Нобель сверхбыстрой заморозки

Нобелевскую премию по химии 2017 года присудили за разработку криоэлектронной микроскопии — метода изучения материи с помощью сверхбыстрого замораживания. Награду в 9 млн шведских крон разделят швейцарец Жак Дюбоше, американец Йоахим Франк и британец Ричард Хендерсон. Их разработка позволяет определять структуру белковых комплексов, сложных рецепторов и других соединений, которые невозможно изучать методом кристаллографии и спектроскопии, говорят эксперты.

Швейцарец Жак Дюбоше, американец Йоахим Франк и британец Ричард Хендерсон получат Нобелевскую премию по химии за разработку технологии криоэлектронного микроскопа для определения структуры высокомолекулярных биомолекул в растворе. Подобный микроскоп, говорится в коммюнике Нобелевского комитета, позволяет рассмотреть объекты после их быстрой заморозки, благодаря которой сохраняется естественная форма атомов в молекуле.

Ранее через электронные микроскопы изучали только неорганические соединения и неживую материю, так как мощные электронные лучи этого устройства разрушают биологический материал. В 1990 году Ричарду Хендерсону удалось применить микроскоп для создания 3D-изображения белка на атомном уровне. Йоахим Франк разработал эту технологию более тщательно: с 1975 по 1986 год он работал над тем, чтобы сделать изображение атомов более четким. Наконец, Жак Дюбоше смог найти применение воде в электронной микроскопии. Он использовал технологию «остекления»: быстро охлаждал воду вокруг биологического образца, позволяя молекулам сохранять свою естественную форму. Открытый нынешними лауреатами метод позволяет определять структуру белковых соединений.

Для этого раствор быстро замораживают тонким слоем, после чего делают тысячи фотографий соединения в разных ракурсах, а затем «склеивают» их в единую 3D-модель.

«Этот метод сейчас находится на острие науки»,— заявил заведующий лабораторией электронной микроскопии Курчатовского института Александр Васильев. Научный сотрудник Института биоорганической химии РАН Алексей Пахомов пояснил, что благодаря открытому нобелевскими лауреатами методу ученые могут работать с белковыми комплексами, сложными рецепторами, мультибелковыми соединениями и другими материалами, которые невозможно изучать методом кристаллографии и спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). «Это очень мощный метод, который позволяет получить структуру отдельных молекул с очень высоким разрешением, причем в их естественном состоянии, а не в кристалле,— пояснил телеканалу "Россия 24" господин Пахомов.— За ЯМР премию уже дали, криомикроскопия отмечена совершенно справедливо».

Заведующий отделом электронной микроскопии НИИ физико-химической биологии МГУ Игорь Киреев также говорит, что с помощью данного метода можно исследовать биологические структуры «в состоянии, близком к прижизненному». Технология сверхбыстрого замораживания, по его словам, оставляет образцы «в водной среде, как будто бы они внутри клетки». «В то же время они становятся твердыми, что позволяет, если речь идет о тканях или клетках, изготовить срезы для электронного микроскопа»,— пояснил господин Киреев. По словам ученого, подобная технология позволяет изучать образцы в высоком разрешении вплоть до отдельных атомов в молекулах. «Можно поймать какие-то реакции, которые происходят с белками»,— добавил господин Васильев. Игорь Киреев считает, что в России есть лишь несколько подобных новейших микроскопов, например в Курчатовском институте, так как это оборудование «весьма дорогостоящее».

Старший научный сотрудник Института биоорганической химии РАН Константин Минеев отметил, что в области науки, которая занимается белками, «это абсолютно заслуженная награда». «Белки — это то, что выполняет основную работу у нас в организме, они работают, как маленькие машины,— говорит ученый.— Если мы понимаем, как они работают, знаем их структуру, мы можем их менять, останавливать, и, соответственно, искать лекарства, моделируя и анализируя данные. Тогда мы можем подобрать лекарство не случайным образом и методом "тыка". Этот подход называется рациональным дизайном лекарств».

«Это как будто бы обычный электронный микроскоп, но с очень высоким разрешением и дополненный алгоритмами компьютерной обработки изображений: изображения больших молекулярных комплексов накапливаются в количестве нескольких сотен тысяч с разных ракурсов, что позволяет сделать 3D-реконструкцию такого высокого качества, что удается вписать туда даже отдельные атомы,— пояснил “Ъ”, как ученые используют криоэлектронную микроскопию, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института биоорганической химии РАН Антон Чугунов.— Сам метод не дает такого высокого разрешения, но его применение совместно с компьютерными алгоритмами это позволяет». Он отметил, что около пяти лет назад этот метод не пользовался популярностью, так как получаемое разрешение было достаточно низким, а данные было трудно использовать в работе: они не подходили для компьютерного моделирования и драг-дизайна (создания лекарств): «Но в последние пять лет произошел очень большой рывок, разрешение было улучшено».

До криоэлектронной микроскопии основным лидером для структурных исследования в биологии был рентгеноструктурный анализ, еще одним методом исследования веществ на молекулярном уровне является ядерно-магнитно резонанс. «Но у каждого из них есть свои минусы,— объясняет ученый.— ЯМР не берет большие комплексы молекул, рентгеновская кристаллография требует кристаллизации молекул, а чем молекула больше, тем это сложнее.

И вот тут вот пришла криомикроскопия, которая как раз очень хорошо работает на больших комплексах — это несколько, 5-10, больших белков, они сложно соединены, у них сложная пространственная форма, что являлось ограничивающим фактором для всех остальных методов».

При этом господин Чугунов отметил, что криоэлектронную микроскопию сложно использовать для малых комплексов молекул: «Поэтому теперь эти методы работают вместе, и это очень удачно». Эксперт отметил, что криоэлектронная микроскопия широко используется в мире, однако в России «это пока не особо распространенный метод».

Один из лауреатов, Йоахим Франк, заявил, что потрясен присуждением награды. При этом он отметил, что метод криоэлектронной микроскопии найдет практическое применение лишь со временем. «Всегда требуется время на то, чтобы увидеть прямые практические возможности»,— сказал господин Франк.

Кто и за что получил Нобелевскую премию по химии год назад

Премия по химии присуждалась сегодня в 109-й раз. В нынешнем году Нобелевский фонд впервые с 2001 года увеличил размер выплат лауреатам премии с 8 млн до 9 млн шведских крон ($1,12 млн). Напомним, в 2016 году награду по химии присудили Жан-Пьеру Саважу, Фрезеру Стоддарту и Бернарду Феринге за разработку «молекулярных машин» — микроскопических устройств, занимающихся перемещениями молекул или их комплексов. Эти устройства планируется использовать в различных сенсорах в медицине.

5 октября объявят нобелевских лауреатов по литературе, 6 октября будет присуждена Нобелевская премия мира. 9 октября назовут лауреата премии Шведского национального банка по экономическим наукам памяти Альфреда Нобеля (неофициально называемой «Нобелевской премией по экономике»).

Александр Воронов, Валерия Мишина