Kémiai Nobel-díj, 2017: Az élet molekulái, 3D-ben rögzítve
A díjazottak által külön kifejlesztett krio-elektronmikroszkópia lehetővé teszi a biomolekulák mozgás közbeni lefagyasztását és atomi felbontású ábrázolását. A Nobel-bizottság szerint ez a technológia „új korszakba költöztette a biokémiát”.
Richard Henderson (L), Joachim Frank (C), Jacques Dubochet (R). A 2017-es kémiai Nobel-díjat szerdán Jacques Dubochet, Joachim Frank és Richard Henderson kapta, akik oldatban lévő biomolekulák nagy felbontású szerkezetének meghatározására szolgáló krio-elektronmikroszkópiát fejlesztettek ki.
Az elektronmikroszkópot az 1930-as évek elején Ernst Ruska német fizikus tervezte, amiért 1986-ban fizikai Nobel-díjat kapott (Gerd Binnig és Heinrich Rohrer mellett, akik a díj másik felét osztották meg). Négy évvel korábban az 1982-es kémiai Nobel-díjat Aaron Klug kapta a krisztallográfiai elektronmikroszkópia fejlesztéséért és a biológiailag fontos nukleinsav-fehérje komplexek szerkezeti felderítéséért.
A 20. század első felének nagy részében a biomolekulák – fehérjék, DNS és RNS – szerkezetének meghatározása jelentős kihívásként jelent meg a biokémia területén. A tudósok tudása folyamatosan fejlődött az elmúlt hat évtized során – kezdve a globuláris fehérjék szerkezetének úttörő krisztallográfiai vizsgálataival, amelyek 1962-ben Max F. Perutz és John C Kendrew kémiai Nobel-díját kapták, egészen a krioelektronmikroszkópos (cryo-EM) elsajátításáig. amelyet a 2017-es díjat ítéltek oda.
Az 50-es években a röntgenkrisztallográfiát (fehérjekristályok röntgensugárzásnak kitéve) használták biomolekulák kutatási és fejlesztési modelljei kidolgozására; a 80-as években a mágneses magrezonancia (NMR) spektroszkópiát is alkalmazták erre a célra. Mindkét technika alkalmazását azonban a biomolekulák természetéből adódó korlátok szabták meg. A röntgenkrisztallográfiához jól szervezett kristályokra volt szükség – a biomolekulák általában soha nem szerveződnek kristályokká. És az NMR csak viszonylag kis számú fehérje esetében működött.
A 2017-es díj nyertesei három különböző megközelítést alkalmaztak, amelyek együttesen hárították el ezeket a kihívásokat, és – ahogy a Nobel-bizottság mondta – egy új korszakba vitték a biokémiát, és minden eddiginél egyszerűbbé válik a biomolekulák képeinek rögzítése.
Röntgen-krisztallográfia elektronmikroszkóppal
Richard Henderson felhagyott a röntgenkrisztallográfiával, és a fehérjék transzmissziós elektronmikroszkóppal történő leképezéséhez folyamodott – amelyben fény helyett vékony elektronsugarat küldenek át a mintán. Míg azonban az elektronmikroszkóp alkalmas például egy membránfehérje atomi szerkezetének meghatározására, a nagy felbontású képekhez szükséges intenzív elektronsugár elégeti a biológiai anyagot. A sugár intenzitásának csökkenése pedig jelentős kontrasztveszteséget jelent, és a kép homályossá válik.
Emellett az elektronmikroszkópos vákuum követelménye a biomolekulák károsodását jelentette a környező víz elpárolgása miatt.
Henderson bakteriorodopszinnel dolgozott, egy lila színű fehérjével, amely egy fotoszintetizáló szervezet membránjába van beágyazva. Hogy ne égesse el, az érzékeny fehérjét a membránban hagyta, és egy gyengébb elektronsugarat fújt át a mintán. A bakteriorodopszin szerkezetének durva 3D-s modelljének elkészítése érdekében ugyanannak a membránnak számos különböző szögéből készítettek képeket elektronmikroszkóp alatt.
Ez 1975-ben történt. Ahogy az elektronmikroszkópia egyre jobb lencsékkel és a kriotechnológia fejlődésével (amelyben a mintákat folyékony nitrogénnel kb. –190 Celsius-fokra hűtötték, hogy megvédjék őket az elektronsugártól) technikájának sikerült előállítania, 1990-ben , atomi felbontású bakteriorodopszin szerkezet.
2D elektronmikroszkópos képek matematikai képfeldolgozása
Szintén 1975-ben Joachim Frank kidolgozott egy elméleti stratégiát az elektronmikroszkóp kétdimenziós felvételein hordozott információk egyesítésére, hogy nagy felbontású háromdimenziós egészet hozzon létre. Matematikai módszere 2D-s képeket szűrt át, hogy azonosítsa az ismétlődő mintákat, és csoportokba rendezze őket, hogy egyesítse információikat, így élesebb képeket készítsen. Ez a modell segített megkerülni a kevésbé éles képeket, amelyek a biomolekulákhoz használt gyengébb elektronsugarak miatt keletkeztek. A képelemzés matematikai eszközeit számítógépes programcsomagként állították össze.
A minta előkészítése
Jacques Dubochet megoldotta azt az alapvető kihívást, hogy a biomolekula minták ne dehidratálódjanak, és ne essenek össze a krio-EM képalkotás vákuumában az elektronsugár alatt.
A probléma természetes megoldása a minták lefagyasztása volt. Mivel a jég lassabban párolog, mint a víz, működnie kellett volna. A kristályos víz azonban elmosta a képeket, mivel az elektronsugarak vízkristályokon keresztül diffrakcióba kerültek.
Dubochet gyors hűtéssel oldotta meg a problémát, amely nem tette lehetővé a vízmolekulák kristályos formába rendeződését; ehelyett üvegesített vízzé alakultak, amely üvegként működött az elektronsugár számára. Kutatásai során olyan minta-előkészítési technikát dolgozott ki, amelyben a biomolekulákat üvegesített víz alatt árnyékolják. A technikát krio-EM-ben alkalmazzák.
A legújabb használat
A legújabb technikai fejlesztések, mint például az új elektrondetektorok – Direct Electron Detectors – bevezetése az elektronmikroszkópokban, tovább javították a biomolekulák számára az alacsony sugarú krio-EM alatt rögzített képek felbontását. A közvetlen elektrondetektorok elektronmikroszkópokban történő bevezetése 2012–13-ban hatékony eszköznek bizonyult a tudósok számára, mivel szembesültek a Zika vírus, amely 2015 és 2016 között gyorsan terjedt a különböző országokban.
JACQUES DUBOCHET
1942-ben született Aigle-ben, Svájcban. PhD fokozatát 1973-ban szerezte a Genfi Egyetemen és a Bázeli Egyetemen, Svájcban. A svájci Lausanne-i Egyetem biofizika tiszteletbeli professzora.
JOACHIM FRANK
1940-ben született a németországi Siegenben. PhD fokozatát 1970-ben szerezte meg a Müncheni Műszaki Egyetemen, Németországban. A biokémia és molekuláris biofizika, valamint a biológiai tudományok professzora a Columbia Egyetemen, USA.
RICHARD HENDERSON
1945-ben született Edinburgh-ban, Skóciában. 1969-ben szerzett PhD fokozatot a Cambridge-i Egyetemen, az Egyesült Királyságban. Programvezető a Cambridge-i Egyetem MRC Molekuláris Biológiai Laboratóriumában.
2016 NYERTESEI: JEAN-PIERRE SAUVAGE, SIR J FRASER STODDART és BERNARD L FEringA mozgó molekulákból álló nanogépek kifejlesztéséért, amelyeket végül felhasználhatnak új anyagok, érzékelők és energiatároló rendszerek létrehozására.
Oszd Meg A Barátaiddal:
