Nobelpriset i kemi, 2017: Livets molekyler, fångad i 3D
Användningen av kryo-elektronmikroskopi, utvecklad separat av pristagarna, gör att biomolekyler kan frysas mitt i rörelsen och avbildas i atomär upplösning. Denna teknik, sa Nobelkommittén, 'har flyttat biokemin till en ny era'.
Richard Henderson (L), Joachim Frank (C), Jacques Dubochet (H). 2017 års Nobelpris i kemi tilldelades i onsdags Jacques Dubochet, Joachim Frank och Richard Henderson för utveckling av kryoelektronmikroskopi för högupplöst strukturbestämning av biomolekyler i lösning.
Elektronmikroskopet designades i början av 1930-talet av den tyske fysikern Ernst Ruska, för vilket han tilldelades Nobelpriset i fysik 1986 (tillsammans med Gerd Binnig och Heinrich Rohrer som delade den andra halvan av priset). Fyra år tidigare hade 1982 Chemistry Nobel gått till Aaron Klug för hans utveckling av kristallografisk elektronmikroskopi och hans strukturella förklaring av biologiskt viktiga nukleinsyra-proteinkomplex.
dödligaste fångkaptenernas nettovärde
Under stora delar av första hälften av 1900-talet hade bestämningen av strukturen hos biomolekyler - proteiner, DNA och RNA - framstått som en betydande utmaning inom biokemin. Forskarnas kunskap utvecklades stadigt under de senaste sex decennierna - med början med banbrytande kristallografiska studier av strukturerna hos klotformade proteiner som hämtade Max F Perutz och John C Kendrew the Chemistry Nobel 1962, till att bemästra kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM) för som 2017 års pris har delats ut.
På 50-talet användes röntgenkristallografi (exponera proteinkristaller för röntgenstrålar) för att utveckla modeller av biomolekyler för forskning och utveckling; på 80-talet användes även kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi för detta ändamål. Användningen av båda teknikerna var emellertid föremål för begränsningar på grund av biomolekylernas natur. Röntgenkristallografi krävde välorganiserade kristaller - biomolekyler är vanligtvis aldrig organiserade som kristaller. Och NMR fungerade bara för en relativt liten uppsättning proteiner.
Vinnarna av 2017 års pris använde sig av tre olika tillvägagångssätt som tillsammans övervann dessa utmaningar och tog, som Nobelkommittén sa, biokemin in i en ny era, vilket gjorde det enklare än någonsin tidigare att ta bilder av biomolekyler.
Röntgenkristallografi till elektronmikroskop
Richard Henderson övergav röntgenkristallografi och tog till avbildning av proteiner med hjälp av transmissionselektronmikroskopi - där istället för ljus skickas en tunn elektronstråle genom provet. Även om elektronmikroskopet är bra för att erhålla atomstrukturen av, säg, ett membranprotein, förbränner den intensiva elektronstrålen som krävs för högupplösta bilder biologiskt material. Och en minskning av strålens intensitet innebär en avsevärd kontrastförlust, och bilden blir suddig.
Dessutom innebar kravet på vakuum för elektronmikroskopi försämring av biomolekyler med avdunstning av omgivande vatten.
Henderson arbetade med bacteriorhodopsin, ett lila-färgat protein inbäddat i en fotosyntesorganisms membran. För att förhindra att det förbränns lämnade han det känsliga proteinet i membranet och sprängde en svagare elektronstråle genom provet. Bilder togs från många olika vinklar av samma membran under elektronmikroskopet för att producera en grov 3D-modell av bakterierhodopsins struktur.
Detta var 1975. Allteftersom elektronmikroskopi utvecklades med bättre linser och utvecklingen av kryoteknik (där prover kyldes med flytande kväve till cirka – 190 grader Celsius för att skydda dem från elektronstrålen) lyckades hans teknik producera, 1990 , en bakteriohodopsinstruktur vid atomupplösning.
Matematisk bildbehandling av 2D-elektronmikroskopiska bilder
Också 1975 förberedde Joachim Frank en teoretisk strategi för att slå samman all information som bärs i de tvådimensionella bilderna från ett elektronmikroskop, för att skapa en högupplöst tredimensionell helhet. Hans matematiska metod sållade igenom 2D-bilder för att identifiera återkommande mönster och sorterade dem i grupper för att sammanfoga deras information och producera skarpare bilder. Denna modell hjälpte till att kringgå de mindre än skarpa bilder som producerades på grund av de svagare elektronstrålarna som används för biomolekyler. De matematiska verktygen för bildanalys sammanställdes som en datorprogramkostym.
Förbereder provet
Kärnutmaningen att säkerställa att biomolekylproverna inte var uttorkade och inte kollapsade i vakuumet av kryo-EM-avbildning under elektronstrålen, löstes av Jacques Dubochet.
Den naturliga lösningen på problemet var att frysa proverna. Eftersom is avdunstar långsammare än vatten borde det ha fungerat. Kristallint vatten förvirrade emellertid bilderna när elektronstrålarna diffrakterades genom vattenkristaller.
Dubochet löste problemet genom snabb kylning som inte tillät vattenmolekyler att ordnas till kristallin form; de blev istället till förglasat vatten som skulle fungera som glas för elektronstrålen. Hans forskning utvecklade en teknik för provberedning där biomolekyler skyddas under förglasat vatten. Tekniken används i cryo-EM.
Den senaste användningen
Den senaste tekniska utvecklingen som introduktionen av nya elektrondetektorer - Direct Electron Detectors - i elektronmikroskop bidrog till att ytterligare förbättra upplösningen av bilder som tagits under lågstråle-kryo-EM för biomolekyler. Introduktionen av direkta elektrondetektorer i elektronmikroskop 2012-13 visade sig vara ett kraftfullt verktyg för forskare när de mötte utmaningen med Zika virus som spreds snabbt över olika länder under 2015-16.
JACQUES DUBOCHET
Född 1942 i Aigle, Schweiz. Han avslutade sin doktorsexamen 1973 från universitetet i Genève och universitetet i Basel, Schweiz. Han är hedersprofessor i biofysik, University of Lausanne, Schweiz.
JOACHIM FRANK
Född 1940 i Siegen, Tyskland. Han avslutade sin doktorsexamen 1970 från Tekniska universitetet i München, Tyskland. Han är professor i biokemi och molekylär biofysik och i biologiska vetenskaper, Columbia University, USA.
RICHARD HENDERSON
Född 1945 i Edinburgh, Skottland. Han avslutade sin doktorsexamen 1969 från Cambridge University, Storbritannien. Han är programledare, MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge University.
2016 VINNARE: JEAN-PIERRE SAUVAGE, SIR J FRASER STODDART och BERNARD L FERINGA för deras utveckling av nanomaskiner, gjorda av rörliga molekyler, som så småningom kan användas för att skapa nya material, sensorer och energilagringssystem.
så mycket som 360 malibu
Dela Med Dina Vänner:
