Նոբելյան մրցանակ քիմիայի բնագավառում, 2017. Կյանքի մոլեկուլները 3D ձևաչափով
Կրիոէլեկտրոնային մանրադիտակի օգտագործումը, որը մշակվել է դափնեկիրների կողմից առանձին, թույլ է տալիս բիոմոլեկուլները սառեցնել շարժման մեջտեղում և պատկերել ատոմային լուծաչափով: Այս տեխնոլոգիան, ըստ Նոբելյան կոմիտեի, «կենսաքիմիան տեղափոխել է նոր դարաշրջան»:
Ռիչարդ Հենդերսոն (L), Յոահիմ Ֆրանկ (C), Ժակ Դյուբոշետ (R). Չորեքշաբթի օրը քիմիայի ոլորտում Նոբելյան մրցանակը շնորհվել է Ժակ Դյուբոշեին, Յոահիմ Ֆրանկին և Ռիչարդ Հենդերսոնին՝ լուծույթում բիոմոլեկուլների կառուցվածքի բարձր լուծունակության որոշման համար կրիոէլեկտրոնային մանրադիտակի մշակման համար։
Էլեկտրոնային մանրադիտակը նախագծվել է 1930-ականների սկզբին գերմանացի ֆիզիկոս Էռնստ Ռուսկայի կողմից, ինչի համար նա արժանացել է ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակի 1986 թվականին (Գերդ Բինինգի և Հենրիխ Ռոհերի հետ միասին, ովքեր կիսում էին մրցանակի մյուս կեսը)։ Չորս տարի առաջ Քիմիայի Նոբելյան մրցանակը 1982թ.-ին ստացել էր Ահարոն Կլուգը՝ բյուրեղագրական էլեկտրոնային մանրադիտակի մշակման և կենսաբանորեն կարևոր նուկլեինաթթու-սպիտակուցային համալիրների կառուցվածքային պարզաբանման համար:
20-րդ դարի առաջին կեսի մեծ մասի ընթացքում բիոմոլեկուլների՝ սպիտակուցների, ԴՆԹ-ի և ՌՆԹ-ի կառուցվածքի որոշումը կենսաքիմիայի ոլորտում զգալի մարտահրավեր էր: Գիտնականների գիտելիքները անշեղորեն զարգանում էին վերջին վեց տասնամյակների ընթացքում՝ սկսած գնդային սպիտակուցների կառուցվածքների բյուրեղագրական ուսումնասիրություններից, որոնք 1962 թվականին ստացել են Քիմիայի Նոբելյան մրցանակը Մաքս Ֆ. Պերուցին և Ջոն Քենդրյուին, մինչև կրիոէլեկտրոնային մանրադիտակի յուրացումը (կրիո-EM): որին շնորհվել է 2017թ.
50-ական թվականներին ռենտգենյան բյուրեղագրությունը (ռենտգենյան ճառագայթների ենթարկելով սպիտակուցային բյուրեղները) օգտագործվել է հետազոտության և զարգացման համար կենսամոլեկուլների մոդելների մշակման համար; 80-ականներին այդ նպատակով կիրառվել է նաև միջուկային մագնիսական ռեզոնանսային սպեկտրոսկոպիա (NMR): Այնուամենայնիվ, երկու մեթոդների օգտագործումը ենթակա էր բիոմոլեկուլների բնույթով պայմանավորված սահմանափակումների: Ռենտգենյան բյուրեղագրությունը պահանջում է լավ կազմակերպված բյուրեղներ. բիոմոլեկուլները սովորաբար երբեք չեն կազմակերպվում որպես բյուրեղներ: Իսկ NMR-ն աշխատում էր միայն համեմատաբար փոքր քանակությամբ սպիտակուցների համար:
2017 թվականի մրցանակի դափնեկիրներն կիրառեցին երեք տարբեր մոտեցումներ, որոնք միասին հաղթահարեցին այս մարտահրավերները՝ ինչպես ասաց Նոբելյան կոմիտեն, կենսաքիմիան տեղափոխելով նոր դարաշրջան՝ դարձնելով ավելի հեշտ, քան երբևէ նախկինում բիոմոլեկուլների պատկերները:
Ռենտգենյան բյուրեղագրություն էլեկտրոնային մանրադիտակով
Ռիչարդ Հենդերսոնը հրաժարվեց ռենտգենյան բյուրեղագրությունից և դիմեց հաղորդման էլեկտրոնային մանրադիտակի միջոցով պատկերող սպիտակուցներին, որտեղ լույսի փոխարեն էլեկտրոնների բարակ ճառագայթ է ուղարկվում նմուշի միջով: Այնուամենայնիվ, թեև էլեկտրոնային մանրադիտակը լավ է ձեռք բերել, ասենք, թաղանթային սպիտակուցի ատոմային կառուցվածքը, բարձր լուծաչափով պատկերների համար անհրաժեշտ ինտենսիվ էլեկտրոնային ճառագայթը այրում է կենսաբանական նյութը: Իսկ ճառագայթի ինտենսիվության նվազումը նշանակում է հակադրության զգալի կորուստ, և պատկերը դառնում է մշուշոտ:
Բացի այդ, էլեկտրոնային մանրադիտակի համար վակուումի պահանջը նշանակում էր բիոմոլեկուլների վատթարացում շրջակա ջրի գոլորշիացմամբ:
Հենդերսոնն աշխատել է բակտերիորոդոպսինի՝ մանուշակագույն սպիտակուցի հետ, որը ներկառուցված է ֆոտոսինթեզող օրգանիզմի թաղանթում: Որպեսզի այն չայրվի, նա մեմբրանի մեջ թողեց զգայուն սպիտակուցը և նմուշի միջով պայթեցրեց ավելի թույլ էլեկտրոնային ճառագայթ: Նկարները վերցվել են նույն թաղանթի բազմաթիվ տարբեր անկյուններից էլեկտրոնային մանրադիտակի տակ՝ բակտերիորհոդոպսինի կառուցվածքի կոպիտ 3D մոդել ստեղծելու համար:
Դա տեղի ունեցավ 1975 թվականին: Երբ էլեկտրոնային մանրադիտակը զարգանում էր ավելի լավ ոսպնյակներով և կրիոտեխնոլոգիայի զարգացմամբ (որում նմուշները սառեցվում էին հեղուկ ազոտով մինչև մոտ –190 աստիճան Ցելսիուս, որպեսզի դրանք պաշտպանեն էլեկտրոնային ճառագայթից), նրա տեխնիկան կարողացավ ստեղծել 1990 թ. , բակտերիորոդոպսինի կառուցվածքը ատոմային լուծույթով։
2D էլեկտրոնային մանրադիտակային պատկերների մաթեմատիկական պատկերի մշակում
Նաև 1975թ.-ին Յոահիմ Ֆրանկը պատրաստեց տեսական ռազմավարություն՝ միավորելու այն տեղեկատվությունը, որը փոխանցվում է էլեկտրոնային մանրադիտակի երկչափ պատկերներում՝ բարձր լուծաչափով եռաչափ ամբողջություն ստեղծելու համար: Նրա մաթեմատիկական մեթոդը մաղում էր 2D պատկերները՝ հայտնաբերելու կրկնվող օրինաչափությունները և դրանք խմբերի դասավորելու համար՝ իրենց տեղեկատվությունը միաձուլելու համար՝ ստանալով ավելի հստակ պատկերներ: Այս մոդելը օգնեց շրջանցել ոչ այնքան սուր պատկերները, որոնք ստացվում էին կենսամոլեկուլների համար օգտագործվող ավելի թույլ էլեկտրոնային ճառագայթների պատճառով: Պատկերների վերլուծության մաթեմատիկական գործիքները կազմվել են որպես համակարգչային ծրագրի կոստյում:
Նմուշի պատրաստում
Հիմնական մարտահրավերը՝ ապահովելու, որ կենսամոլեկուլների նմուշները չջրազրկվեն և չփլուզվեն կրիո-EM պատկերավորման վակուումում՝ էլեկտրոնային ճառագայթի տակ, լուծվել է Ժակ Դյուբոշեի կողմից:
Խնդրի բնական լուծումը նմուշների սառեցումն էր։ Քանի որ սառույցը ավելի դանդաղ է գոլորշիանում, քան ջուրը, այն պետք է աշխատեր: Այնուամենայնիվ, բյուրեղային ջուրը շփոթեցրեց պատկերները, քանի որ էլեկտրոնային ճառագայթները ցրվում էին ջրի բյուրեղների միջով:
Դուբոշեն խնդիրը լուծեց արագ սառեցման միջոցով, որը թույլ չտվեց ջրի մոլեկուլներին դասավորվել բյուրեղային ձևով. նրանք փոխարենը վերածվեցին ապակեպատ ջրի, որը կգործեր որպես ապակի էլեկտրոնային ճառագայթի համար: Նրա հետազոտությունը մշակել է նմուշների պատրաստման տեխնիկա, որտեղ բիոմոլեկուլները պաշտպանված են ապակեպատ ջրի տակ: Տեխնիկան օգտագործվում է կրիո-ԷՄ-ում:
Վերջին Օգտագործումը
Վերջին տեխնիկական զարգացումները, ինչպիսիք են էլեկտրոնային մանրադիտակներում նոր էլեկտրոնային դետեկտորների՝ ուղղակի էլեկտրոնի դետեկտորների ներդրումը, օգնեցին էլ ավելի բարելավել բիոմոլեկուլների համար ցածր ճառագայթով կրիո-EM-ով նկարահանված պատկերների լուծումը: 2012-13 թվականներին էլեկտրոնային մանրադիտակներում ուղղակի էլեկտրոնային դետեկտորների ներդրումը գիտնականների համար հզոր գործիք էր, քանի որ նրանք բախվեցին խնդրին. Զիկա վիրուս, որն արագորեն տարածվել է տարբեր երկրներում 2015-16թթ.
ԺԱԿ ԴՅՈՒԲՈՇԵ
Ծնվել է 1942 թվականին Շվեյցարիայի Էյգլ քաղաքում։ 1973 թվականին նա ավարտել է իր PhD-ն Ժնևի և Շվեյցարիայի Բազելի համալսարաններում: Նա Շվեյցարիայի Լոզանի համալսարանի կենսաֆիզիկայի պատվավոր պրոֆեսոր է։
ՅՈԱՀԻՄ ՖՐԱՆԿ
Ծնվել է 1940 թվականին Գերմանիայի Զիգեն քաղաքում։ 1970թ.-ին ավարտել է իր թեկնածությունը Գերմանիայի Մյունխենի տեխնիկական համալսարանում: Նա ԱՄՆ Կոլումբիայի համալսարանի կենսաքիմիայի և մոլեկուլային կենսաֆիզիկայի և կենսաբանական գիտությունների պրոֆեսոր է:
ՌԻՉԱՐԴ ՀԵՆԴԵՐՍՈՆ
Ծնվել է 1945 թվականին Էդինբուրգում, Շոտլանդիա։ 1969 թվականին նա ավարտել է իր PhD-ն Քեմբրիջի համալսարանում, Մեծ Բրիտանիա: Նա Քեմբրիջի համալսարանի մոլեկուլային կենսաբանության MRC լաբորատորիայի ծրագրի ղեկավարն է:
2016 ՀԱՂԹՈՂՆԵՐ. JEAN-PIERRE SAUVAGE-ը, SIR J FRASER STODDART-ը և BERNARD L FERINGA-ն շարժվող մոլեկուլներից պատրաստված նանո-մեքենաների մշակման համար, որոնք ի վերջո կարող են օգտագործվել նոր նյութեր, սենսորներ և էներգիայի պահպանման համակարգեր ստեղծելու համար:
Կիսվեք Ձեր Ընկերների Հետ:
