Цього року Нобелівська премія з хімії це приклад… не відкриття. 40 років багато вчених із різних країн світу під керівництвом трьох лідерів працювали у трьох різних царинах науки і випрацювали з багатьох маленьких шматочків знань один сучасний метод спостереження за структурами біомолекул – кріоелектронну мікроскопію. І саме за становлення цього методу цьогоріч нагородили трьох вчених: швейцарського біохіміка з Лозаннського університету Жака Дюбоше, американського біофізика із Колумбійського університету Йоахіма Франка та шотландського біофізика й молекулярного біолога з МІЦ Лабораторії молекулярної біології у Кембриджі Річарда Гендерсона. Але без багаторічної спільнодії науковців цей метод не зміг би постати.

Що ж це за метод і кому з науковців він потрібен найбільше? Ми знаємо, що біологи, зокрема, вивчають будову живих організмів, але що уможливлює це спостереження за найменшими молекулами? Саме кріоелектронна мікроскопія допомагає сфотографувати положення конкретного атома у тривимірному просторі в нативній, природній структурі.

3D structures. Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Короткий історичний огляд

Який шлях наука пройшла до виникнення цього методу? Спочатку використовувалася оптичні мікроскопи із досить низькою роздільною здатністю просто в силу законів фізики, які вже точно не можна було обійти. Таким мікроскопом ще можна було розгледіти хромосому ДНК, але білок – уже ні. Крім того, вчені не мали змоги подивитися, як молекула «поводиться» у клітині, оскільки для того, щоб просто її побачити, потрібно було підготувати спеціальне середовище.

Тож науковці стали використовувати метод рентгеноструктурного аналізу, що давав набагато вищу точність зображення. Саме за допомогою цього методу розшифрували структуру ДНК. Але в чому проблематичність цього методу? Для його застосування потрібно молекулу, за якою спостерігатимуть, перетворити на кристал, а це, як запевняють науковці – надзвичайно складно. До того ж під час кристалізації форма молекули змінюється, стискається, і відповідно, це уже не та конфігурація, в якій вона існує в клітині. А комплексні структури узагалі неможливо заморозити.

Біологам це не підходило, адже вони хотіли спостерігати за процесами «наживо». Таким чином науковці перейшли до електронної мікроскопії. Фактично, це та сама стара-добра оптична мікроскопія, тільки набагато потужніша: замість променя сонця тут направлений пучок світла, замість лінз – катоди й аноди, які фокусують і розфокусовують цей пучок світла. Що ж не так із цим методом? Об’єкт дослідження повинен перебувати у вакуумі, а це – нестабільне середовище. А в саму молекулу б’є масивний потік електронів, що може руйнувати її структуру.

Frank's image analysis. Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Довгий шлях до Нобелівської премії

То як саме троє нагороджених науковців поліпшили метод спостереження за молекулами у їхньому природньому середовищі? Річард Гендерсон додав до електронної мікроскопії приставку «кріо». І зробив він це вперше… 1975 року. Він зміг добитися зниження потужності електронного пучка, тобто структура молекули перестала руйнуватися. А найголовніше – він став заморожувати зразки. Жак Дюбоше 1982 року став застосовувати вітрифікацію (перехід рідини при зниженні температур у склоподібний стан) води у кріоелектронній мікроскопії. Це було важливо, оскільки так при заморожуванні кристали води не руйнували зв’язки у зразках. Але справжній прорив у цьому методі стався після 2013-го, і пов'язаний він зі збільшенням комп’ютерної потужності, покращенням алгоритмів обробки даних. Коли зразок потрапляє в поле видимості мікроскопа, у ньому – десятки тисяч молекул. Тому Йоахім Франк розробив спеціальне програмне забезпечення, яке з суцільної картинки мікроскопа «вирізало» кожну молекулу і створювало тривимірну карту структури. 

Dubochet's preparation method. Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Нові ліки та можливість вічного життя

Чому це важливо? Метод кріоелектронної мікроскопії сприяє розвитку молекулярного докінгу — це метод молекулярного моделювання, який дозволяє передбачити найбільш вигідну для утворення стійкого комплексу орієнтацію і положення однієї молекули по відношенню до іншої. Простіше кажучи, це розширення можливостей пошуку нових лікарських засобів. Наприклад, можна взяти певний білок, на якому зав’язана певна хвороба, скажімо рак, і дослідити його за допомогою кріоелектронної мікроскопії в його нативній структурі, знайти його активний центр на атомарному рівні і почати підбирати молекули, які по формі ідентичні. Коли знаходиться молекула, яка за формою та хімічною структурою компліментарна, як ключ до замка, цьому активному центру, ці молекули можуть пригнічувати або активувати білок, залежно від їх структур. Так можна набагато швидше підібрати «молекулярних кандидатів» для лікування тієї чи іншої хвороби.

Сьогодні у світі є багато компаній, які пропонують заморозити тіло, щоб потім, коли наука достатньо розвинеться, розморозити людину і жити вічно. Але насправді науковці не вірять, що можна буде вдало розморозити таких людей, тому що вода при замерзанні розширюється, а це руйнує усі клітинні структури. Правда, після 1982-го з’явилася слабка надія на уможливлення «заморозки» без негативних наслідків. Якщо дуже швидко заморозити воду, то вона пропустить кристалічну форму і стане твердою, але аморфною. На сьогодні вчені вважають, що 99,9% води у космосі – саме в такому стані. І можливо, ще через кількадесят років лауреатами Нобелівської премії з хімії стануть вчені, що винайдуть «довговічну кріокапсулу».

А взагалі це просто красиво – бачити процеси і взаємодії в живому організмі на молекулярному рівні і так збагачувати свої знання про природу людини.

Стаття підготовлена за матеріалами лекції Олександра Савсуненка, кандидата хімічних наук, засновника сервісу генетичних тестів Titanovo DNA, на науково-популярній конференції Nobilitet.

Ілюстрації з сайту www.nobelprize.org