Нобелевская премия по химии – 2017: новый взгляд на биомолекулы

■ НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ -ф

НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ ПО ХИМИИ - 2017: НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА БИОМОЛЕКУЛЫ

Нобелевской премией 2017 года по химии отметили создателей криоэлектронной микроскопии высокого разрешения для определения структуры биомолекул в растворе

Лавры лауреатов достались нынче англичанину, американцу и гражданину Швейцарии. Это Ричард Хендерсон (Великобритания), Йоахим Франк (США) и швейцарец Жак Дюбоше.

Метод криоэлектронной микроскопии основан на чрезвычайно быстром замораживании биомолекул, что «имеет решающее значение как для понимания химических принципов жизни в целом, так и для развития фармацевтических препаратов», - сказано в пресс-релизе Шведской королевской академии наук.

Чтобы точно знать, как работают клеточные молекулы и молекулярные комплексы, нужно подробно изучить их структуру. Но до недавнего времени далеко не все биомолекулы можно было увидеть - существующие методы визуализации часто оказывались тут бессильны. Широко используемая в молекулярной биологии рентгеновская кристаллография тоже далеко не всегда дает такую возможность. Проблема в том, что молекулы и их комплексы приходится помещать в среды, которые сильно отличаются от условий живой клетки, и в таком окружении молекула вполне может изменить свою форму (претерпеть конфор-мационные изменения), и предстать перед нашим взором совсем не в том виде, в котором она работает «вживую». Кроме того, та же рентгеноструктурная кристаллография требует кристаллизовать биологический образец, что не всегда возможно.

Криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ). за которую в этом году и дали Нобелевскую премию по химии, существенно расширила в этом смысле возможности исследователей. С ее помощью можно увидеть многие молекулярные процессы, и, соответственно, более глубоко понять химию живого организма, без чего невозможно, например, разрабатывать новые, более эффективные лекарства.

В крио-ЭМ биологический образец исследуют при очень низких температурах - обычно при температуре жидкого азота. В обычной электронной микроскопии изображение нам дает мощный пучок электронов, который легко может повредить биологический образец, с другой стороны, в высоком вакууме электронного микроскопа вода очень быстро испаряется, и биомолекулы и их комплексы, лишившись естественного водного окружения, меняют структуру и разрушаются. Изначально криогенную электронную микроскопию разрабатывали, чтобы защитить образец от повреждений из-за радиации и иссушения.

История открытия

• В начале 1980-х годов швейцарский биолог Жак Дюбоше (Jacques Dubochet) предложил помещать биообразцы в

затвердевшую воду. Но «затвердевшую» не означает просто «замерзшую». Дюбоше разработал метод стеклования воды: он охлаждал ее настолько быстро, что при затвердевании вода вокруг образца сохраняла ту структуру, которую имела в жидком виде. Биомолекула, заключенная в такую «стеклоледышку», сохраняла свою природную форму даже в условиях вакуума.

• Практически в это же время, между 1975-1986 годами, немецкий биофизик Йоахим Франк (Joachim Frank) занимался тем, что пытался найти способ, как из весьма мутных двухмерных изображений, получаемых в электронном микроскопе, сделать трехмерное изображение микроско-пируемой структуры. В итоге ему удалось разработать метод получения трехмерных изображений, опирающийся на сравнение и анализ двумерных «электронных» картинок, и метод этот широко используется до сих пор.

• Шотландский биолог Ричард Хендерсон (Richard Henderson) в 1990 году с помощью крио-ЭМ впервые получил трехмерное изображение белка бактериородопсина с атомным разрешением.

Нобелевский комитет пишет, что метод криоэлектрон-ной микроскопии «перевел биохимию в новую эру». С 2013 года, когда ученые сделали первые изображения ионного канала с атомным разрешением, «сфотографировать» успели все что угодно - от поверхности вируса Зика до белков, из-за которых возникает устойчивость к антибиотикам.

Более того, метод криоэлектронной микроскопии уже засветился в других Нобелевских премиях. Томас Стейц, Вен-катраман Рамакришнан и Ада Йонат в 2009 году получили награду за определение структур рибосомы, и они сделали это именно с помощью криоэлектронной микроскопии. Этим методом сегодня изучают и мембранный транспорт, за исследования которого премию по физиологии и медицине дали в 2013 году, и мембранные белки (награда 2003 года).

НефтеГазоХимия 39

#- НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ

Ричард Хендерсон

Родился 19 июля 1945 года в городе Эдинбург, Шотландия.

В 1966 году получил степень бакалавра по физике в Эдинбургском университете. Позднее удостоен докторской степени в Кембриджском университете. С 1969 по 1970 года являлся научным сотрудником Лаборатории молекулярной биологии в городе Кембридж, Великобритания. Затем, до 1973 года трудился в Йельском университете в городе Нью-Хейвен, Соединенные Штаты Америки.

Хендерсон с 1973 года работал в Лаборатории молекулярной биологии. До 1986 года прошел путь от научного сотрудника до старшего, затем специального научного сотрудника. С 1986 по 2000 года заведовал отделом структурных исследований в лаборатории. В период с 1995 по 1996 года занимал должность заместителя директора лаборатории. В 1996 году стал директором. Руководил лабораторией до 2006 года. С 2006 года является руководителем программы в Лаборатории молекулярной биологии. Ричард Хендерсон внес вклад в кристаллографию белка - метод, использующий рентгеновские лучи для определения структуры молекул. Ученый входит в состав Королевского общества и Национальной академии наук США, Академии медицинских наук. Почетный член Британского биофизического общества, Почетный доктор наук Эдинбургского университета. Лауреат премий Э. Руска, Розенстила, Григория Аминоф-фа и других. Отмечен высшей премией Королевского общества Великобритании, медалью Копли.

Ричард Хендерсон работал с белками в Кембридже, используя рентгеновскую кристаллографию - метод, с помощью которого Розалинд Франклин получила знаменитые изображения, на основе которых Уотсон и Крик построили модель двойной спирали ДНК. Все было хорошо, пока Хен-дерсон не занялся мембранными белками, находящимися в оболочке клетки. «Вынутые» из своей естественной среды, они превращались в бесполезную запутанную кучу атомов. Один из них Хендерсон не смог выделить в достаточных количествах, другой не удавалось кристаллизовать. Но все изменилось, когда Хендерсон взялся за светочувствительный белок бактериородопсин. Ученый решил не вытаскивать его из мембраны, а поместил целый кусок мембраны под электронный микроскоп вместе с ним. Чтобы структура не разрушилась, ее покрыли раствором глюкозы. Чтобы не повредить образец мощным потоком электронов, ученые пустили более слабый луч. Изображение, как и ожидалось, вышло не очень четким и контрастным, но тут они применили тот же математический метод, что и при рентгеновской кристаллографии, - это позволила сама структура белков, которые располагались в мембране ориентированными в одном и том же направлении. Картинки, полученные с разных углов зрения, показали, что белок извивается, семь раз проходя сквозь мембрану (теперь такие белки известны под названием семиспиральных рецепторов). Это было изображение лучшего качества из всех, когда-либо полученных с помощью электронного микроскопа. Разрешение в семь ангстрем впечатлило многих, но Хендерсон не желал останавливаться: ему хотелось достичь такого же разрешения, как и при рентгеновской кристаллографии, в три ангстрема. Со временем стали лучше линзы, появились

и технологии заморозки, позволяющие сохранить образец в жидком азоте. Для получения более четкого изображения бактериородопсина Хендерсон ездил по разным лабораториям, используя лучшие электронные микроскопы в мире. У всех их были те же недостатки, но они дополняли друг друга. И только в 1990 году, спустя 15 лет с получения первой, неказистой, на современный взгляд, картинки, Хендерсон достиг своей цели. Он показал, что криоэлек-тронная микроскопия может быть полезна для изучения биомолекул, однако его бактериородопсин был упорядочен и был практически зафиксирован в мембране клетки.

Йоахим Франк

Родился 12 сентября 1940 года в городе Зиген (земля Северный Рейн-Вестфалия), Германия.

В старшей школе увлекся изучением физики, продолжил обучение во Фрайбургском и Мюнхенском университетах. Получил степень бакалавра и магистра физики. Позднее успешно защитил диссертацию по использованию метода кросс-корреляции для выравнивания углеродных пленок.

С 1970 года, в течение двух лет, работал в лабораториях Соединенных Штатов Америки, являлся сотрудником лаборатории реактивного движения Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства НАСА в городе Пасадена, затем работал в Калифорнийском университете в городе Беркли. С 1972 года ученый трудился в Институте биохимии имени М. Планка. Работал в лаборатории микроскопии в Кор-неллском университете. На протяжении двух лет являлся сотрудником Кавендишской лаборатории на физическом факультете Кэмбриджского университета. С 2003 года занимался преподавательской деятельностью в Колумбийском университете. С 2008 года заведовал кафедрой биохимии, молекулярной биофизики и биологических наук. В 2006 году Франка избрали в Американскую академию искусств и наук и Американскую академию микробиологии. Входит в состав Национальной академии наук. Профессор кафедры биохимии и молекулярной биофизики, кафедры биологических наук Колумбийского университета в городе Нью-Йорк. Написал более 200 работ и шесть книг, автор поэм и коротких историй.

В Нью-Йорке, Иоахим Франк уже в 1975 году он придумал теоретический подход (идею) о создании компьютера,

НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU

НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ

&Окоторый может отличать случайно расположенные белки от хаотичного «заднего плана». Он придумал математический метод, позволяющий компьютеру находить разные повторяющиеся последовательности в изображении. Компьютер сортировал паттерны, объединяя похожие, чтобы получить усредненное, но более резкое изображение. Франк опубликовал несколько работ с двухмерными моделями белков высокого разрешения с разных углов зрения. Алгоритмы были готовы к 1981 году. Следующим шагом стало создание алгоритма, который находит похожие 2й-картинки и сам соберет их в Эй-структуры. В середине восьмидесятых Франк опубликовал эту часть метода и взялся за грандиозное дело - построение модели поверхности рибосомы, гигантской молекулярной машины для сборки белка в клетке.

Жак Дюбоше

Родился 8 июня 1942 года в Эгле (Швейцария).

В 1967 году окончил Федеральную политехническую школу Лозанны, получив диплом инженера-физика, в 1969 году получил диплом доктора философии в области биофизики в Женевском университете. В 1969 - 1974 годах работал в биофизической лаборатории Женевского университета, Базельском институте иммунологии, биоцентре Базельского университета. В 197Э году защитил диссертацию по биофизике в Женеве и Базеле. В 1974 - 1978 годах

работал в биоцентре Базельского университета. Совершал поездки в США (Балтимор, Чикаго и Лос-Анджелес). С 1978 года по 1987 год был заведующим лаборатории применения электронной микроскопии в Европейской лаборатории молекулярной биологии в Гейдельберге (Германия). Занимался разработкой криоэлектронной микроскопии, исследованием структуры вирусов ДНК и хроматина (вещество хромосом, являющееся комплексом ДНК, РНК и белков. С сентября 1987 года работает в университете Лозанны (Швейцария), где был профессором кафедры ультраструктурного анализа, до 2007 года - директором Центра электронной микроскопии и Лаборатории ультраструктурного анализа. В 1998 - 2002 годах - президент Секции биологии. Занимался разработкой криоэлектронной микроскопии, исследованием структуры ДНК, хроматина и клеточного ядра. Жак Дюбоше является почетным профессором университета Лозанны.

В 1978 году Жак Дюбоше, занялся решением проблемы электронного микроскопа. Биомолекулы очень страдали, превращаясь в бесформенную массу, если испарялась вода вокруг них, а в вакуумной камере электронного микроскопа она обязательно испарялась. Простая заморозка не давала результатов: кристаллики льда, расширяясь по сравнению с водой, могли разорвать изучаемый белок и разрушить его структуру. Если Хендерсону повезло с бактериородопсином, то другие ученые мучались с немембранными белками, растворимыми в воде. Дюбоше придумал сверхбыстрый способ заморозки с помощью жидкого азота - вода как бы «остекленевала», и поток электронов отлично отражался от нее и давал хорошее изображение. Это позволило отлично подготовить биологический материал к работе, что Дюбоше и доказал, опубликовав несколько структур вирусов, полученных этим способом, в 1984 году.

С этого момента исследователи начали обращаться к Дюбоше, чтобы научиться его методу. С ним встретился и Франк - для того, чтобы получить структуры поверхности рибосомы. Сочетание методов Дюбоше, Франка и Хендер-сона легло в основу криоэлектронной микроскопии.

Собственно говоря, именно необходимость получения структуры «живой» рибосомы и «двигала» желание поскорее освоить метод: рибосома - одна из основных мишеней действия антибиотиков, для которых очень важно пространственное совмещение с полостями рибосом. И сейчас большинство комплексов потенциальных антимикробных препаратов с рибосомами «смотрят» именно методами криоэлектронной микроскопии. Метод стал настолько важен, что в мире проводится немало крупных конференций, посвященных именно методу CryoEM, как сокращенно называют метод в англоязычной литературе.

Обзор подготовила Т.И. Шкерина, ООО «<ОБ-РАКАДЕМНАУКА» по материалам интернет-ресурсов и пресс-релиза Нобелевского комитета http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/.

Использованы фото с сайта www.nobelprize.org.

НефтеГазоХимия 41