Premiul Nobel pentru Chimie, 2017: Molecule ale vieții, capturate în 3D
Utilizarea crio-microscopiei electronice, dezvoltată separat de laureați, permite biomoleculelor să fie înghețate în mijlocul mișcării și să fie portretizate la rezoluție atomică. Această tehnologie, a spus Comitetul Nobel, „a mutat biochimia într-o nouă eră”.
Richard Henderson (L), Joachim Frank (C), Jacques Dubochet (R). Premiul Nobel pentru Chimie 2017 a fost acordat miercuri lui Jacques Dubochet, Joachim Frank și Richard Henderson pentru dezvoltarea microscopiei crio-electronice pentru determinarea structurii de înaltă rezoluție a biomoleculelor în soluție.
Microscopul electronic a fost proiectat la începutul anilor 1930 de către fizicianul german Ernst Ruska, pentru care a fost distins cu Premiul Nobel pentru Fizică în 1986 (împreună cu Gerd Binnig și Heinrich Rohrer, care au împărțit cealaltă jumătate a Premiului). Cu patru ani mai devreme, Nobelul pentru Chimie din 1982 i-a revenit lui Aaron Klug pentru dezvoltarea microscopiei electronice cristalografice și pentru elucidarea structurală a complexelor acid nucleic-proteine importante din punct de vedere biologic.
deadmau net value
În cea mai mare parte a primei jumătate a secolului al XX-lea, determinarea structurii biomoleculelor - proteine, ADN și ARN - a apărut ca o provocare semnificativă în domeniul biochimiei. Cunoștințele oamenilor de știință au evoluat constant în ultimele șase decenii – începând cu studiile cristalografice de pionierat ale structurilor proteinelor globulare care i-au adus pe Max F Perutz și John C Kendrew la Nobelul pentru Chimie în 1962, până la stăpânirea microscopia crio-electronică (cryo-EM) pentru căruia i-a fost acordat Premiul 2017.
În anii 50, cristalografia cu raze X (expunerea cristalelor de proteine la raze X) a fost folosită pentru a dezvolta modele de biomolecule pentru cercetare și dezvoltare; în anii '80, spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară (RMN) a fost folosită și în acest scop. Utilizarea ambelor tehnici a fost, totuși, supusă limitărilor impuse de natura biomoleculelor. Cristalografia cu raze X a necesitat cristale bine organizate - biomoleculele nu sunt de obicei organizate ca cristale. Și RMN a funcționat doar pentru un set relativ mic de proteine.
Câștigătorii Premiului din 2017 au folosit trei abordări diferite care au depășit împreună aceste provocări, ducând, după cum a spus Comitetul Nobel, biochimia într-o nouă eră, făcând mai ușor ca niciodată capturarea de imagini ale biomoleculelor.
Cristalografie cu raze X la microscop electronic
Richard Henderson a abandonat cristalografia cu raze X și a recurs la imagini de proteine folosind microscopia electronică de transmisie - în care, în loc de lumină, un fascicul subțire de electroni este trimis prin specimen. Cu toate acestea, în timp ce microscopul electronic este bun pentru a obține structura atomică, de exemplu, a unei proteine membranare, fasciculul de electroni intens necesar pentru imagini de înaltă rezoluție incinerează materialul biologic. Iar o reducere a intensității fasciculului înseamnă o pierdere substanțială în contrast, iar imaginea devine neclară.
În plus, cerința de vid pentru microscopia electronică a însemnat deteriorarea biomoleculelor odată cu evaporarea apei din jur.
Henderson a lucrat cu bacteriorhodopsin, o proteină de culoare violet încorporată în membrana unui organism de fotosinteză. Pentru a nu fi incinerat, a lăsat proteina sensibilă în membrană și a aruncat un fascicul de electroni mai slab prin eșantion. Imaginile au fost făcute din multe unghiuri diferite ale aceleiași membrane la microscopul electronic pentru a produce un model 3D brut al structurii bacteriorhodopsinei.
Asta a fost în 1975. Pe măsură ce microscopia electronică a evoluat cu lentile mai bune și dezvoltarea criotehnologiei (în care probele erau răcite cu azot lichid la aproximativ – 190 de grade Celsius pentru a le proteja de fasciculul de electroni), tehnica sa a reușit să producă, în 1990. , o structură de bacteriorhodopsină la rezoluție atomică.
Prelucrarea matematică a imaginilor de imagini 2D cu microscop electronic
Tot în 1975, Joachim Frank a pregătit o strategie teoretică pentru a îmbina orice informație transportată în imaginile bidimensionale de la un microscop electronic, pentru a genera un întreg tridimensional de înaltă rezoluție. Metoda sa matematică a cercetat imaginile 2D pentru a identifica modele recurente și a le sorta în grupuri pentru a le îmbina informațiile, producând imagini mai clare. Acest model a ajutat la evitarea imaginilor mai puțin clare produse din cauza fasciculelor de electroni mai slabe utilizate pentru biomolecule. Instrumentele matematice pentru analiza imaginilor au fost compilate ca un program de calculator.
Pregătirea probei
Provocarea de bază de a se asigura că probele de biomolecule nu au fost deshidratate și nu s-au prăbușit în vidul imaginii crio-EM sub fasciculul de electroni, a fost rezolvată de Jacques Dubochet.
Soluția naturală a problemei a fost înghețarea probelor. Deoarece gheața se evaporă mai lent decât apa, ar fi trebuit să funcționeze. Cu toate acestea, apa cristalină a fuzut imaginile pe măsură ce fasciculele de electroni au fost difractate prin cristale de apă.
Dubochet a rezolvat problema printr-o răcire rapidă care nu a permis moleculelor de apă să se aranjeze în formă cristalină; ei s-au transformat în schimb în apă vitrificată care avea să acționeze ca sticlă pentru fasciculul de electroni. Cercetările sale au dezvoltat o tehnică de pregătire a probelor în care biomoleculele sunt protejate sub apă vitrificată. Tehnica este utilizată în crio-EM.
Ultima utilizare
Cele mai recente evoluții tehnice, cum ar fi introducerea de noi detectoare de electroni — Detectoare de electroni direcți — în microscoapele electronice au contribuit la îmbunătățirea în continuare a rezoluției imaginilor capturate sub crio-EM cu fascicul mic pentru biomolecule. Introducerea detectorilor de electroni direcți în microscoapele electronice în 2012-2013 s-a dovedit a fi un instrument puternic pentru oamenii de știință, deoarece s-au confruntat cu provocarea Zika virus care s-a răspândit rapid în diferite țări în 2015-16.
JACQUES DUBOCHET
S-a născut în 1942 la Aigle, Elveția. Și-a terminat doctoratul în 1973 la Universitatea din Geneva și Universitatea din Basel, Elveția. Este profesor onorific de biofizică, Universitatea din Lausanne, Elveția.
JOACHIM FRANK
S-a născut în 1940 la Siegen, Germania. Și-a terminat doctoratul în 1970 la Universitatea Tehnică din München, Germania. Este profesor de biochimie și biofizică moleculară și de științe biologice, Universitatea Columbia, SUA.
RICHARD HENDERSON
S-a născut în 1945 la Edinburgh, Scoția. Și-a terminat doctoratul în 1969 la Universitatea Cambridge, Marea Britanie. El este lider de program, Laboratorul MRC de Biologie Moleculară, Universitatea Cambridge.
CÂȘTIGĂTORI 2016: JEAN-PIERRE SAUVAGE, SIR J FRASER STODDART și BERNARD L FERINGA pentru dezvoltarea de nano-mașini, realizate din molecule în mișcare, care pot fi folosite în cele din urmă pentru a crea noi materiale, senzori și sisteme de stocare a energiei.
cât 360 malibu
Imparte Cu Prietenii Tai:
