Nobel Prize in Chemistry, 2017: Molecules of life, nakunan sa 3D
Ang paggamit ng cryo-electron microscopy, na binuo nang hiwalay ng mga Laureates, ay nagpapahintulot sa mga biomolecule na maging frozen sa kalagitnaan ng paggalaw, at mailarawan sa atomic resolution. Ang teknolohiyang ito, sinabi ng Komite ng Nobel, 'ay inilipat ang biochemistry sa isang bagong panahon'.
Richard Henderson (L), Joachim Frank (C), Jacques Dubochet (R). Ang 2017 Nobel Prize sa Chemistry ay iginawad noong Miyerkules kina Jacques Dubochet, Joachim Frank at Richard Henderson para sa pagbuo ng cryo-electron microscopy para sa high-resolution na structure determination ng biomolecules sa solusyon.
Ang electron microscope ay idinisenyo noong unang bahagi ng 1930s ng German physicist na si Ernst Ruska, kung saan siya ay ginawaran ng 1986 Nobel Prize sa Physics (kasama sina Gerd Binnig at Heinrich Rohrer na nagbahagi ng kalahati ng Prize). Apat na taon na ang nakalilipas, ang 1982 Chemistry Nobel ay napunta kay Aaron Klug para sa kanyang pagbuo ng crystallographic electron microscopy at ang kanyang structural elucidation ng biologically important nucleic acid-protein complexes.
Sa karamihan ng unang kalahati ng ika-20 siglo, ang pagpapasiya ng istruktura ng biomolecules — mga protina, DNA at RNA — ay lumitaw bilang isang malaking hamon sa larangan ng biochemistry. Ang kaalaman ng mga siyentipiko ay patuloy na umusbong sa nakalipas na anim na dekada — simula sa pangunguna sa crystallographic na pag-aaral ng mga istruktura ng mga globular na protina na nakakuha kina Max F Perutz at John C Kendrew ng Chemistry Nobel noong 1962, hanggang sa mastering cryo-electron microscopy (cryo-EM) para sa na iginawad ang 2017 Prize.
Noong dekada 50, ginamit ang X-ray crystallography (paglalantad ng mga kristal na protina sa X-ray) upang bumuo ng mga modelo ng biomolecules para sa pananaliksik at pag-unlad; noong dekada 80, ginamit din ang nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy sa layuning ito. Ang paggamit ng parehong mga pamamaraan ay, gayunpaman, napapailalim sa mga limitasyon na ipinataw ng likas na katangian ng biomolecules. Ang X-ray crystallography ay nangangailangan ng maayos na mga kristal - ang mga biomolecule ay karaniwang hindi nakaayos bilang mga kristal. At ang NMR ay nagtrabaho lamang para sa isang medyo maliit na hanay ng mga protina.
Ang mga nanalo sa 2017 Prize ay gumamit ng tatlong magkakaibang mga diskarte na magkasamang nagtagumpay sa mga hamong ito, na dinadala, gaya ng sinabi ng Nobel Committee, ang biochemistry sa isang bagong panahon, na ginagawang mas madali kaysa dati ang pagkuha ng mga larawan ng biomolecules.
X-ray crystallography sa electron microscope
Inabandona ni Richard Henderson ang X-ray crystallography at gumamit ng mga imaging protein gamit ang transmission electron microscopy — kung saan, sa halip na liwanag, isang manipis na sinag ng mga electron ang ipinadala sa pamamagitan ng specimen. Gayunpaman, habang ang mikroskopyo ng elektron ay mabuti upang makuha ang atomic na istraktura ng, sabihin nating, isang protina ng lamad, ang matinding electron beam na kinakailangan para sa mga larawang may mataas na resolution ay nagsusunog ng biological na materyal. At ang pagbawas sa intensity ng beam ay nangangahulugan ng malaking pagkawala sa kaibahan, at ang imahe ay nagiging malabo.
Bukod pa rito, ang pangangailangan ng vacuum para sa electron microscopy ay nangangahulugan ng pagkasira ng biomolecules sa pagsingaw ng nakapalibot na tubig.
Nagtrabaho si Henderson sa bacteriorhodopsin, isang kulay lila na protina na naka-embed sa lamad ng isang photosynthesising organism. Para hindi ito masunog, iniwan niya ang sensitibong protina sa lamad, at nagpasabog ng mas mahinang electron beam sa sample. Ang mga larawan ay kinuha mula sa maraming iba't ibang mga anggulo ng parehong lamad sa ilalim ng mikroskopyo ng elektron upang makagawa ng isang magaspang na 3D na modelo ng istraktura ng bacteriorhodopsin.
Ito ay noong 1975. Habang ang electron microscopy ay umusbong na may mas mahusay na mga lente at ang pagbuo ng cryotechnology (kung saan ang mga sample ay pinalamig na may likidong nitrogen hanggang humigit-kumulang - 190 degrees Celsius upang protektahan ang mga ito mula sa electron beam) ang kanyang pamamaraan ay nagawang makabuo, noong 1990 , isang istraktura ng bacteriorhodopsin sa atomic resolution.
Pagproseso ng larawang matematikal ng mga 2D na mikroskopikong larawan ng elektron
Noong 1975 din, naghanda si Joachim Frank ng isang teoretikal na diskarte upang pagsamahin ang anumang impormasyon na dinadala sa dalawang-dimensional na mga imahe mula sa isang electron microscope, upang makabuo ng isang high-resolution na three-dimensional na kabuuan. Ang kanyang mathematical method ay nagsala sa mga 2D na imahe upang matukoy ang mga umuulit na pattern, at pag-uri-uriin ang mga ito sa mga grupo upang pagsamahin ang kanilang impormasyon, na gumagawa ng mas matalas na mga imahe. Ang modelong ito ay tumulong sa pag-iwas sa mga hindi gaanong matutulis na imahe na ginawa dahil sa mas mahinang mga electron beam na ginagamit para sa mga biomolecule. Ang mga kasangkapang pangmatematika para sa pagsusuri ng imahe ay pinagsama-sama bilang suit ng programa sa kompyuter.
Paghahanda ng sample
Ang pangunahing hamon ng pagtiyak na ang mga sample ng biomolecule ay hindi na-dehydrate, at hindi bumagsak sa vacuum ng cryo-EM imaging sa ilalim ng electron beam, ay nalutas ni Jacques Dubochet.
Ang natural na solusyon sa problema ay ang pagyeyelo ng mga sample. Dahil ang yelo ay sumingaw nang mas mabagal kaysa sa tubig, dapat itong gumana. Gayunpaman, ang mala-kristal na tubig ay nag-fuzzed sa mga imahe habang ang mga electron beam ay diffracted sa pamamagitan ng mga kristal ng tubig.
Nalutas ni Dubochet ang problema sa pamamagitan ng mabilis na paglamig na hindi nagpapahintulot sa mga molekula ng tubig na ayusin sa mala-kristal na anyo; sa halip sila ay naging vitrified water na magsisilbing salamin para sa electron beam. Ang kanyang pananaliksik ay nakabuo ng isang pamamaraan ng sample-paghahanda kung saan ang mga biomolecules ay pinangangalagaan sa ilalim ng vitrified na tubig. Ang pamamaraan ay ginagamit sa cryo-EM.
Ang Pinakabagong Paggamit
Ang mga pinakabagong teknikal na pag-unlad tulad ng pagpapakilala ng mga bagong electron detector — Direct Electron Detector — sa mga electron microscope ay nakatulong sa higit pang pagpapabuti sa resolution ng mga larawang nakunan sa ilalim ng low-beam cryo-EM para sa biomolecules. Ang pagpapakilala ng mga Direct Electron Detector sa mga electron microscope noong 2012-13 ay naging isang makapangyarihang kasangkapan para sa mga siyentipiko nang makaharap nila ang hamon ng Zika virus na mabilis na kumalat sa iba't ibang bansa noong 2015-16.
JACQUES DUBOCHET
Ipinanganak noong 1942 sa Aigle, Switzerland. Natapos niya ang kanyang PhD noong 1973 mula sa Unibersidad ng Geneva at Unibersidad ng Basel, Switzerland. Siya ay Honorary Professor ng Biophysics, University of Lausanne, Switzerland.
JOACHIM FRANK
Ipinanganak noong 1940 sa Siegen, Germany. Natapos niya ang kanyang PhD noong 1970 mula sa Technical University of Munich, Germany. Siya ay Propesor ng Biochemistry at Molecular Biophysics at ng Biological Sciences, Columbia University, USA.
RICHARD HENDERSON
Ipinanganak noong 1945 sa Edinburgh, Scotland. Natapos niya ang kanyang PhD noong 1969 mula sa Cambridge University, UK. Siya ay Program Leader, MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge University.
2016 NANALO: JEAN-PIERRE SAUVAGE, SIR J FRASER STODDART at BERNARD L FERINGA para sa kanilang pagbuo ng mga nano-machine, na gawa sa mga gumagalaw na molekula, na maaaring magamit sa kalaunan upang lumikha ng mga bagong materyales, sensor at mga sistema ng imbakan ng enerhiya.
Ibahagi Sa Iyong Mga Kaibigan:
