Живые молекулы в твердой воде

Последняя из естественнонаучных Нобелевских премий этого года — по химии — присуждена швейцарцу Жаку Дюбоше (Университет Лозанны), немецкому американцу Йоахиму Франку (Колумбийский университет Нью-Йорка) и британцу Ричарду Хендерсону (Кембриджский университет). Они удостоились этой награды за разработку новаторского метода криоэлектронной микроскопии. Как отмечается в официальном пресс-релизе Шведской Королевской академии наук, благодаря исследованиям трех нынешних лауреатов фактически наступила новая эра современной биохимии, которая наконец смогла получать высококачественные трехмерные изображения структуры сложных белков и прочих биомолекул в растворах с атомным разрешением (порядка 3 ангстрем, или 0,3 нанометра).

Особенной популярностью у различных комментаторов в зарубежных СМИ пользуется сравнение совершенного Дюбоше, Франком и Хендерсоном технологического прорыва в биохимии с появлением первых топографических карт Google Earth. Однако, несмотря на огромный практический потенциал криоэлектронной микроскопии, которая считается наиболее перспективным методом детального изучения не только «живых» молекул, но и многих других типов полимеров, в том числе различных промышленных ферментов, массового применения эта супертехнология пока не нашла.

Это с готовностью признают и сами нынешние лауреаты. В частности, в первом телефонном интервью после присуждения премии Йоахим Франк сказал, что для повсеместного внедрения криоэлектронной микроскопии должно пройти еще как минимум несколько лет.

Впрочем, криоэлектронная революция в структурной биологии и в фармацевтике, безусловно, уже в самом разгаре, и только за последние два-три года при помощи этой технологии были получены высококачественные пространственные изображения многих биомолекул — например, изучена общая структура сальмонеллы, вируса Зика и целого ряда белков, обладающих специфической устойчивостью к антибиотикам и химиотерапевтическому воздействию.

Благодаря эффективному замораживанию биомолекул на отдельных стадиях динамических процессов исследователи выхватывают «картинки», иллюстрирующие фрагменты этой динамики, на базе которых затем воспроизводят последовательные сцены их пространственного движения и взаимодействия друг с другом.

Если же рассматривать историю возникновения и последующего совершенствования технологии криоэлектронной микроскопии в хронологическом порядке, то первым, безусловно, следует упомянуть швейцарца Жака Дюбоше.

В начале 1980-х, работая в Европейской лаборатории молекулярной биологии в Гейдельберге, Дюбоше успешно внедрил новую технологию сверхбыстрого охлаждения/замораживания «живых» образцов биоматериалов, предложив методику так называемой витрификации воды (от лат. vitrum — стекло), то есть ее резкого перехода в стеклообразное состояние, при котором вода становится твердой (кристаллизуется), но сохраняет свойства жидкости. При очень быстром охлаждении образцов биомолекул жидким этаном в водном растворе (до температуры –196 °С) исследователям удалось сохранять в неприкосновенности общую структуру этих образцов и затем изучать ее при помощи электронных микроскопов (поддерживать образцы в замороженном состоянии помогал уже жидкий азот).

В 1984 году Дюбоше опубликовал первые качественные изображения нескольких вирусов, зафиксированных на фоне окружавшей их витрифицированной воды.

Вскоре новая технология стала активно использоваться многочисленными последователями Дюбоше, в том числе группами Хендерсона и Франка.

Правда, довольно долго методика криоэлектронной микроскопии считалась относительно маргинальной, многие исследователи иронично называли ее «блобологией» (от англ. blob — капля), поскольку на ранних этапах получаемые с ее помощью каплевидные изображения биомолекул позволяли разглядеть лишь их общие контуры и не отличались высоким качеством. Так, первая трехмерная «картинка» рибосомы, полученная в 1991 году Йоахимом Франком и его коллегами на базе метода витрификации Дюбоше, имела разрешение порядка 40 ангстрем, что заметно уступало уровню детализации конкурирующего метода рентгеновской кристаллографии, долгое время считавшегося мейнстримным в биохимии.

В технологию криоэлектронной микроскопии впоследствии потребовалось внести немало усовершенствований, и значительный вклад в это внесли специалисты британской лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, которую на протяжении двадцати лет, с 1986-го по 2006-й, возглавлял Ричард Хендерсон.

Хендерсон был одним из пионеров применения электронной микроскопии в структурной биохимии. Еще в начале 1970-х он вместе со своим старшим коллегой Найджелом Анвином исследовал под электронным микроскопом строение специфической белковой молекулы, бактериородопсина (светочувствительного мембранного белка, присутствующего в одноклеточных организмах-археях). В 1975 году Хендерсон получил первую трехмерную модель этой молекулы с рекордным разрешением 7 ангстрем, однако в отличие от бактериородопсина большинство «обычных» белков, растворимых в воде, не обладали хорошо упорядоченной структурой и их нельзя было исследовать внутри клеточных мембран.

Очень важную роль в становлении и развитии криоэлектронной микроскопии сыграли теоретические методы, предложенные Йоахимом Франком, который в 1970–1980-е годы был главным разработчиком нового алгоритма последовательной компьютерной обработки двумерных изображений биомолекул (выявления так называемых повторяющихся паттернов, при наложении которых в итоге собирались пространственные «картинки»), благодаря которому исследователям удалось значительно повысить качество изображений, получаемых при помощи электронных микроскопов.

Впрочем, на стабильный уровень столь желанного атомарного разрешения при помощи криоэлектронной микроскопии биохимикам удалось выйти лишь в 2013 году, и преодоление этого важнейшего рубежа, по всей видимости, и стало основным стимулом для шведских академиков в этом году наградить трех отцов быстро набирающей обороты новой технологии структурного анализа биомолекул.

В биографии британского лауреата Ричарда Хендерсона отметим любопытный момент: в Эдинбургском университете он изучал физику и, получив в возрасте 21 года степень бакалавра, затем резко поменял научную стезю и продолжил обучение уже в Кембридже, в лаборатории молекулярной биологии (LMB). Кембриджская LMB — одна из самых знаменитых кузниц нобелевских лауреатов: Хендерсон уже четырнадцатый ее сотрудник, обласканный шведскими академиками.

Изобретатель витрификационной технологии Жак Дюбоше стал восьмым представителем Швейцарии, удостоившимся химической Нобелевки (предыдущим в 2002 году был Курт Вютрих, который получил ее за разработку новой методики ЯМР-спектроскопии для определения все той же трехмерной структуры биологических макромолекул в растворе).

Наконец, Йоахим Франк хотя и может официально считаться очередным американским лауреатом — седьмым в 2017 году в естественнонаучной премиальной триаде (из девяти нынешних победителей лишь двое химиков не имели американского гражданства, что стало поводом для очередной волны комментариев в СМИ о «засилье американского лобби» в Нобелевском комитете), но как ученый он полностью сформировался в Германии и свой Ph. D. получил в тридцатилетнем возрасте в Техническом университете Мюнхена, а в более «хлебные» США окончательно перебрался лишь в середине 1970-х.