За что присуждена Нобелевская премия по химии
История микроскопии насчитывает уже более 400 лет, но изучение биологических объектов этим методом началось только в 1664 году, когда Роберт Гук увидел "клетку" в коре пробкового дуба. Через десять лет Антони ван Левенгук разглядел в свои удивительные микроскопы одноклеточные организмы - бактерии, сперматозоиды, эритроциты. Тогда это была исключительно оптическая микроскопия, то есть для изучения микроскопических объектов использовался обычный свет - поток фотонов.
Но в 1931 году был изобретен электронный микроскоп, в котором объект просвечивался потоком других частиц - электронов. Разрешающая способность этого микроскопа в 10 тысяч раз больше, чем оптического, а увеличение объекта - больше, чем в миллион раз. Развитие этой техники привело к возможности видеть отдельные молекулы и даже атомы. За свое изобретение его автор - получил Нобелевскую премию (по физике) только через 55 лет. В химии нужно жить долго!
Это подтверждает и присуждение Нобелевской премии по химии 2017 года Жаку Дюбоше, Иоахиму Франку и Ричарду Хендерсону "за развитие криоэлектронной микроскопии для определения с высоким разрешением структур биомолекул в растворе". Жак Дюбоше работает в швейцарском Университете Лозанны, ему 75 лет. (Между прочим, что у него "болезнь гениев" дислексия - проблемы с чтением.) Немецко-американскому биофизику Иоахиму Франку 77 лет, он профессор биохимии в Колумбийском университете (Нью-Йорк). Профессор Кембриджского университета Ричард Хендерсон родился в 1945 году.
Идея создания электронного микроскопа возникла у Эрнста Руски после обнаружения корпускулярно-волнового дуализма этой частицы. Поскольку длина волны электрона составляет одну триллионную метра, то есть в миллиард раз меньше длины волны света, то с помощью этого прибора можно рассмотреть невероятно мелкие объекты, вплоть до атомов.
Однако на первых порах электронную микроскопию удавалось использовать в основном для изучения неорганических веществ, потому что биологические объекты разрушались агрессивным пучком электронов. Выход был найден - в эти объекты разными способами внедряли атомы металлов и получали уже некое подобие структур молекул белков, углеводов и липидов (жиров). Это очень много дало для развития биохимии и самой биологии, однако получаемые снимки были все-таки очень далеки от реальности.
Следующий шаг в решении проблемы изучения биообъектов был сделан, когда методом электронной микроскопии начали изучать кристаллы биообъектов при низких температурах, до минус 100 градусов Цельсия. В этом случае разрушение молекул тех же белков заметно уменьшается, а движение входящих в молекулу атомов сильно замедляется, что и позволяет получать очень четкие изображения структуры этой молекулы. Были попытки снизить температуру до минус 195,75оС (температура кипения жидкого азота), однако исследователи столкнулись с техническими проблемами - требовался очень высокий вакуум, к тому постоянно испарялся жидкий азот.
Эти проблемы были преодолены в лаборатории Жака Дюбоше, который разработал совершенно оригинальный метод замораживания биологических объектов жидким этаном или пропаном. (При обычной температуре эти вещества являются газами, а в жидком виде пропан используют, например, для заправки дачных газовых баллонов и автомобилей.)
При температуре жидкого азота этан и пропан остаются жидкостями, и при наслаивании воды на эти жидкости она превращается в очень тонкую пленку аморфного льда (остеклованной воды), в то время как при обычном замораживании образуются кристаллы льда и чисто физически разрушают нужный нам биологический объект. А в остеклованном состоянии вода предохраняет молекулы белков даже в вакууме. Именно в пленке такой воды и замораживают кусочки тканей, растворы различных веществ, в том числе белков, рибосомы, суспензии вирусов. Один из лауреатов этой Нобелевской премии Ричард Хендерсон справедливо замечает, что эра криоскопии по-настоящему началась именно с работ Дюбоше (Хендерсон был его соавтором).
Вначале эта группа исследователей занималась изучением двумерных кристаллов белка родопсина (отвечает за зрение человека и многих животных), разрушение которого при замораживании происходило в 5 раз медленнее. Затем они начали получать трехмерные изображения, например, рибосом или симметричных сферических вирусов. Для этого снимки с помощью электронного микроскопа проводили под различными углами, а затем компьютерным образом восстанавливали подлинный вид "живого" биологического объекта. Для несимметричных частиц было необходимо получать изображения со всевозможных ракурсов.
До 2010 года ученым удавалось получать структуры, больше похожие на капли или кляксы, коллеги даже насмешливо называли криомикроскопистов блоболагами (от blob - "делать кляксы"). Но с появлением суперкомпьютеров и соответствующих программ удалось намного улучшить соотношение "сигнал - шум". В развитии этого метода обработки изображений большой вклад внес третий лауреат Нобелевской премии Иоахим Франк, который начал эту работу еще в 1970-1980-х годах. Директор Института биофизики имени Макса Планка Вернер Кюльбрандт даже назвал эти достижения революцией в разрешении. Отметим, что именно использование суперкомпьютеров и хитроумных программ позволило Крейгу Вентеру опередить десятки других лабораторий со всего мира в расшифровке генома человека, за что его до сих пор очень недолюбливают американские биохимики.
К 2013 году были получены изображения самых разных белков, например, ответственных за устойчивость бактерий к антибиотикам. А также некоторых вирусов - например, вируса Зика, который вызывает острое инфекционное заболевание. Против этого вируса до сих пор не найдено специфического лекарства, и получение изображения вирусной структуры - кратчайший путь к его созданию. Удалось также выяснить, как золотистый стафилококк умудряется противостоять действию антибиотиков, и каким образом коронавирусы проникают в клетки и поражают различные системы человека.
Общественность всегда интересует, какое практическое применение могут иметь все эти безумно дорогие исследования, отмечаемы потом премиями на миллионы долларов. Так вот, по поводу криомикроскопии член-корреспондент РАН, руководитель отдела химии лекарственных средств ФГБНУ "НИИ фармакологии имени В.В. Закусова" Татьяна Гудашева говорит: "Криоэлектронная микроскопия может дать прорыв в разработке новых лекарств. Она позволяет получать трехмерное изображение белковых молекул с хорошим разрешением, как они существуют в природе, что выгодно отличает ее от таких методов, как ядерный магнитный резонанс или рентгеновская кристаллография. На основе трехмерной структуры терапевтически важных белков можно создавать малые молекулы, имитирующие активность этих белков и имеющие потенциал для развития в качестве соответствующих лекарственных препаратов. Низкомолекулярные миметики белков имеют большие перед ними преимущества, поскольку легко проникают через биологические барьеры, включая гематоэнцефалический, поэтому могут использоваться при системном применении. К ним не возникают иммунные реакции и они дешевы в производстве".
Кстати
Что касается России, то в этом году на премию был номинирован российский ученый Георгий Шульпин из Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, внесший большой вклад в изучение каталитических реакций. Есть надежда, что со временем он эту премию все-таки получит. А всего из граждан Российской империи - СССР - Российской Федерации был только один ученый, получивший Нобелевскую премию по химии - как раз академик Николай Семенов, в институте имени которого и работает Георгий Шульпин. Есть еще несколько ученых-лауреатов этой премии из России, среди них знаменитая Мария Склодовская-Кюри, родившаяся в Царстве Польском Российской империи.