Η Supercool Protein Imaging παίρνει το Νόμπελ
Το να βλέπεις είναι πίστη, αλλά για πλάσματα τόσο οπτικά προσανατολισμένα όσο οι άνθρωποι, το να βλέπεις είναι επίσης κατανόηση. Μεγάλο μέρος της προόδου του περασμένου αιώνα στη βιολογία προήλθε από τους επιστήμονες που μπόρεσαν να απεικονίσουν πώς μοιάζουν οι έλικες του DNA, τα κανάλια πρωτεΐνης και άλλα βιομόρια μέσα στο περιβάλλον του κυττάρου. Το φετινό Νόμπελ Χημείας τιμά τρεις επιστήμονες για το ρόλο τους στην ανάπτυξη κρυοηλεκτρονικής μικροσκοπίας, μια τεχνική που κυριολεκτικά παγώνει βιομόρια σε ζωντανά κύτταρα στη μέση της κίνησης και αναλύει τις εικόνες τους στο επίπεδο των ατόμων.
Ο Jacques Dubochet στο Πανεπιστήμιο της Λωζάνης στην Ελβετία, ο Joachim Frank στο Πανεπιστήμιο Columbia και ο Richard Henderson στο MRC Laboratory of Molecular Biology στο Cambridge θα μοιραστούν το βραβείο Νόμπελ για τη δουλειά που ακολούθησαν χωριστά εδώ και δεκαετίες για να βελτιώσουν την κατάσταση της βιολογικής απεικόνισης. Η κρυοηλεκτρονική μικροσκοπία, που συνήθως ονομάζεται κρυο-ΕΜ για συντομία, είναι το πνευματικό τέκνο των συνεισφορών τους και των συναδέλφων τους.
Οι πρωτεΐνες και άλλα βιομόρια είναι ουσιαστικά νανομηχανές και οποιαδήποτε λεπτομερής κατανόησή τους απαιτεί να γνωρίζουμε με ακρίβεια πώς αλλάζουν σχήμα, δεσμεύονται με άλλα μόρια και περνούν γύρω από ιόντα ενώ κάθονται σε κυτταρικές μεμβράνες ή επιπλέουν στο διάλυμα. Η πρόκληση να τους δεις έτσι ξεπερνά το να ξεπεράσεις τη μικροσκοπότητά τους. Τα χημικά σταθεροποιητικά και οι λεκέδες μπορούν να ακινητοποιήσουν βιομόρια για μικροσκόπηση, αλλά συνήθως αλλάζουν τη μορφή και τη διαμόρφωση των μορίων στη διαδικασία. Η συμβατική κατάψυξη δεν βοηθά:Οι κρύσταλλοι πάγου διαρρηγνύουν τις κυτταρικές μεμβράνες και σπρώχνουν τις πρωτεΐνες γύρω. τα βιομόρια αντιδρούν πιο γρήγορα από ότι το νερό παγώνει. και η εξάτμιση κρυστάλλων πάγου διαταράσσει την πιστότητα των εικόνων.
Στα μέσα του 20ου αιώνα, οι επιστήμονες άρχισαν να χρησιμοποιούν τυπική ηλεκτρονική μικροσκοπία, κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ και απεικόνιση πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού για τη μελέτη βιομορίων, και αυτές οι τεχνικές ξεπέρασαν ορισμένα από τα προβλήματα, ιδιαίτερα με την αποκάλυψη του επιθυμητού επιπέδου λεπτής δομής. Αλλά όλοι ανταλλάσσουν αυτές τις απαντήσεις με κάποιο επίπεδο ακριβών πληροφοριών σχετικά με το πώς φαίνονταν και συμπεριφέρονταν τα μόρια στα ζωντανά συστήματα.
Το 1975, ο Henderson και οι συνεργάτες του ώθησαν την ηλεκτρονική μικροσκοπία σε νέα ύψη στις μελέτες της βακτηριοροδοψίνης, μιας μωβ βακτηριακής φωτοσυνθετικής χρωστικής. Το κενό σε ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο συνήθως προκαλεί τον όλεθρο στο κυτταρικό υλικό στεγνώνοντάς το, αλλά σταθεροποίησαν τα δείγματα με διάλυμα γλυκόζης. Για να αποφευχθεί η καταστροφή του βιολογικού υλικού, φώτισαν δείγματα με πολύ πιο αδύναμη δέσμη ηλεκτρονίων από το συνηθισμένο. Επειδή οι βακτηριακές πρωτεΐνες συγκεντρώνονται σφιχτά στην κυτταρική μεμβράνη, η ομάδα του Henderson θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει κρυσταλλογραφικές τεχνικές ακτίνων Χ για να ερμηνεύσει τα μοτίβα περίθλασης της ασθενούς δέσμης ηλεκτρονίων.
Ως αποτέλεσμα, θα μπορούσαν να επιλύσουν τη δομή της βακτηριοροδοψίνης σε μόλις 0,7 νανόμετρα - το καλύτερο μέχρι σήμερα για μια πρωτεΐνη. Αλλά αυτή η επιτυχία χτίστηκε στα ιδιαίτερα ανεκτικά χαρακτηριστικά της βακτηριοροδοψίνης. Χρειαζόταν μια πιο γενικευμένη προσέγγιση.
Ο Frank παρείχε μέρος αυτού στη δεκαετία του 1980 επινοώντας μια μέθοδο για την επεξεργασία πολλαπλών σαρώσεων 2D ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σε τρισδιάστατες εικόνες υψηλής ανάλυσης. Χρησιμοποιώντας τους αλγόριθμους που ανέπτυξε, οι υπολογιστές μπορούσαν να αντιστοιχίσουν τα χαρακτηριστικά πολλαπλών πρωτεϊνικών μορίων τυχαία τοποθετημένων σε μια μεμβράνη και στη συνέχεια να συναγάγουν μια πιο ευκρινή δομή για ένα μέσο όρο ενός από τα μόρια πρωτεΐνης.
Εν τω μεταξύ, ο Dubochet βελτιωνόταν στην κατάψυξη ως τρόπος ακινητοποίησης των πρωτεϊνών. Συνειδητοποίησε ότι εάν τα βιολογικά δείγματα μπορούσαν να καταψυχθούν αρκετά γρήγορα, το νερό σε αυτά θα σχημάτιζε ένα ποτήρι και όχι έναν κρυσταλλικό πάγο, ο οποίος θα ήταν λιγότερο ανασταλτικός. Ανέπτυξε μια τεχνική που χρησιμοποίησε υγρό αιθάνιο και υγρό άζωτο στους -196 βαθμούς Κελσίου για να παγώσει δείγματα για ηλεκτρονική μικροσκοπία σχεδόν ακαριαία. Το έργο του Dubochet έκανε το cryo-EM πραγματικότητα.
Το 1991, ο Frank χρησιμοποίησε την τεχνική κρυονικής υαλοποίησης του Dubochet και το δικό του λογισμικό για να παράγει τρισδιάστατες εικόνες ριβοσωμάτων με ανάλυση 4 νανομέτρων. Ωστόσο, αυτή η αξιοσημείωτη, αλλά ακόμα θολή άποψη των πρωτεϊνών δεν ήταν αρκετή για να ικανοποιήσει τον Χέντερσον, ο οποίος ήταν αποφασισμένος να δει ηλεκτρονικό μικροσκόπιο για πρωτεΐνες που διαχωρίζουν μεμονωμένα άτομα. Συνέχισε να πιέζει για τη βελτίωση της τεχνολογίας μικροσκοπικής απεικόνισης. Το 2013, επιτέλους πέτυχε έναν νέο, πιο ευαίσθητο ανιχνευτή που ανταποκρίνεται άμεσα σε μεμονωμένα ηλεκτρόνια.
Λόγω της μεταμορφωτικής ευκολίας, της απλότητας και της ευελιξίας του κρυο-ΕΜ, έχει γίνει εξαιρετικά χρήσιμο σε βιολογικούς ερευνητές σε διάφορους τομείς. Ουσιαστικά κάθε εργαστήριο στον κόσμο μπορεί τώρα να εκτελέσει έναν τύπο μοριακής δομικής ανάλυσης που κάποτε ήταν απαγορευτικά δύσκολη αν όχι αδύνατη, σύμφωνα με τον Martin Beck, ανώτερο επιστήμονα στη μονάδα κυτταρικής βιολογίας και βιοφυσικής του Ινστιτούτου Βιοχημείας Max Planck (EMBL Heidelberg). . «Και αυτό έχει τεράστιο αντίκτυπο για τους ανθρώπους που θέλουν να κάνουν εξετάσεις φαρμάκων, για εκείνους που θέλουν να κατανοήσουν πώς λειτουργούν τα μόρια στις ασθένειες, για εκείνους που θέλουν να κατανοήσουν τον HIV και τον καρκίνο», είπε.
