод, позволяющий компьютеру находить разные повторяющиеся последовательности в изображении. Компьютер сортировал паттерны, объединяя похожие, чтобы получить усредненное, но более резкое изображение. Франк опубликовал несколько работ с двухмерными моделями белков высокого разрешения с разных углов зрения. Алгоритмы были готовы к 1981 году.

Следующим шагом стало создание алгоритма, который находит похожие 2D-картинки и сам собирает их в 3D-структуры. В середине восьмидесятых Франк опубликовал эту часть метода и взялся за грандиозное дело - построение модели поверхности рибосомы, гигантской молекулярной машины для сборки белка в клетке.

Метод анализа 3D-структур, разработанный Иоахимом Франком: 1. Пучок электронов ударяет в случайно ориентированные белки, вследствие чего на изображении остается их отпечаток. 2. Благодаря методам обработки нечеткой информации компьютер группирует получившиеся похожие друг на друга изображения в группы. 3. При помощи получившихся тысяч изображений компьютер составляет 2D-изображение с высоким разрешением. 4. Компьютер анализирует, как 2D-изображения соотносятся друг с другом в пространстве, и создает 3D-изображение с высоким разрешением.

Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Еще чуть раньше, в 1978 году, другой ученый, Жак Дюбоше, занялся решением третьей части этой проблемы электронного микроскопа. Как мы помним, биомолекулы очень страдали, превращаясь в бесформенную массу, если испарялась вода вокруг них, а в вакуумной камере электронного микроскопа она обязательно испарялась. Простая заморозка не давала результатов: кристаллики льда, расширяясь по сравнению с водой, могли разорвать изучаемый белок и разрушить его структуру. Если Хендерсону повезло с бактериородопсином, то другие ученые мучались с немембранными белками, растворимыми в воде.

Дюбоше придумал сверхбыстрый способ заморозки с помощью жидкого азота: вода как бы «остекленевала», и поток электронов отлично отражался от нее и давал хорошее изображение. Это позволило отлично подготовить биологический материал к работе, что Дюбоше и доказал, опубликовав несколько структур вирусов, полученных этим способом, в 1984 году.

Метод Дюбоше: 1. Металлическое сито, на которое попадает образец, отсеивает лишний материал. 2. Сито помещают в этан с температурой порядка –196°С, в результате чего образец образует тонкую пленку поперек отверстий в сите. 3. Вода превращается в стеклоподобное вещество и окружает образец, затем охлаждается благодаря жидкому азоту во время наблюдений под электронным микроскопом.

Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

С этого момента исследователи начали обращаться к Дюбоше, чтобы научиться его методу. Франк также встретился с ним для того, чтобы получить структуры поверхности рибосомы. Сочетание методов Дюбоше, Франка и Хендерсона легло в основу криоэлектронной микроскопии.

Собственно говоря, именно необходимость получения структуры «живой» рибосомы «двигала» желание поскорее освоить метод: рибосома - одна из основных мишеней действия антибиотиков, для которых очень важно пространственное совмещение с полостями рибосом. И сейчас большинство комплексов потенциальных антимикробных препаратов с рибосомами «смотрит» именно методами криоэлектронной микроскопии.

Метод стал настолько важен, что в мире проводится немало крупных конференций, посвященных именно методу CryoEM, как сокращенно называют его в англоязычной литературе. В 2017 году первая подобная конференция прошла в МГУ.

Решение Нобелевского комитета специально для сайт прокомментировал кандидат физико-математических наук, руководитель отделения молекулярной и радиационной биофизики Петербургского института ядерной физики имени Б.П. Константинова Андрей Коневега, научная группа которого в своей работе часто использует методы CryoEM:

«Криоэлектронная микроскопия совершила революцию в структурной биологии, поскольку именно этот метод позволяет делать визуализацию макромолекул с высоким разрешением, причем сейчас уже с таким разрешением, как рентгеновская кристаллография, но при этом без необходимости превращать белки в кристалл. То есть все биомолекулы во время исследования находятся в своем естественном состоянии. За последнее десятилетие в этом методе произошел качественный скачок в качестве получаемых структур, в разрешении. Это стало возможным благодаря технологическому прогрессу: новые микроскопы, новые камеры, новые методы обработки. Что важно, у биологов появились достаточно мощные вычислительные комплексы для того, чтобы обработка занимала дни, а не месяцы и не годы. Мы сами в России обладаем такими центрами обработки данных в НИЦ " " в Москве и в НИЦ "Курчатовский институт"-ПИЯФ в Гатчине, поэтому мы активно пользуемся ими для обработки своих данных».

О премии:

За 117 лет было вручено 109 премий по химии (как и в других дисциплинах, были годы, когда премия не присуждалась из-за войны или когда Нобелевский комитет не пришел к согласию). Самую первую премию в 1901 году получил Якоб Хендрик Вант-Гофф . За все время в Стокгольме были объявлены имена 178 лауреатов. Правда, премию получили всего 177 человек: Фредерик Зангер стал единственным человеком в истории, получившим награду дважды.

Средний возраст лауреатов премии (без учета премии 2017 года) - 58 лет. Самым молодым был Фредерик Жолио-Кюри, получивший премию в 1935 году в возрасте 35 лет, самым пожилым - Джон Фенн: нобелиату 2002 года было 85 лет. Кстати, премия не очень легко «поддается» женщинам: за 117 лет - всего четыре лауреата, причем половина из них из одной семьи . В 1911 году премию получила Мария Кюри , в 1935 - ее дочь Ирен. Еще половина - за ту самую рентгеновскую кристаллографию, с которой конкурирует криоэлектронная микроскопия. В 1964 году премией наградили Дороти Кроуфут Ходжкин за рентгеноструктурный анализ биомолекул, а в 2009 году лауреатом стала Ада Йонат, применившая эту методику для установления структуры рибосомы.

Создатель удобрений и химического оружия

Одним из самых спорных обладателей Нобелевской премии стал Фриц Габер (Fritz Haber). Премия по химии была присуждена ему в 1918 году за изобретение метода синтеза аммиака - открытие, имеющее решающее значение для производства удобрений. Однако он также известен и как "отец химического оружия" из-за работ в области применения отравляющего газа хлора, использовавшегося в ходе Первой мировой войны.

Смертельное открытие

Другой немецкий ученый, Отто Ган (Otto Han) - на фото в центре - был удостоен "нобелевки" в 1945 году за открытие расщепления атомного ядра. Несмотря на то, что он никогда не работал над военным применением этого открытия, оно напрямую привело к разработке ядерного оружия. Ган получил премию спустя несколько месяцев после того, как были сброшены ядерные бомбы на Хиросиму и Нагасаки.

От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты

Прорыв, оказавшийся под запретом

Швейцарский химик Пауль Мюллер получил премию по медицине в 1948 году за открытие того, что ДДТ может эффективно убивать насекомых, распространяющих такие болезни, как малярия. Использование пестицида спасло в свое время миллионы жизней. Однако позже экологи стали утверждать, что ДДТ представляет угрозу для здоровья человека и вредит природе. Сегодня его использование запрещено по всему миру.

От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты

Неудобная награда

Из-за своей явной и косвенной политической окраски премия мира, пожалуй, самая противоречивая из всех нобелевских наград. В 1935 году немецкий пацифист Карл фон Осецкий (Carl von Ossietzky) получил ее за разоблачение секретного перевооружения Германии. Сам Осецкий находился в тюрьме по обвинению в измене, и возмущенный Гитлер обвинил комитет во вмешательстве во внутренние дела Германии.

От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты

Премия (возможного) мира

Решение норвежского комитета присудить премию мира Госсекретарю США Генри Киссинджеру и лидеру Северного Вьетнама Ле Дык Тхо в 1973 году столкнулось с жесткой критикой. Нобелевская премия должна была стать символом признания заслуг в достижении прекращения огня в ходе вьетнамской войны, однако Ле Дык Тхо отказался от ее получения. Война во Вьетнаме продолжалась еще два года.

От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты

Либертарианец и диктатор

Защитник свободного рынка Милтон Фридман - один из самых спорных получателей Нобелевской премии мира по экономике. Решение комитета в 1976 году вызвало международные протесты из-за связей Фридмана с чилийским диктатором Аугусто Пиночетом. Годом ранее Фридман действительно посетил Чили, и критики утверждают, что его идеи вдохновили режим, где применялись пытки и были убиты тысячи людей.

От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты

Напрасные надежды

Премия мира, которую в 1994 году разделили палестинский лидер Ясир Арафат, премьер-министр Израиля Ицхак Рабин и израильский министр иностранных дел Шимон Перес, должна была послужить дополнительным стимулом для мирного урегулирования конфликта на Ближнем Востоке. Вместо этого дальнейшие переговоры провалились, а Рабин был убит израильским националистом год спустя.

От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты

Жуткие мемуары

Правозащитница Ригоберта Менчу, отстаивающая интересы народа майя, получила премию мира в 1992 году "за борьбу за социальную справедливость". Впоследствии это решение вызвало много споров, так как в ее мемуарах были якобы обнаружены фальсификации. Описанные ею зверства о геноциде коренных народов Гватемалы сделали ее знаменитой. Однако многие убеждены, что она в любом случае заслуживала награды.

От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты

Преждевременная награда

Когда премию мира в 2009 году присудили Бараку Обаме, удивлены были многие, включая и его самого. Находящийся к тому моменту менее года на посту президента, он получил премию за "огромные усилия по укреплению международной дипломатии". Критики и некоторые сторонники Обамы посчитали, что награда была преждевременной, и он получил ее еще до того, как у него появился шанс сделать реальные шаги.

От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты

Посмертная награда

В 2011 году Нобелевский комитет назвал лауреатами премии по медицине Жюля Хоффмана, Брюса Бётлера и Ральфа Стейнмана за их открытия в области изучения иммунной системы. Проблема была в том, что за несколько дней до этого Стейнман умер от рака. Согласно правилам, премия не вручается посмертно. Но комитет все же присудил ее Стейнману, обосновав тем, что о его смерти тогда было еще не известно.

От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты

"Величайшее упущение"

Нобелевская премия вызывает споры не только из-за того, кому она была присуждена, но и потому, что кто-то ее так и не получил. В 2006 году член Нобелевского комитета Гейр Лундестад заявил, что "несомненно, величайшим упущением за всю нашу 106-летнюю историю стало то, что Махатма Ганди так никогда и не получил Нобелевскую премию мира".

Нобелевская премия по химии в 2017 году была присуждена за развитие криоэлектронной микроскопии высокого разрешения для определения структур биомолекул в растворах. Лауреатами стали из Лозаннского университета, Иоахим Франк из Колумбийского университета и из Кембриджского университета.

Криоэлектронная микроскопия - это форма просвечивающей электронной микроскопии, в которой образец исследуется при криогенных температурах.

Метод популярен в структурной биологии, так как позволяет наблюдать за образцами, которые не были окрашены или каким-либо образом зафиксированы, показывая их в их родной среде.

При электронной криомикроскопии замедляется движение входящих в молекулу атомов, что позволяет получать очень четкие изображения ее структуры. Получаемые о строении молекул сведения чрезвычайно важны, в том числе, для более глубокого понимания химии и развития фармацевтики.

Многие прорывы в науке связаны с успешной визуализацией объектов, невидимых человеческому глазу. Оптическая микроскопия позволила доказать существование микроорганизмов, взглянуть на сперматозоиды и яйцеклетки, частично изучить клеточную структуру и даже разглядеть хромосомы. Преодолеть физические ограничения оптических телескопов позволила электронная микроскопия, где вместо светового потока использовался пучок электронов.

Однако и у нее были свои изъяны. Во-первых, мощный пучок электронов разрушал биологический материал. Во-вторых, чтобы разогнаться электронам необходим вакуум - соответственно, в вакууме должен был находиться и препарат.

Поэтому изучать с ее помощью «живые» образцы было невозможно.

Вклад Иоахима Франка способствовал широкому распространению метода. Еще в 1975-1986 годах он разработал метод обработки изображений, заключавшийся в анализе полученных с помощью электронного микроскопа двумерных изображений и построения на их основе трехмерных структур изучаемых объектов.

Жак Дюбоше предложил использовать для сохранения образцов быстро охлажденную воду. Охлаждение образцов как способ их сохранения рассматривалось учеными довольно давно. Однако при замерзании воды и образовании кристаллической решетки структура образцов разрушалась. А в жидком виде она испарялась в вакуумной камере электронного микроскопа, опять-таки приводя к разрушению изучаемых молекул.

Наконец, был найден способ обойти фазу кристаллизации и добиться того, чтобы вода переходила в стеклообразное состояние. Метод был назван витрификацией.

При витрификации вода оказалась способна предохранять молекулы от разрушения даже в вакууме.

Эти открытия дали мощный толчок развитию электронной микроскопии. В 2013 году ученые смогли рассмотреть даже отдельные атомы вещества.Такое высокое разрешение позволяет рассматривать рибосомы и митохондрии клеток, ионные каналы и ферментные комплексы.

В 2015 году журнал Nature Methods назвал одночастичную криоэлектронную микроскопию прорывным методом года.

Последние технические достижения в этой области позволили ученым отойти от метода рентгеновской кристаллографии, главный недостаток которой — необходимость кристаллизации белка, что может быть затруднительно для белков со сложной структурой. Научные журналы последних лет пестрят детальными изображениями поверхности вируса Зика и белков, вызывающих устойчивость к антибиотикам. В частности, удалось , как бактерии золотистого стафилококка противостоят действию антибиотиков и снимок структуры, с помощью которой коронавирусы проникают в клетки.

Несмотря на быстрый прогресс в этой области, стоимость оборудования и стандартизированные методы несколько замедляют повсеместное распространение технологии криоэлектронной микроскопии.

Среди претендентов на Нобелевскую премию по химии числился россиянин — ведущий научный сотрудник Института химической физики (ИХФ) им. Н. Н. Семенова , вместе с коллегами из США и он сделал весомый вклад в область углеродно-водородной функционализации — отрасли, разрабатывающей новые методы синтеза органических соединений. Также в списке возможных лауреатов значились датчанин Йенс Норсков за фундаментальные достижения в области гетерогенного катализа на твердых поверхностях и команда из химиков Тсутому Миясаки, Нам-Гю Парка и Генри Снейта за открытие минерала перовскита и разработки на его основе.

В 2016 году премия была Жан-Пьеру Соважу, Стоддарту и Бернарду Феринге за изобретение молекулярных машин.

Нобелевскую премию по химии 2017 года присудили за разработку криоэлектронной микроскопии - метода изучения материи с помощью сверхбыстрого замораживания. Награду в 9 млн шведских крон разделят швейцарец Жак Дюбоше, американец Йоахим Франк и британец Ричард Хендерсон. Их разработка позволяет определять структуру белковых комплексов, сложных рецепторов и других соединений, которые невозможно изучать методом кристаллографии и спектроскопии, говорят эксперты.

Швейцарец Жак Дюбоше, американец Йоахим Франк и британец Ричард Хендерсон получат Нобелевскую премию по химии за разработку технологии криоэлектронного микроскопа для определения структуры высокомолекулярных биомолекул в растворе. Подобный микроскоп, говорится в коммюнике Нобелевского комитета , позволяет рассмотреть объекты после их быстрой заморозки, благодаря которой сохраняется естественная форма атомов в молекуле.

Ранее через электронные микроскопы изучали только неорганические соединения и неживую материю, так как мощные электронные лучи этого устройства разрушают биологический материал. В 1990 году Ричарду Хендерсону удалось применить микроскоп для создания 3D-изображения белка на атомном уровне. Йоахим Франк разработал эту технологию более тщательно: с 1975 по 1986 год он работал над тем, чтобы сделать изображение атомов более четким. Наконец, Жак Дюбоше смог найти применение воде в электронной микроскопии. Он использовал технологию «остекления»: быстро охлаждал воду вокруг биологического образца, позволяя молекулам сохранять свою естественную форму. Открытый нынешними лауреатами метод позволяет определять структуру белковых соединений.

«Этот метод сейчас находится на острие науки»,- заявил заведующий лабораторией электронной микроскопии Курчатовского института Александр Васильев. Научный сотрудник Института биоорганической химии РАН Алексей Пахомов пояснил, что благодаря открытому нобелевскими лауреатами методу ученые могут работать с белковыми комплексами, сложными рецепторами, мультибелковыми соединениями и другими материалами, которые невозможно изучать методом кристаллографии и спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). «Это очень мощный метод, который позволяет получить структуру отдельных молекул с очень высоким разрешением, причем в их естественном состоянии, а не в кристалле,- пояснил телеканалу "Россия 24" господин Пахомов.- За ЯМР премию уже дали , криомикроскопия отмечена совершенно справедливо».

Заведующий отделом электронной микроскопии НИИ физико-химической биологии МГУ Игорь Киреев также говорит, что с помощью данного метода можно исследовать биологические структуры «в состоянии, близком к прижизненному». Технология сверхбыстрого замораживания, по его словам, оставляет образцы «в водной среде, как будто бы они внутри клетки». «В то же время они становятся твердыми, что позволяет, если речь идет о тканях или клетках, изготовить срезы для электронного микроскопа»,- пояснил господин Киреев. По словам ученого, подобная технология позволяет изучать образцы в высоком разрешении вплоть до отдельных атомов в молекулах. «Можно поймать какие-то реакции, которые происходят с белками»,- добавил господин Васильев. Игорь Киреев считает, что в России есть лишь несколько подобных новейших микроскопов, например в Курчатовском институте, так как это оборудование «весьма дорогостоящее».

Старший научный сотрудник Института биоорганической химии РАН Константин Минеев отметил, что в области науки, которая занимается белками, «это абсолютно заслуженная награда». «Белки - это то, что выполняет основную работу у нас в организме, они работают, как маленькие машины,- говорит ученый.- Если мы понимаем, как они работают, знаем их структуру, мы можем их менять, останавливать, и, соответственно, искать лекарства, моделируя и анализируя данные. Тогда мы можем подобрать лекарство не случайным образом и методом "тыка". Этот подход называется рациональным дизайном лекарств».

«Это как будто бы обычный электронный микроскоп, но с очень высоким разрешением и дополненный алгоритмами компьютерной обработки изображений: изображения больших молекулярных комплексов накапливаются в количестве нескольких сотен тысяч с разных ракурсов, что позволяет сделать 3D-реконструкцию такого высокого качества, что удается вписать туда даже отдельные атомы,- пояснил “Ъ”, как ученые используют криоэлектронную микроскопию, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института биоорганической химии РАН Антон Чугунов.- Сам метод не дает такого высокого разрешения, но его применение совместно с компьютерными алгоритмами это позволяет». Он отметил, что около пяти лет назад этот метод не пользовался популярностью, так как получаемое разрешение было достаточно низким, а данные было трудно использовать в работе: они не подходили для компьютерного моделирования и драг-дизайна (создания лекарств): «Но в последние пять лет произошел очень большой рывок, разрешение было улучшено».

До криоэлектронной микроскопии основным лидером для структурных исследования в биологии был рентгеноструктурный анализ, еще одним методом исследования веществ на молекулярном уровне является ядерно-магнитно резонанс. «Но у каждого из них есть свои минусы,- объясняет ученый.- ЯМР не берет большие комплексы молекул, рентгеновская кристаллография требует кристаллизации молекул, а чем молекула больше, тем это сложнее.

И вот тут вот пришла криомикроскопия, которая как раз очень хорошо работает на больших комплексах - это несколько, 5-10, больших белков, они сложно соединены, у них сложная пространственная форма, что являлось ограничивающим фактором для всех остальных методов».

При этом господин Чугунов отметил, что криоэлектронную микроскопию сложно использовать для малых комплексов молекул: «Поэтому теперь эти методы работают вместе, и это очень удачно». Эксперт отметил, что криоэлектронная микроскопия широко используется в мире, однако в России «это пока не особо распространенный метод».

Один из лауреатов, Йоахим Франк, заявил, что потрясен присуждением награды. При этом он отметил, что метод криоэлектронной микроскопии найдет практическое применение лишь со временем. «Всегда требуется время на то, чтобы увидеть прямые практические возможности»,- сказал господин Франк.

Премия по химии присуждалась сегодня в 109-й раз. В нынешнем году Нобелевский фонд впервые с 2001 года увеличил размер выплат лауреатам премии с 8 млн до 9 млн шведских крон ($1,12 млн). Напомним, в 2016 году награду по химии присудили Жан-Пьеру Саважу, Фрезеру Стоддарту и Бернарду Феринге за разработку «молекулярных машин» - микроскопических устройств, занимающихся перемещениями молекул или их комплексов. Эти устройства планируется использовать в различных сенсорах в медицине.

5 октября объявят нобелевских лауреатов по литературе, 6 октября будет присуждена Нобелевская премия мира. 9 октября назовут лауреата премии Шведского национального банка по экономическим наукам памяти Альфреда Нобеля (неофициально называемой «Нобелевской премией по экономике»).

Александр Воронов, Валерия Мишина

Доброй традицией Нобелевского комитета становится признание значимости методик, позволяющих «разглядеть» отдельные атомы: в 2014 году отметили сверхразрешающую микроскопию , а 4 октября 2017 года Нобелевскую премию по химии присудили «за разработку метода криоэлектронной микроскопии». Лауреатами стали трое исследователей: Жак Дюбоше из Университета Лозанны, Йохим Франк из Колумбийского университета в Нью-Йорке и Ричард Хендерсон из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже. Заморозка биомолекул в движении позволяет получать их изображения в высоком разрешении, а методики компьютерной реконструкции дают пространственную структуру с точностью до атома. Исследование, начатое еще в 1970-е годы, все лучше и лучше позволяет оценивать архитектуру биоорганических комплексов.

Люди, регулярно читающие статьи в топовых научных журналах, давно уже привыкли к многочисленным молекулярным изображениям. Но микроскопы не позволяют увидеть отдельные молекулы . Правда, существует микроскопия сверхразрешения, за которую в 2014 году дали Нобелевскую премию по химии , но и она не позволяет «разглядеть» отдельные атомы. Изучать строение биологических молекул с такой подробностью - удел структурной биологии , лидирующими методиками которой до недавнего времени считались рентгеноструктурный анализ (РСА) и спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Интересным методом также является атомно-силовая микроскопия , но герой нашего сегодняшнего рассказа другой: это криоэлектронная микроскопия , за разработку которой вручена Нобелевская премия по химии уже этого, 2017 года .

Визуализация сложных структур, прежде считавшихся «невидимыми» ввиду их малых размеров, позволила совершить множество фундаментальных прорывов. Один из них - прогресс в борьбе с вирусом Зика , (рис. 1), недавно вызвавшим пандемию одноименной болезни. Благодаря криоэлектронной микроскопии, в последние пять лет все более прочно входящей в «большую тройку» методов структурной биологии, удалось получить трехмерную модель этого коварного агента. Что, в свою очередь, положило начало поиску потенциальных мишеней для лекарственных веществ, способных справиться с болезнью.

Рисунок 1. Примеры некоторых белковых комплексов. а - Белковый комплекс, регулирующий циркадный ритм. б - Комплекс звукового сенсора уха, считывающий изменения давления и позволяющий нам слышать. в - Модель вируса Зика.

Краткий экскурс в историю микроскопии до 1975 года

Всю первую половину 20 века три самых известных биологических структуры - ДНК, РНК и белок - оставались белым пятном на карте биохимического мира. Было известно, что они есть в организме и играют важную роль в жизни клеток, но каково их строение - никто не имел ни малейшего понятия. Лишь в начале 1950-х годов знаменитая группа ученых из Кембриджа, включавшая Френсиса Крика, Джеймса Уотсона, Мориса Уилкинса и Розалинд Франклин, впервые попробовала облучать ДНК рентгеновскими лучами, что привело к открытию прославленной двойной спирали.

К кристаллографам относился поначалу и Ричард Хендерсон , получивший за свои ранние исследования пусть не Нобелевскую премию, но докторскую степень. Метод рентгеноструктурного анализа заключается в дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке, что помогает идентифицировать структуру молекулы. Но в то время он был еще далек от совершенства, хотя сегодня это один из основных способов изучения структуры вещества . Шагнув на 30 лет вперед, мы узнаем, что наука получила еще один способ расшифровывать строение биомолекул: в 1980-х годах для изучения структуры и динамики белков в растворе начали применять метод ядерного магнитного резонанса (и применяют до сих пор ).

Благодаря этим двум методам удалось накопить внушительные объемы информации по строению биологических молекул: на сегодня в базе PDB находится более 100 тыс. структур. Но, как это часто бывает, и у того, и у другого метода есть свои недостатки. Так, с помощью ЯМР можно визуализировать только белки, находящиеся в растворе, и размер их должен быть небольшим. А минус рентгеновской кристаллографии считывается в названии метода: он работает на стабильных структурах типа кристаллов, но не на динамических «живых» молекулах. Изображения, полученные с помощью этого метода, напоминают снимки первых в истории фотокамер: черно-белые и застывшие, не несущие в себе информации о подвижной структуре белка. Эта проблема заставила Ричарда Хендерсона бросить рентгеновскую кристаллографию в 1970-х, что и стало отправной точкой на его пути к Нобелевской премии 2017 года.

Шаг первый: бактериородопсин под прицелом электронного пучка

Хендерсона с самого начала интересовали мембранные белки. Почему же их визуализация оказалась неподвластна рентгеновскому методу на тот момент? Неудачи возникали при попытках кристаллизовать белок, тем самым нарушая его естественное состояние в липидной мембране клетки. Мембранные белки крайне трудно извлекать из мембраны, не нарушая их нативного состояния : очень часто они просто «слипаются» в единую массу, неподвластную дальнейшему изучению. Впрочем, сейчас и в кристаллизации мембранных белков есть большой прогресс: мембрану просто научились делать частью кристалла .

После ряда неудачных попыток Ричард Хендерсон обратился к единственному, казалось, реальному варианту: электронной микроскопии. В чем принципиальное отличие электронного микроскопа от оптического? В просвечивающей электронной микроскопии (так называется эта техника) вместо пучка света к образцу посылается луч электронов. Длина волны электронов намного меньше, чем длина волны света, поэтому с помощью электронного микроскопа можно визуализировать даже очень маленькие структуры - вплоть до уровня отдельных атомов.

В теории электронный микроскоп идеально подходил для исследований Ричарда Хендерсона - ведь он позволял получить изображения мембранных белков на атомном уровне. Но на практике эта идея казалась нереальной. Со времен изобретения электронного микроскопа считалось, что с помощью этого метода можно изучать исключительно неживую материю. Виной тому электронный пучок: он позволяет получать картинки с высоким разрешением, но фактически «сжигает» на своем пути живые структуры. Если же снизить его интенсивность, то изображение теряет контраст и получается нечетким.

Дополнительной преградой на пути визуализации биомолекул под электронным микроскопом является необходимость создания вакуума. При выкачивании воздуха из биологического образца испаряется и вода, обволакивающая живые структуры, из-за чего они теряют свою естественную форму. Таким образом, все обстоятельства выступали против Хендерсона. Однако его идею спас особый белок, обладающий исключительной стабильностью в мембране - бактериородопсин.

В 1991 году Йоахим Франк «заморозил» рибосомы по методу Дюбоше, получив на выходе изображение их трехмерной структуры. И, несмотря на то, что картинка была сделана в небывалом для электронной микроскопии разрешении, исследователям удалось показать лишь очертания рибосомы. Странные каплевидные структуры все еще не выдерживали сравнения с атомным разрешением рентгеновской кристаллографии. Криоэлектронная микроскопия позволяла визуализировать лишь неверные контуры электронной плотности, напоминающие пузыри, из-за чего этот метод в шутку называли «блобология» (blobology ) . Но прогресс идет вперед, и после 2010 года получил распространение новый тип электронного детектора - Direct Electron Detector , позволяющий получать гораздо более детальное изображение биологических структур .

Сегодня криоэлектронная микроскопия позволяет «ловить» биологические структуры «в динамике» на разных этапах. Совмещая полученные снимки, исследователям удается создавать целые фильмы, демонстрирующие перемещения и взаимодействия белков с другими молекулами. За последние пять лет чуть ли не каждая вторая молекулярная структура, опубликованная в журналах уровня Science и Nature , криомикроскопическая: это и новые состояния рибосомы , и АТФазы , и различные рецепторы , и филаменты загадочного тау-пептида , и инфламмосома , и термочувствительный ионный канал TRPV1 , и многое другое. И это только начало: ученым еще предстоит определить точную структуру и механизм работы множества белков и других сложных биологических структур.

Литература

1. 12 методов в картинках: микроскопия ;
2. По ту сторону дифракционного барьера: Нобелевская премия по химии 2014 ;
3. 12 методов в картинках: структурная биология ;
4. Атомно-силовая микроскопия: увидеть, прикоснувшись ;
5. Fernholm A. (2017).