Denník N

Nobelovku za chémiu si odniesol vývoj mikroskopickej metódy na pozorovanie biomolekúl

Jacques Dubochet, Joachim Frank a Richard Henderson dostali Nobelovu cenu za chémiu za vývoj kryoelektrónovej mikroskopie, ktorá umožňuje pozorovanie biomolekúl. Foto – Nobelprize.org
Jacques Dubochet, Joachim Frank a Richard Henderson dostali Nobelovu cenu za chémiu za vývoj kryoelektrónovej mikroskopie, ktorá umožňuje pozorovanie biomolekúl. Foto – Nobelprize.org

Kryoelektrónová mikroskopia umožňuje určiť štruktúru zložitých biomolekúl v roztoku, čiže v ich prirodzenom stave. Metóda poskytuje dôležité informácie pre výskum liečiv.

Nobelov výbor v stredu ocenil troch vedcov za vývoj metódy, ktorá umožnila trojdimenzionálne pozorovanie biomolekúl v perfektnom rozlíšení.

Ide o takzvanú kryoelektrónovú mikroskopiu, ktorá rýchlym zmrazením vzorky dokáže odhaliť presné usporiadanie atómov v priestore aj pri takých molekulách, ktoré sa nedajú pozorovať inak.

Ocenený bol Švajčiar Jacques Dubochet, Nemec Joachim Frank a Škót Richard Henderson.

Určovanie štruktúry malých molekúl je jednoduché. Stačí niekoľko miligramov látky a za doslova zopár minút vedia chemici určiť štruktúru, čistotu a často aj stabilitu vzorky. Biomolekuly na druhej strane predstavujú pre vedcov veľkú výzvu.

Funkcie bielkovín, enzýmov alebo nukleových kyselín môžu byť známe desiatky rokov, no na rozlúštenie ich štruktúry, teda 3D usporiadania atómov v priestore, sa zvykne čakať aj roky. Dôvodom je ich veľkosť, komplexnosť a častá nestabilita. Existujú metódy, ktoré sa použiť dajú, no tie sú často limitované, a preto nevhodné pre veľa druhov molekúl.

Napríklad taká nukleárna magnetická rezonancia (NMR) je vhodná iba pre pomerne malé bielkoviny. Röntgenová štruktúrna analýza zase potrebuje vzorku vo forme dokonalého, dostatočne veľkého a nepoškodeného kryštálu.

Ak vedci chceli zistiť, ako vyzerá zložitá a veľká bielkovina, ktorá navyše nevytvárala kryštály, mali smolu.

Významný pokrok

Znalosť štruktúry biomolekúl je kľúčová pre biochémiu, farmáciu a medicínu. Veľa chorôb, ako napríklad Alzheimerova choroba, niektoré druhy rakoviny či kardiovaskulárnych ochorení vznikajú v ľudskom tele nesprávnou funkciou bielkovín.

Navyše, baktérie pomocou svojich bielkovinových komplexov získavajú rezistenciu voči antibiotikám. Ak vedci odhalia presnú štruktúru týchto bielkovín, získajú informácie o tom, ako ich činnosť zastaviť – pomocou prípravy liečiv, ktoré presne zapadnú do ich štruktúry.

Vývoj kryoelektrónovej mikroskopie predstavuje významný pokrok, ktorý otvára dvere nielen novým liečivám, ale aj skúmaniu každého zákutia bunky. 

Ako to však vlastne funguje? Metóda je založená na elektrónovom mikroskope, ktorý funguje podobne ako bežný svetelný mikroskop. Namiesto svetla sa však vzorka bombarduje prúdom elektrónov. Pre svoju malú vlnovú dĺžku dokážu elektróny odhaliť aj veľmi malé štruktúry, či rozmiestnenie atómov v priestore.

Obyčajný elektrónový mikroskop však na meranie citlivých biomolekúl nestačí, silný prúd elektrónov by vzorku spálil, nutnosť vákua by zničila ich štruktúru.

Chlad, sklená voda a výpočty

Princíp kryoelektrónovej mikroskopie. Lúč elektrónov prechádza cez vzorku pokrytú vrstvou skleného ľadu. Výsledkom je 2D alebo 3D obraz skúmanej vzorky. Foto – UCLA

S riešením prišiel Richard Henderson, ktorý sa najprv pokúsil pri meraní bielkoviny bakteriorodopsín priamo v bunkovej membráne využiť menej intenzívny lúč elektrónov. Ako prvému sa mu podarilo dosiahnuť atómové rozlíšenie.

K vylepšeniam sa neskôr pridalo využitie kryotechnológií – rýchleho zmrazenia vzorky v roztoku, ktoré ju navyše ochránilo pred vákuom. Prítomné kryštáliky vody však predstavovali veľký problém – rozptyľovali lúče elektrónov natoľko, že získané dáta boli často nepoužiteľné.

Techniku významne posunul ďalej objav Dubocheta, ktorému sa podarilo pripraviť „sklenú vodu“. Ide o vodu, ktorá namiesto vytvorenia ľadových kryštálikov stuhla vo svojom tekutom usporiadaní.

Tento objav bol pre rozvoj kryoelektrónovej mikroskopie kľúčový, pretože takáto ochranná vrstva tuhej vody by elektróny rozptyľovala rovnomerne a jej vplyv sa dá z nameraných dát jednoducho odobrať. Na vytvorenie sklenej vody sa používa tekutý etán.

Joachim Frank, posledný z trojice nobelistov, techniku vylepšil o možnosť zobrazenia v 3D. Pomocou počítačového programu dokázal rozlíšiť, či namerané údaje pochádzajú od meranej molekuly, alebo ide iba o šum pozadia.

Navyše, jednotlivé dvojdimenzionálne údaje získané meraniami vedel program roztriediť podľa podobnosti a pospájal ich do ostrejších obrázkov. Výsledkom bolo niekoľko ostrých záberov molekuly z rôznych uhlov pohľadu, ktorých poskladaním vznikol 3D obraz molekuly.

Poznávanie bez hraníc

Výskum Dubocheta, Franka a Hendersona priniesol revolučnú metódu, ktorá významne uľahčuje štúdium bielkovín a iných biomolekúl. Kryoelektrónová mikroskopia nepotrebuje veľké množstvo skúmanej vzorky a je pomerne rýchla.

Navyše, pozorovanie bielkovín v roztoku prináša dôležité informácie o ich funkčnosti a interakciách. V bunkách sa totiž molekuly tiež nachádzajú rozpustené vo vode – v tejto dynamickej forme sú aj aktívne.

Kryoeletrónová mikroskopia umožňuje pozorovanie biomolekúl v roztoku, čiže v ich prirodzenom prostredí. Vďaka tomu sa dozvedáme viac o ich skutočnom tvare a funkciách v bunkách (v kryštáloch sú molekuly nehybné a môžu mať dokonca aj iný tvar), ale aj o tom, ako menia svoju štruktúru v kontakte s inými molekulami.

Príklady proteínov, ktorých štruktúra bola rozlúštená pomocou kryo-EM: proteínový komplex cirkadiánneho rytmu, tlakový senzor v ľudskom uchu, vírus Zika. Foto – Nobelprize.org

Do dneška bolo touto metódou zobrazené nespočetné množstvo bielkovín a komplexov, vrátane proteínového komplexu zakomponovaného do cirkadiánneho rytmu (tohtoročná Nobelova cena za fyziológiu alebo medicínu), vírusu Zika, či senzora tlaku, vďaka ktorému počujeme.

Pri víruse Zika môžeme spomenúť aj skutočnosť, že metóda kryoelektrónovej mikroskopie pomohla odhaliť štruktúru tohto vírusu, čo dalo základ pre vývoj liečiv.

Nobelova cena sa udeľuje od roku 1901. Do minulého roku sa ich udelilo 579, ceny boli prerozdelené medzi 911 laureátov. Udeľujú sa v kategóriách: medicína alebo fyziológia, fyzika, chémia, ekonómia, literatúra a mier. Laureát Nobelovej ceny dostane medailu, diplom a nárok na finančnú odmenu vo výške 8 miliónov švédskych korún (cca 855-tisíc eur). Cena sa dá rozdeliť maximálne medzi troch laureátov.

Nobelova cena udelená výskumu vyvinutému v IBM. Foto – Martina Ribar Hestericová

Po včerajšom udelení ceny za fyziku dnes pokračujeme cenou za chémiu. Odniesli si ju Jacques Dubochet, Joachim Frank a Richard Henderson za vývoj kryoelektrónovej mikroskopie.

Do dnešného dňa bolo odovzdaných spolu 109 Nobelových cien za chémiu, ktoré boli prerozdelené medzi 178 laureátov. 63-krát cenu dostal iba jeden vedec.

Ocenené boli zatiaľ štyri ženy – Marie Curie (1911), Irène Joliotová-Curie (1935), Dorothy Crowfootová Hodgkinová (1964) a Ada Yonathová (2009).

Priemerný vek laureáta ceny za chémiu je 58 rokov. Najmladší ocenený bol Frédéric Joliot (vek 35); najstarší John B. Fenn (vek 85). Frederick Sanger dostal za svoj život až dve ceny: v roku 1958 za objasnenie štruktúry bielkovín, najmä inzulínu, a v roku 1980 za štúdium nukleových kyselín.

Najčastejšie odvetvie chémie laureátov ceny za chémiu je biochémia (až 50 cien). Výnimkou nebol ani tento rok, metóda kryo-EM umožňuje biochemikom určiť štruktúru biomolekúl, ktoré nie je možné pozorovať žiadnymi inými metódami.

Minulý rok ocenili výskum vývoja molekulových strojov. Ide o zariadenia veľkosti rádovo nanometrov, ktoré dokážu premieňať chemickú energiu na pohyb a mechanickú silu. Tieto zariadenia vedci použili na zostrojenie umelých svalov, prepínačov či miniatúrnych molekulových motorov. Ocenená bola trojica vedcov: Ben Feringa, Fraser Stoddart a Jean-Pierre Sauvage.

Nobelove ceny

Teraz najčítanejšie