Что примечательного в новой Нобелевской премии по химии, зачем вокруг биомолекул замораживать воду и как компьютеры превращают 2D- изображения в 3D, читайте в материале Indicator.Ru 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 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).


34c4a8a01e288c4e19e21a2297626abb72378b54

34c4a8a01e288c4e19e21a2297626abb72378b54 
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 (за который он тоже получил свою Нобелевку в 1986-м), с помощью которого можно увидеть позиции отдельных атомов, 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 помогает биомолекулам поддерживать их естественную форму. Все это было сложно и неудобно – до тех пор, пока не появилась криоэлектронная микроскопия.



E837e9287b912dff2e643d73dbb1900a9d0f170a

E837e9287b912dff2e643d73dbb1900a9d0f170a 
Изменения в изображении биомолекул, связанные с работами нобелевских лауреатов 2017 года
Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

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 достаточный количествах, другой не удавалось кристаллизовать.

Но 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 из всех, 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 стали лучше линзы, появились и 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 соберет 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.

3deb184252215ac92008dd2386b41414152c2d82
3deb184252215ac92008dd2386b41414152c2d82 
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 Хендерсон 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.


48935c117facaf5f17041478b010ba2b70a57f4e48935c117facaf5f17041478b010ba2b70a57f4e 
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. С ним встретился и Франк — 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 и «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 «смотрят» именно методами криоэлектронной микроскопии.

Метод стал настолько важен, что в мире поводится немало крупных конференций, посвященных именно методу CryoEM, как сокращенно называют метод в англоязычной литературе.

Авторы: Алексей Паевский, Екатерина Мищенко

Источники

Отсеять, застеклить и заморозить: за что присудили Нобелевку по химии 2017 года
Индикатор (indicator.ru), 04/10/2017
Охладить и рассмотреть: "Нобель" за криоэлектронную микроскопию
Газета.Ru, 04/10/2017
Нобелевскую премию по химии вручат за криоэлектронную микроскопию
N+1 (nplus1.ru), 04/10/2017
"Революционный метод определить структуру белка": Павел Лобков и доктор химических наук о Нобеле за криоэлектронную микроскопию
Телеканал Дождь (tvrain.ru), 04/10/2017
Нобелевскую премию по химии дали за криоэлектронную микроскопию
NewsRbk.ru, 04/10/2017
Нобелевская премия по химии присуждена за криоэлектронную микроскопии для определения структуры молекул
NewsRbk.ru, 04/10/2017
"Нобель" по химии присужден за криоэлектронную микроскопию
Газета.Ru, 04/10/2017
"Нобеля" по химии присудили за криоэлектронную микроскопию
Индикатор (indicator.ru), 04/10/2017
Президент РАН: "Нобелевскую премию мог получить российский ученый"
Arhano.ru, 04/10/2017
Нобелевскую премию по химии вручат за развитие криоэлектронной микроскопии
Lenta.Ru, 04/10/2017
Нобелевская премия по химии присуждена за развитие криоэлектронной микроскопии
Naked Science (naked-science.ru), 04/10/2017
Увидеть больше: Нобелевскую премию по химии вручили за развитие криоэлектронной микроскопии
Russia Today (russian.rt.com), 04/10/2017
Химия жизни против химии смерти: Нобель присудили за метод заморозки
Вести.ru, 04/10/2017
Стали известны имена лауреатов Нобелевской премии по химии
Известия (iz.ru), 04/10/2017
Нобель сверхбыстрой заморозки
Коммерсантъ. Новости Online, 04/10/2017
Объявлены лауреаты Нобелевской премии по химии
Коммерсантъ. Новости информ. центра, 04/10/2017
Стали известны лауреаты Нобелевской премии по химии
Московский Комсомолец (mk.ru), 04/10/2017
Нобелевская премия по химии - 2017: новый взгляд на биомолекулы
Наука и жизнь (nkj.ru), 04/10/2017
Нобелевскую премию по химии получили разработчики криоэлектронной микроскопии
Научная Россия (scientificrussia.ru), 04/10/2017
Нобелевскую премию по химии присудили за визуализацию биомолекул
РБК (rbc.ru), 04/10/2017
Стали известны имена лауреатов Нобелевской премии по химии
Россия К (tvkultura.ru), 04/10/2017
Что такое криоэлектронная микроскопия и почему за нее дают Нобелевскую премию
ТАСС, 04/10/2017
"Нобель" по химии вручен за развитие криоэлектронной микроскопии
Труд (trud.ru), 04/10/2017
Холодный электронный взгляд
Чердак (chrdk.ru), 04/10/2017
Часы, волны, микроскопы. За что присудили Нобелевские премии по медицине, физике и химии
Europalibera.org, 04/10/2017
Часы, волны, микроскопы
Радио Свобода (svoboda.org), 04/10/2017

Похожие новости

  • 03/10/2016

    Названы возможные претенденты на получение Нобелевской премии

    ​​3 октября весь мир будет пристально следить за сообщениями из Стокгольма, где будут объявлены имена первых нобелевских лауреатов 2016 года. Однако еще до их объявления в мире строятся прогнозы по поводу возможных кандидатов.
    712
  • 17/05/2017

    Кубок юного химика-криминалиста получил школьник из Красноярска

    ​12 мая 2017 года в Сибирском федеральном университете завершился финал III Кубка юного химика-криминалиста. Победителем и обладателем Кубка стал ученик 9-го класса школы № 5 г. Красноярска Денис Чичерин.
    345
  • 02/11/2016

    Энергетика будущего начинается здесь и сейчас: интервью академика Валентина Пармона

    ​"Чаепития в Академии" - постоянная рубрика Pravda.Ru. Писатель Владимир Губарев беседует с выдающимися учеными. Вниманию читателей предлагается интервью с доктором химических наук, профессором, академиком РАН Валентином Пармоном.
    731
  • 03/02/2017

    Академику Дмитрию Кнорре и профессору Сиднею Альтману присуждена Большая золотая медаль РАН имени М.В. Ломоносова 2016 года

    ​31 января 2017 года  Президиум РАН постановил присудить Большую золотую медаль Российской академии наук имени М.В. Ломоносова 2016 года академику РАН Дмитрию Георгиевичу Кнорре  ​и профессору Сиднею  Альтману.
    668
  • 07/04/2017

    Михаэль Гретцель - лауреат премии «Глобальная энергия» в 2017 году

    ​Лауреатом Международной энергетической премии "Глобальная энергия" 2017 года стал 72-летний швейцарский химик Михаэль Гретцель. Об этом в четверг объявил оргкомитет премии на пресс-конференции в ТАСС.
    349
  • 24/11/2016

    Дни Франции в Институте катализа СО РАН

    С 7 по 9 ноября 2016 года в Институте катализа состоялся очередной российско-французский семинар в рамках международного научного объединения «Каталитическая переработка биомассы в ценные продукты» (МНО «Биомасса» / GDRI "Biomass").
    747
  • 28/04/2017

    Аспирант ТПУ выиграла одну из 13 стипендий Европейской федерации медицинской химии

    ​​Аспирант Института физики высоких технологий Томского политеха​ Ксения Станкевич выиграла престижную стипендию Европейской федерации медицинской химии. Эта стипендия дает ей право стать участником Европейской школы по медицинской химии, которая этим летом пройдет в Италии.
    492
  • 15/06/2017

    Анастасия Шрайнер: мы сами собрали установку по экстракции бетулина

    ​В марте 2017 года огласили итоги конкурса «У.М.Н.И.К. 2016» (участник молодежного научно-инновационного конкурса) Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.  Эксперты отметили 12 проектов молодых омских ученых, которые получат финансирование в размере 500 тысяч рублей.
    228
  • 13/10/2016

    Новосибирские ученые удостоены премии за выдающиеся работы в области катализа

    Премиями имени выдающихся ученых академия наук поощряет научные труды, открытия и изобретения, имеющие большое значение для науки и практики. ​Премия А.А. Баландина учреждена Российской академией наук и присуждается отечественным ученым  за выдающиеся работы в области катализа.
    914
  • 26/05/2017

    Химики СФУ продемонстрировали высокие результаты на всероссийских научно-образовательных мероприятиях

    ​Студенты 3-го курса Института цветных металлов и материаловедения Сибирского федерального университета продемонстрировали высокие результаты во Всероссийской студенческой олимпиаде по химии и молодежной научной конференции.
    336