Nobelprisen i kjemi, 2017: Livets molekyler, fanget i 3D
Bruken av kryo-elektronmikroskopi, utviklet separat av prisvinnerne, gjør at biomolekyler kan fryses midt i bevegelsen og fremstilles ved atomoppløsning. Denne teknologien, sa Nobelkomiteen, 'har flyttet biokjemi inn i en ny æra'.
Richard Henderson (L), Joachim Frank (C), Jacques Dubochet (H). Nobelprisen i kjemi 2017 ble onsdag tildelt Jacques Dubochet, Joachim Frank og Richard Henderson for utvikling av kryo-elektronmikroskopi for høyoppløselig strukturbestemmelse av biomolekyler i løsning.
Elektronmikroskopet ble designet på begynnelsen av 1930-tallet av den tyske fysikeren Ernst Ruska, som han ble tildelt Nobelprisen i fysikk i 1986 for (sammen med Gerd Binnig og Heinrich Rohrer som delte den andre halvdelen av prisen). Fire år tidligere hadde 1982 Chemistry Nobel gått til Aaron Klug for hans utvikling av krystallografisk elektronmikroskopi og hans strukturelle belysning av biologisk viktige nukleinsyre-proteinkomplekser.
deadmau5 nettoverdi 2017
Gjennom store deler av første halvdel av 1900-tallet hadde bestemmelsen av strukturen til biomolekyler – proteiner, DNA og RNA – dukket opp som en betydelig utfordring innen biokjemi. Forskernes kunnskap utviklet seg jevnt og trutt i løpet av de siste seks tiårene – og begynte med de banebrytende krystallografiske studiene av strukturene til kuleproteiner som hentet Max F Perutz og John C Kendrew Chemistry Nobel i 1962, til å mestre kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM) for som 2017-prisen er delt ut.
På 50-tallet ble røntgenkrystallografi (eksponering av proteinkrystaller for røntgenstråler) brukt til å utvikle modeller av biomolekyler for forskning og utvikling; på 80-tallet ble også kjernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi brukt til dette formål. Bruken av begge teknikkene var imidlertid underlagt begrensninger pålagt av biomolekylenes natur. Røntgenkrystallografi krevde velorganiserte krystaller - biomolekyler er vanligvis aldri organisert som krystaller. Og NMR fungerte bare for et relativt lite sett med proteiner.
Vinnerne av 2017-prisen brukte tre forskjellige tilnærminger som sammen overvant disse utfordringene, og tok, som Nobelkomiteen sa, biokjemi inn i en ny æra, noe som gjorde det enklere enn noen gang før å ta bilder av biomolekyler.
Røntgenkrystallografi til elektronmikroskop
Richard Henderson forlot røntgenkrystallografi og ty til avbildningsproteiner ved hjelp av transmisjonselektronmikroskopi - der, i stedet for lys, sendes en tynn stråle av elektroner gjennom prøven. Imidlertid, mens elektronmikroskopet er bra for å oppnå atomstrukturen til for eksempel et membranprotein, forbrenner den intense elektronstrålen som er nødvendig for høyoppløselige bilder biologisk materiale. Og en reduksjon i intensiteten til strålen betyr et betydelig kontrasttap, og bildet blir uklart.
I tillegg betydde kravet om vakuum for elektronmikroskopi forringelse av biomolekyler med fordampning av omgivende vann.
Henderson jobbet med bacteriorhodopsin, et lilla-farget protein innebygd i en fotosyntesende organismes membran. For å forhindre at det ble forbrent, lot han det sensitive proteinet ligge i membranen og sprengte en svakere elektronstråle gjennom prøven. Bilder ble tatt fra mange forskjellige vinkler av den samme membranen under elektronmikroskopet for å produsere en grov 3D-modell av bakterieorhodopsins struktur.
Dette var i 1975. Etter hvert som elektronmikroskopi utviklet seg med bedre linser og utviklingen av kryoteknologi (der prøver ble avkjølt med flytende nitrogen til ca – 190 grader Celsius for å skjerme dem fra elektronstrålen) klarte teknikken hans å produsere, i 1990 , en bakterieorhodopsin-struktur ved atomoppløsning.
Matematisk bildebehandling av 2D elektronmikroskopiske bilder
Også i 1975 utarbeidet Joachim Frank en teoretisk strategi for å slå sammen all informasjon som bæres i de todimensjonale bildene fra et elektronmikroskop, for å generere en høyoppløselig tredimensjonal helhet. Hans matematiske metode siktet gjennom 2D-bilder for å identifisere tilbakevendende mønstre, og sorterte dem i grupper for å slå sammen informasjonen deres, og produsere skarpere bilder. Denne modellen bidro til å omgå de mindre enn skarpe bildene som ble produsert på grunn av de svakere elektronstrålene som ble brukt til biomolekyler. De matematiske verktøyene for bildeanalyse ble satt sammen som en dataprogramdrakt.
Forbereder prøven
Kjerneutfordringen med å sikre at biomolekylprøvene ikke ble dehydrert, og ikke kollapset i vakuumet til kryo-EM-avbildning under elektronstrålen, ble løst av Jacques Dubochet.
Den naturlige løsningen på problemet var å fryse prøvene. Siden is fordamper langsommere enn vann, burde det ha fungert. Imidlertid forvirret krystallinsk vann bildene da elektronstrålene ble diffraktert gjennom vannkrystaller.
Dubochet løste problemet ved rask avkjøling som ikke tillot vannmolekyler å ordne seg i krystallinsk form; de ble i stedet til forglasset vann som ville fungere som glass for elektronstrålen. Forskningen hans utviklet en teknikk for prøvepreparering der biomolekyler er skjermet under forglasset vann. Teknikken brukes i cryo-EM.
Den siste bruken
Den siste tekniske utviklingen som introduksjonen av nye elektrondetektorer – direkte elektrondetektorer – i elektronmikroskoper bidro til ytterligere å forbedre oppløsningen til bilder tatt under lavstrålekryo-EM for biomolekyler. Introduksjonen av direkte elektrondetektorer i elektronmikroskoper i 2012-13 viste seg å være et kraftig verktøy for forskere da de møtte utfordringen med Zika virus som spredte seg raskt over forskjellige land i 2015-16.
JACQUES DUBOCHET
Ble født i 1942 i Aigle, Sveits. Han fullførte sin doktorgrad i 1973 fra Universitetet i Genève og Universitetet i Basel, Sveits. Han er æresprofessor i biofysikk, Universitetet i Lausanne, Sveits.
en boogie wit da hettegenser nettoverdi
JOACHIM FRANK
Ble født i 1940 i Siegen, Tyskland. Han fullførte sin doktorgrad i 1970 fra det tekniske universitetet i München, Tyskland. Han er professor i biokjemi og molekylær biofysikk og i biologiske vitenskaper, Columbia University, USA.
RICHARD HENDERSON
Ble født i 1945 i Edinburgh, Skottland. Han fullførte sin doktorgrad i 1969 fra Cambridge University, Storbritannia. Han er programleder, MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge University.
2016 VINNERE: JEAN-PIERRE SAUVAGE, SIR J FRASER STODDART og BERNARD L FERINGA for deres utvikling av nanomaskiner, laget av bevegelige molekyler, som etter hvert kan brukes til å lage nye materialer, sensorer og energilagringssystemer.
Del Med Vennene Dine:
