A kémiai Nobel-díj jelöltjei. A Nobel-bizottság kihirdette a kémiai díj nyerteseit

A 2017-es kémiai Nobel-díjat Jacques Dubochet, Joachim Frank és Richard Henderson kapta a krioelektronmikroszkópia fejlesztéséért, amely lehetővé tette az élő szervezetek molekuláinak részletes és nagyon nagy felbontású megtekintését.

Jacques Dubouche svájci, a svájci Lausanne-i Egyetemen dolgozik, Joachim Frank amerikai a New York-i Columbia Egyetemről, Richard Henderson brit tudós Cambridge-ből (MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, Egyesült Királyság).

Hangsúlyozzuk, hogy a díjazottak kutatása, amely a múlt század 70-90-es éveiben is folytatódott, forradalmi áttörést hozott a biológiában, hiszen lehetővé tette az első pillantást arra, ami korábban teljesen láthatatlan volt - az egyes biológiai molekulákra, sőt a az őket alkotó atomok.

Lényegében a tudósok modernizálták az elektronmikroszkópot. Korábban az élettelen anyagokat elektronmikroszkóppal figyelték meg. A díjazottak vadon élő állatok megfigyelésére alkalmazták. Megtanultuk vizes oldatban lefagyasztani őket, hogy a biomolekulák megőrizzék alakjukat és tulajdonságaikat, és egyben „rögzüljenek” a megfigyeléshez alkalmas formában.

Ennek eredményeként egy elektronmikroszkóp segítségével lehetővé vált a szóban forgó élő objektumok háromdimenziós képeinek elkészítése. 2013-ra a módszer felbontása fenomenálissá vált. Mindenféle molekuláris fehérjéről megjelentek képek, például olyanokról, amelyek rezisztenssé teszik a baktériumokat az antibiotikumokkal szemben. Még vírusokat is lehetett „fényképezni” – például a Zika-vírust. Ami a következő győzelmet ígéri felette.

A mikrovilágba behatolt kutatók megjegyzik: egy bizonyos tárgy részletes képe a legrövidebb út a lényegének megértéséhez. Vagyis a tudásra. Nyilvánvaló, hogy a Nobel-díjakat odaítélő Svéd Királyi Tudományos Akadémia osztja ezt a véleményt.

SEGÍTSÉG KP

A jelenlegi kémiai Nobel-díj a 109. Az 1901 óta a világ legtiszteltebb tudományos díjával kitüntetettek között 4 nő van.

Frederick Sandger brit tudós, aki szerepel a "korunk 100 zsenije" listáján, kétszer kapott kémiai Nobel-díjat - 1958-ban és 1980-ban. Az első alkalom az inzulinmolekulában lévő aminosavak pontos sorrendjének meghatározására szolgált. A második - a DNS elsődleges szerkezetének megfejtésére szolgáló módszer kifejlesztésére.

Tavaly a díjat francia, amerikai és holland tudósok kapták. A francia Jean-Pierre Sauvage, az amerikai Sir James Fraser Stoddart és a holland Bernard L. Feringa „molekuláris gépek fejlesztéséért és szintéziséért” kapta a díjat. A Lureates valójában lefektette a nanotechnológia anyagi alapját.

Műtrágyák és vegyi fegyverek megalkotója

Az egyik legvitatottabb Nobel-díjas Fritz Haber volt. A kémiai díjat 1918-ban kapta az ammónia szintézisére szolgáló módszer feltalálásáért, amely a műtrágyagyártás szempontjából döntő fontosságú felfedezés. Az első világháborúban használt mérgező klórgázon végzett munkája miatt azonban a "vegyi fegyverek atyjaként" is ismerték.

Halálos felfedezés

Egy másik német tudós, Otto Han (a képen középen) 1945-ben Nobel-díjat kapott az atommaghasadás felfedezéséért. Bár soha nem dolgozott ennek a felfedezésnek a katonai alkalmazásán, közvetlenül az atomfegyverek kifejlesztéséhez vezetett. Hahn néhány hónappal azután kapta meg a díjat, hogy atombombákat dobtak le Hirosimára és Nagaszakira.

Friedmantől Obamáig: a legvitatottabb Nobel-díjasok

Áttörés, amit betiltottak

Paul Müller svájci vegyész 1948-ban orvosi díjat nyert annak felfedezéséért, hogy a DDT hatékonyan képes elpusztítani a betegségeket, például a maláriát terjesztő rovarokat. A peszticidek használata valaha életek millióit mentette meg. Később azonban a környezetvédők azzal kezdtek érvelni, hogy a DDT veszélyt jelent az emberi egészségre és károsítja a természetet. Ma használata az egész világon tilos.

Friedmantől Obamáig: a legvitatottabb Nobel-díjasok

Kellemetlen jutalom

Nyílt és hallgatólagos politikai felhangjai miatt a békedíj talán a legvitatottabb Nobel-díjak közül. 1935-ben Carl von Ossietzky német pacifista megkapta, mert leleplezte Németország titkos fegyverkezését. Ossietzky maga is börtönben ült hazaárulás vádjával, a felháborodott Hitler pedig azzal vádolta a bizottságot, hogy beavatkozik Németország belügyeibe.

Friedmantől Obamáig: a legvitatottabb Nobel-díjasok

(Lehetséges) Békedíj

A norvég bizottság 1973-ban hozott döntése, hogy a békedíjat Henry Kissinger amerikai külügyminiszternek és Le Duc Tho észak-vietnami vezetőnek ítélte oda, kemény kritikát kapott. A Nobel-díjnak a vietnami háború során elért tűzszünetben elért eredmények elismerésének szimbóluma volt, de Le Duc Tho nem volt hajlandó átvenni. A vietnami háború még két évig tartott.

Friedmantől Obamáig: a legvitatottabb Nobel-díjasok

Libertárius és diktátor

A szabadpiac szószólója, Milton Friedman az egyik legvitatottabb közgazdasági Nobel-békedíj kitüntetettje. A bizottság 1976-os döntése nemzetközi tiltakozásokat váltott ki Friedmannak Augusto Pinochet chilei diktátorhoz fűződő kapcsolatai miatt. Friedman egy évvel korábban járt Chilében, és a kritikusok azt állítják, hogy ötletei olyan rezsimet inspiráltak, ahol ezreket kínoztak meg és öltek meg.

Friedmantől Obamáig: a legvitatottabb Nobel-díjasok

Hiábavaló remények

A békedíjnak, amelyet 1994-ben Jasszer Arafat palesztin vezető, Jichak Rabin izraeli miniszterelnök és Simon Peresz izraeli külügyminiszter osztozott meg, további ösztönzőként kellett volna szolgálnia a közel-keleti konfliktus békés megoldásához. Ehelyett a további tárgyalások kudarcot vallottak, és egy évvel később egy izraeli nacionalista meggyilkolta Rabint.

Friedmantől Obamáig: a legvitatottabb Nobel-díjasok

Hátborzongató emlékiratok

Rigoberta Menchú emberi jogi aktivista, aki a maja nép érdekeit védi, 1992-ben békedíjat kapott „a társadalmi igazságosságért folytatott küzdelméért”. Később ez a döntés sok vitát váltott ki, mivel állítólag hamisításokat fedeztek fel emlékirataiban. A guatemalai őslakosok népirtásának atrocitásait ábrázoló ábrázolásai híressé tették. Sokan azonban meg vannak győződve arról, hogy így is megérdemelte a díjat.

Friedmantől Obamáig: a legvitatottabb Nobel-díjasok

Korai jutalom

Amikor 2009-ben Barack Obamát megkapta a békedíjat, sokan meglepődtek, köztük ő is. Mivel akkoriban kevesebb mint egy éve volt elnök, „a nemzetközi diplomácia megerősítése érdekében tett óriási erőfeszítéseiért” kapta meg a díjat. Obama kritikusai és néhány támogatója korainak érezte a díjat, és még azelőtt kapta meg, hogy lehetősége lett volna valódi lépésekre.

Friedmantől Obamáig: a legvitatottabb Nobel-díjasok

Posztumusz kitüntetés

2011-ben a Nobel-bizottság Jules Hoffmant, Bruce Beutlert és Ralph Steinmant orvostudományi díjnak nevezte ki az immunrendszer tanulmányozása terén tett felfedezéseikért. A probléma az volt, hogy Steinman néhány nappal korábban rákban halt meg. A szabályok szerint a díjat nem posztumusz adják át. De a bizottság mégis Steinmannek ítélte oda, azzal indokolva, hogy halála akkor még nem volt ismert.

Friedmantől Obamáig: a legvitatottabb Nobel-díjasok

"A legnagyobb mulasztás"

A Nobel-díj nemcsak azért vitatott, hogy ki kapta, hanem azért is, mert valaki soha nem kapta meg. 2006-ban a Nobel-bizottság tagja, Geir Lundestad azt mondta, hogy "106 éves történelmünk legnagyobb mulasztása kétségtelenül az, hogy Mahatma Gandhi soha nem kapott Nobel-békedíjat".

A Nobel-bizottság jó hagyománnyá vált az egyes atomok „látását” lehetővé tevő technikák fontosságának elismerése: 2014-ben a szuperfelbontású mikroszkópiát jegyezték fel, 2017. október 4-én pedig átadták a kémiai Nobel-díjat. "a krioelektronmikroszkópos módszer kifejlesztéséért" díjazták. A nyertes három kutató lett: Jacques Dubochet a Lausanne-i Egyetemről, Jochim Frank a New York-i Columbia Egyetemről és Richard Henderson a Cambridge-i Molekuláris Biológiai Laboratóriumból. A biomolekulák mozgásban történő lefagyasztása lehetővé teszi róluk nagy felbontású képek készítését, a számítógépes rekonstrukciós technikák pedig atomi pontosságú térszerkezetet biztosítanak. Az 1970-es években megkezdett kutatások egyre inkább képesek értékelni a bioorganikus komplexek felépítését.

Azok az emberek, akik rendszeresen olvasnak cikkeket a legjobb tudományos folyóiratokban, már régóta hozzászoktak a számos molekuláris képhez. De a mikroszkópok nem teszik lehetővé az egyes molekulák megtekintését. Igaz, létezik szuperfelbontású mikroszkóp, amiért 2014-ben kémiai Nobel-díjat is adományoztak, de nem teszi lehetővé az egyes atomok „látását”. A biológiai molekulák szerkezetének ilyen részletes vizsgálata a szerkezetbiológia területe, amelynek vezető technikáinak egészen a közelmúltig a röntgendiffrakciós elemzést (XRD) és a mágneses magrezonancia spektroszkópiát (NMR) tekintették. Érdekes módszer az atomerőmikroszkópia is, de történetünk mai hőse más: ez krioelektronmikroszkópia, amelynek kidolgozásáért idén, 2017-ben kémiai Nobel-díjat kapott.

A korábban kis méretük miatt „láthatatlannak” tartott komplex struktúrák megjelenítése számos alapvető áttörést tett lehetővé. Az egyik a Zika-vírus elleni küzdelem előrehaladása (1. ábra), amely nemrégiben az azonos nevű betegség világjárványát okozta. A krioelektronmikroszkópiának köszönhetően, amely az elmúlt öt évben egyre inkább a szerkezetbiológia „három nagy” módszere közé került, sikerült háromdimenziós modellt készíteni ennek az alattomos szernek. Ez pedig a betegséggel megbirkózni képes gyógyszerek lehetséges célpontjainak keresésének kezdetét jelentette.

1. ábra Példák néhány fehérjekomplexre. A - Fehérje komplex, amely szabályozza a cirkadián ritmust. b - Egy fülhang-érzékelő komplexum, amely érzékeli a nyomásváltozásokat és lehetővé teszi számunkra, hogy halljunk. V - Zika vírus modell.

Rövid kirándulás a mikroszkópia történetébe 1975-ig

A 20. század első felében a három leghíresebb biológiai struktúra - a DNS, az RNS és a fehérje - üres folt maradt a biokémiai világ térképén. Tudták, hogy léteznek a szervezetben, és fontos szerepet töltenek be a sejtek életében, de senkinek sem volt fogalma arról, hogy mi a felépítésük. Egészen az 1950-es évek elején történt, hogy egy híres cambridge-i tudóscsoport, köztük Francis Crick, James Watson, Maurice Wilkins és Rosalind Franklin, először próbálta meg röntgensugárzással besugározni a DNS-t, ami a híres kettős spirál felfedezéséhez vezetett.

Richard Henderson eleinte krisztallográfus is volt, aki ha nem is Nobel-díjat, de doktori fokozatot kapott korai kutatásaiért. A röntgendiffrakciós módszer magában foglalja a röntgensugarak kristályrács általi diffrakcióját, amely segít azonosítani a molekula szerkezetét. De akkoriban még messze volt a tökéletestől, bár ma ez az egyik fő módja az anyag szerkezetének tanulmányozásának. 30 évet előrelépve megtudjuk, hogy a tudomány újabb módot nyert a biomolekulák szerkezetének megfejtésére: az 1980-as években a mágneses magrezonancia módszerét kezdték alkalmazni az oldatban lévő fehérjék szerkezetének és dinamikájának vizsgálatára (ma is használják). ).

Ennek a két módszernek köszönhetően lenyűgöző mennyiségű információt lehetett felhalmozni a biológiai molekulák szerkezetéről: ma az EKT több mint 100 ezer szerkezetet tartalmaz. De mint gyakran előfordul, mindkét módszernek megvannak a maga hátrányai. Így az NMR segítségével csak az oldatban lévő fehérjéket lehet megjeleníteni, méretüknek kicsinek kell lennie. A röntgenkrisztallográfia mínusza pedig a módszer nevében olvasható: stabil szerkezeteken, például kristályokon működik, dinamikus „élő” molekulákon viszont nem. Az ezzel a módszerrel kapott képek a történelem első kameráival készült fényképekre emlékeztetnek: fekete-fehérek és fagyasztva, nem hordoznak információt a fehérje mozgó szerkezetéről. Ez a probléma arra késztette Richard Hendersont, hogy az 1970-es években felhagyott a röntgenkrisztallográfiával, és elindult a 2017-es Nobel-díj felé vezető úton.

Első lépés: bakteriorodopszin az elektronsugár pisztolya alatt

Hendersont kezdettől fogva érdekelték a membránfehérjék. Miért bizonyult vizualizációjuknak akkoriban a röntgen módszer lehetőségeit meghaladónak? A fehérje kristályosítására tett kísérletek során kudarcok következtek be, és ezáltal megzavarták a sejt lipidmembránjában a természetes állapotát. A membránfehérjéket rendkívül nehéz eltávolítani a membránról anélkül, hogy megzavarnák natív állapotukat: nagyon gyakran egyszerűen „összetapadnak” egyetlen masszává, amely nem képezi további vizsgálat tárgyát. Most azonban nagy előrelépés történt a membránfehérjék kristályosításában: egyszerűen megtanulták a membránt a kristály részévé tenni.

Számos sikertelen próbálkozás után Richard Henderson az egyetlen valódi lehetőségnek tűnő megoldáshoz fordult: az elektronmikroszkópiához. Mi az alapvető különbség az elektronmikroszkóp és az optikai mikroszkóp között? A transzmissziós elektronmikroszkópiában (ahogy ezt a technikát nevezik) fénysugár helyett elektronsugarat küldenek a mintához. Az elektronok hullámhossza jóval rövidebb, mint a fény hullámhossza, így a nagyon kicsi szerkezetek is - egészen az egyes atomok szintjéig - leképezhetők elektronmikroszkóppal.

Elméletileg az elektronmikroszkóp ideális volt Richard Henderson kutatásaihoz, mert lehetővé tette a membránfehérjék atomi szintű leképezését. De a gyakorlatban ez az elképzelés irreálisnak tűnt. Az elektronmikroszkóp feltalálása óta úgy gondolták, hogy ezzel a módszerrel csak az élettelen anyagokat lehet tanulmányozni. Ennek oka az elektronsugár: nagy felbontású képek készítését teszi lehetővé, de valójában élő struktúrákat „éget el” útja mentén. Ha csökkenti az intenzitását, a kép elveszti a kontrasztot, és elmosódott lesz.

A biomolekulák elektronmikroszkóp alatti megjelenítésének további akadálya a vákuum létrehozásának szükségessége. Amikor egy biológiai mintából levegőt szivattyúznak ki, az élő struktúrákat beborító víz is elpárolog, amitől azok elveszítik természetes formájukat. Így minden körülmény Henderson ellen szólt. Ötletét azonban egy speciális fehérje mentette meg, amely kivételes stabilitással rendelkezik a membránban - a bakteriorodopszin.

1991-ben Joachim Frank Dubochet-módszerrel „lefagyasztotta” a riboszómákat, így kép lett háromdimenziós szerkezetükről. És annak ellenére, hogy a kép az elektronmikroszkóphoz példátlan felbontásban készült, a kutatók csak a riboszóma körvonalait tudták megmutatni. A különös könnycsepp alakú szerkezetek még mindig nem bírták az összehasonlítást a röntgenkrisztallográfia atomi felbontásával. A krio-elektron mikroszkóppal csak szabálytalan, buborékokra emlékeztető elektronsűrűség-kontúrokat lehetett megjeleníteni, ezért a módszert viccesen „blobológiának” nevezték. blobológia) . De a fejlődés halad előre, és 2010 után egy új típusú elektronikus detektor széles körben elterjedt - Közvetlen elektrondetektor, amely lehetővé teszi, hogy sokkal részletesebb képet kapjunk a biológiai struktúrákról.

Napjainkban a krioelektronmikroszkópia lehetővé teszi a biológiai struktúrák „dinamikus” „elkapását” különböző szakaszokban. A kapott képek kombinálásával a kutatók teljes filmeket tudnak létrehozni, amelyek bemutatják a fehérjék mozgását és más molekulákkal való kölcsönhatásait. Az elmúlt öt évben szinte minden második molekuláris szerkezetet publikáltak a folyóiratokban TudományÉs Természet, kriomikroszkópos: ezek a riboszóma új állapotai, és az ATPázok, és a különböző receptorok, és a titokzatos tau peptid filamentumai, és a gyulladásos, és a hőmérséklet-érzékeny ioncsatorna TRPV1, és még sok más. És ez csak a kezdet: a tudósoknak még meg kell határozniuk számos fehérje és más összetett biológiai struktúra pontos szerkezetét és mechanizmusát.

Irodalom

1. 12 módszer képekben: mikroszkópia;
2. Beyond the Diffraction Barrier: Kémiai Nobel-díj 2014;
3. 12 módszer képekben: szerkezetbiológia;
4. Atomerőmikroszkópia: lásd tapintással;
5. Fernholm A. (2017).

A 2017-es Nobel-díjas Jacques Dubochet, Joachim Frank és Richard Henderson munkáiról olvashat a weboldalon, hogy mi a figyelemre méltó az új kémiai Nobel-díjban, miért fagy meg a víz a biomolekulák körül, és hogyan alakítják át a számítógépek a 2D-s képeket 3D-vé.

Az elmúlt években elért molekuláris szerkezetek lenyűgözőek. Itt van egy egész „fecskendő” szalmonellából, amivel megtámadja a sejteket, és a baktériumoknak antibiotikumokkal szembeni rezisztenciát biztosító fehérjéket, a flagella tövében pedig a legszebb struktúrákat, és elképesztően szép enzimeket. A sejtben lévő biomolekulák működésével kapcsolatos alapvető biológiai ismeretektől a gyógyszermolekulák viselkedésének megértéséig mindannyian megszerezhetjük ezt a krio-elektronmikroszkópos módszernek köszönhetően, amelynek kidolgozásáért kémiai Nobel-díjat kaptunk. 2017.

De mi is ez a módszer, és miért ne lehetne nélküle ugyanazokat az eredményeket elérni? Hiszen addigra már létezett röntgenkrisztallográfia és egyszerűen elektronmikroszkóp.

Ezek a módszerek számos fontos korlátot támasztottak a kutatók előtt, amelyek leküzdéséért, pontosabban „a biomolekulák szerkezetének nagy felbontású oldatokban történő meghatározására szolgáló krioelektronmikroszkópos módszerek kidolgozásához” a mai napon átadták a rangos elismerést.

Idén három tudós kapja meg, akik a technológia kidolgozói voltak: a francia Jacques Dubochet, aki a Lausanne-i Egyetemen dolgozik, a német származású Joachim Frank a New York-i Columbia Egyetemről és a skót Richard Henderson a Molekuláris Laboratóriumból. Biológia Cambridge-ben (egyébként úgy tűnik, ez a tizenötödik díjazott ebből a laboratóriumból).

Balról jobbra: Jacques Dubochet, Joachim Frank és Richard Henderson

Denis Balibouse/Reuters, Columbia Egyetem, MRC Molekuláris Biológiai Laboratórium

Amikor Ernst Ruska feltalálta és bemutatta az elektronmikroszkópot, amellyel az egyes atomok helyzetét meg lehet nézni (amiért Ruska 1986-ban Nobel-díjat kapott), egy másik tudós, Ladislav Marton írt egy cikket a biológiai anyagok tanulmányozásának nehézségeiről. az új módszer, mert a biomolekulák és a sejtek elpusztulnak az elektronáramlás hatására. Ennek az áramlásnak nagyon gyengének kellett lennie, hogy ne sértse meg a mintákat, de az ilyen gyenge áramlás rossz felbontást eredményezett. Az elektronmikroszkópos vizsgálathoz a mintának vékonynak és laposnak kellett lennie, ami szintén bonyolította a feladatot - kétdimenziós vetítésből kellett elkészíteni a vizsgált molekulák (például fehérjék) 3D-s modelljeit.

Az élő sejtek tanulmányozása természetesen szóba sem jöhetett, de elpusztult állapotban teljesen másképp néznek ki, mint munka közben. Ezenkívül az elektronmikroszkópnak vákuumra volt szüksége, és benne az összes víz elpárolgott, ami segített a biomolekuláknak megőrizni természetes alakjukat. Mindez nehéz és kényelmetlen volt. Amíg meg nem jelent a krioelektronmikroszkópia.

Változások a 2017-es Nobel-díjasok munkájához kapcsolódó biomolekulák ábrázolásában

Richard Henderson fehérjéken dolgozott Cambridge-ben röntgenkrisztallográfiával, amely technikával Rosalind Franklin elkészítette azokat a híres képeket, amelyekből Watson és Crick felépítette a DNS kettős hélix modelljét. Minden rendben volt, amíg Henderson elkezdett dolgozni a sejtmembránban található membránfehérjéken. Természetes környezetükből kiragadva használhatatlan, kusza atomkupacsá váltak. Az egyiket Henderson nem tudta kellő mennyiségben elkülöníteni, a másikat nem tudták kristályosítani.

Minden megváltozott, amikor Henderson átvette a fényérzékeny fehérjét, a bakteriorodopszint. A tudós úgy döntött, hogy nem húzza ki a membránból, hanem a membrán egy egész darabját elektronmikroszkóp alá helyezte vele együtt. Hogy a szerkezet ne omoljon össze, glükózoldattal borították be. A tudósok gyengébb sugarat lőttek ki, hogy ne károsítsák a mintát egy erős elektronárammal. A kép a várakozásoknak megfelelően nem lett túl tiszta és kontrasztos, de itt ugyanazt a matematikai módszert alkalmazták, mint a röntgenkrisztallográfiában, ezt éppen a membránban elhelyezkedő fehérjék szerkezete tette lehetővé ugyanabban az irányban. Különböző szögekből készített képek azt mutatták, hogy a fehérje megcsavarodott, hétszer áthaladt a membránon (az ilyen fehérjéket ma hét-helikális receptoroknak nevezik). Ez volt a valaha volt legjobb minőségű kép, amelyet elektronmikroszkóppal készítettek.

A hét angström felbontása sokakat lenyűgözött, de Henderson nem akarta abbahagyni: a röntgenkrisztallográfiával megegyező felbontást, három angströmet akart elérni. Idővel a lencsék jobbak lettek, és megjelentek a fagyasztási technológiák, amelyek lehetővé teszik a minta folyékony nitrogénben való tárolását. Hogy tisztább képet kapjon a bakteriorodopszinról, Henderson különböző laboratóriumokba utazott a világ legjobb elektronmikroszkópjait használva. Mindegyiknek ugyanazok a hibái voltak, de kiegészítették egymást. És csak 1990-ben, 15 évvel az első, mai szemmel nézve csúnya kép kézhezvétele után, Henderson elérte célját. Kimutatta, hogy a krioelektronmikroszkópia hasznos lehet biomolekulák tanulmányozására, de a bakteriorodopszint rendelték és gyakorlatilag a sejtmembránban rögzítették. Nagyon kevés más fehérje képes ugyanerre, ezért a biológusok úgy vélték, hogy ez még mindig nagyon korlátozott módszer.

Ebben az időben, az Atlanti-óceán túlsó partján, New Yorkban Joachim Frank már régóta dolgozott a probléma megoldásán. Már 1975-ben előállt egy elméleti megközelítéssel, de ennek megvalósítása hosszú évekbe telt. Az volt az ötlete, hogy olyan számítógépet hozzon létre, amely képes megkülönböztetni a véletlenszerűen elhelyezett fehérjéket a kaotikus háttértől. Egy olyan matematikai módszert dolgozott ki, amely lehetővé teszi a számítógép számára, hogy különböző ismétlődő mintákat találjon egy képen. A számítógép összeválogatta a mintákat, hasonlókat kombinálva, hogy átlagos, de élesebb képet kapjon. Frank számos közleményt publikált nagy felbontású 2D fehérjemodellekkel, különböző szögekből. Az algoritmusok 1981-re készültek el.

A következő lépés egy olyan algoritmus létrehozása volt, amely hasonló 2D-s képeket talál, és 3D-s struktúrákká állítja össze őket. A nyolcvanas évek közepén Frank publikálta a módszer ezen részét, és magára vállalta azt az óriási feladatot, hogy megalkotta a riboszóma felszínének modelljét, a fehérjék sejtben való összeállítását szolgáló óriási molekuláris gépet.

Joachim Frank által kifejlesztett módszer 3D-s struktúrák elemzésére: 1. Egy elektronsugár véletlenszerűen orientált fehérjékbe ütközik, aminek eredményeként azok lenyomata marad a képen. 2. A fuzzy információfeldolgozási módszereknek köszönhetően a számítógép a kapott, egymáshoz hasonló képeket csoportokba csoportosítja. 3. A kapott több ezer kép felhasználásával a számítógép nagy felbontású 2D képet készít. 4. A számítógép elemzi a 2D képek egymáshoz való viszonyát a térben, és nagy felbontású 3D képet készít.

Johan Jarnestad/A Svéd Királyi Tudományos Akadémia

Valamivel korábban, 1978-ban egy másik tudós, Jacques Dubochet elkezdte megoldani ennek az elektronmikroszkópos problémának a harmadik részét. Emlékszünk rá, hogy a biomolekulák nagyon szenvedtek, formátlan tömeggé alakultak, ha a víz elpárolog körülöttük, és az elektronmikroszkóp vákuumkamrájában szükségszerűen elpárolog. Az egyszerű fagyasztás nem hozott eredményt: a vízhez képest kitáguló jégkristályok felszakíthatják a vizsgált fehérjét, és tönkretehetik annak szerkezetét. Míg Hendersonnak szerencséje volt a bakteriorodopszinnal, más tudósok nem membrán fehérjékkel küszködtek, amelyek vízben oldódnak.

Duboche egy ultragyors, folyékony nitrogént használó fagyasztási módszert talált ki: a víz „üvegesedni” látszott, az elektronok áramlása pedig tökéletesen visszaverődött róla, és jó képet adott. Ez lehetővé tette a biológiai anyag tökéletes előkészítését a munkához, amit Dubochet az 1984-ben ezzel a módszerrel nyert vírusok számos szerkezetének publikálásával bizonyított.

Dubochet módszer: 1. Fémszitát helyezünk a mintára, és kiszitáljuk a felesleges anyagot. 2. A szitát körülbelül -196 °C hőmérsékletű etánba helyezzük, miáltal a minta vékony filmréteget képez a szita lyukain. 3. A víz üvegszerű anyaggá alakul és körülveszi a mintát, majd az elektronmikroszkópos megfigyelések során folyékony nitrogénnel lehűtik.

Johan Jarnestad/A Svéd Királyi Tudományos Akadémia

Ettől kezdve a kutatók Dubochethez kezdtek fordulni, hogy megismerjék módszerét. Frank is találkozott vele, hogy megszerezze a riboszóma felszíni struktúráit. Dubochet, Frank és Henderson módszereinek kombinációja képezte a krioelektronmikroszkópia alapját.

Valójában az „élő” riboszóma szerkezetének megszerzésének igénye „motiválta” a vágyat a módszer gyors elsajátítására: a riboszóma az egyik fő célpontja az antibiotikum hatásának, amelyhez a térbeli igazodás a A riboszómák üregei nagyon fontosak. És most a potenciális antimikrobiális gyógyszerek legtöbb riboszómával alkotott komplexét „megnézik” krioelektronmikroszkópos módszerekkel.

A módszer olyan fontossá vált, hogy világszerte számos nagy konferenciát rendeznek, amelyek kifejezetten az angol nyelvű irodalomban rövidített CryoEM-módszerrel foglalkoznak. 2017-ben az első ilyen konferenciát a Moszkvai Állami Egyetemen tartották.

A Nobel-bizottság döntését kifejezetten a helyszínre vonatkozóan kommentálta a fizikai és matematikai tudományok kandidátusa, a B.P.-ről elnevezett szentpétervári Nukleárisfizikai Intézet molekuláris és sugárbiofizikai tanszékének vezetője. Konstantinov Andrey Konevega, akinek kutatócsoportja gyakran alkalmaz CryoEM módszereket munkája során:

„A krio-elektron mikroszkópia forradalmasította a szerkezetbiológiát, mert lehetővé teszi a makromolekulák nagy felbontású képalkotását, immár a röntgenkrisztallográfiával megegyező felbontással, anélkül, hogy fehérjéket kellene kristályosítani. Vagyis a vizsgálat során minden biomolekula természetes állapotában van. Az elmúlt évtizedben ez a módszer minőségi ugrást ért el a kapott struktúrák minőségében és felbontásában. Ez a technológiai fejlődésnek köszönhető: új mikroszkópok, új kamerák, új feldolgozási módszerek. Ami fontos, az az, hogy a biológusok ma már elég erős számítástechnikai rendszerekkel rendelkeznek ahhoz, hogy a feldolgozás napokig tartson, nem hónapokig vagy évekig. Mi magunk Oroszországban rendelkezünk ilyen adatfeldolgozó központokkal a moszkvai "" Kutatóközpontban és a gatchinai "Kurchatov Institute"-PNPI Kutatóközpontban, ezért ezeket aktívan használjuk adataink feldolgozására."

A díjról:

117 év alatt 109 díjat osztottak ki kémiában (más tudományágakhoz hasonlóan, voltak olyan évek, amikor háború miatt nem adtak ki díjat, vagy amikor a Nobel-bizottság nem jutott megállapodásra). A legelső díjat 1901-ben Jacob Hendrik van't Hoff vehette át. A teljes időszak alatt 178 díjazott nevét hozták nyilvánosságra Stockholmban. Igaz, csak 177-en kapták meg a díjat: Frederick Sanger lett az egyetlen ember a történelemben, aki kétszer is megkapta a díjat.

A díjazottak átlagéletkora (a 2017-es díj nélkül) 58 év. A legfiatalabb Frédéric Joliot-Curie volt, aki 1935-ben, 35 évesen vehette át a díjat, a legidősebb John Fenn volt: a 2002-es Nobel-díjas 85 éves volt. A díjazás egyébként nem túl könnyű a nők számára: 117 év alatt mindössze négy díjazott volt, és ezek fele egy családból származik. Marie Curie 1911-ben, lánya Irene 1935-ben kapta meg a díjat. A másik fele ugyanarra a röntgenkrisztallográfiára vonatkozik, amellyel a krioelektronmikroszkópia versenyez. 1964-ben a díjat Dorothy Crowfoot Hodgkin kapta a biomolekulák röntgendiffrakciós elemzéséért, 2009-ben pedig Ada Yonath nyerte el, aki ezzel a technikával meghatározta a riboszóma szerkezetét.