На прошлой неделе было объявлено, что Нобелевскую премию по химии 2017 года получат швейцарец Жак Дюбоше, американец немецкого происхождения Йоахим Франк и шотландец Ричард Хендерсон за «разработку методов криоэлектронной микроскопии высокого разрешения для определения трехмерных структур биомолекул в растворе». Их работы позволили, начиная с 80-х годов прошлого века, опробовать и постепенно усовершенствовать этот вид микроскопии до такой степени, что в последние годы ученые могут рассматривать сложные биологические молекулы в мельчайших деталях. Нобелевский комитет отметил, что метод криоэлектронной микроскопии перевел биохимию в новую эру, позволяя заполнить множество пробелов в знаниях о молекулах жизни и живых системах.

Сразу отметим, что вряд ли можно называть криогенную электронную микроскопию принципиально новым и самодостаточным методом физического исследования вещества. Скорее, она является разновидностью просвечивающей электронной микроскопии (один из авторов этого метода, Эрнст Руска , получил Нобелевскую премию в 1986 году), которую специально адаптировали для изучения микробиологических объектов.

В просвечивающем электронном микроскопе через достаточно тонкий образец, чтобы он был прозрачным для электронов (обычно это десятые и сотые доли микрона), пропускают пучок электронов, которые, проходя через образец, поглощаются и рассеиваются, меняя направление движения. Эти изменения можно зарегистрировать (сейчас в качестве детектора чаще всего используется ПЗС-матрица , создатели которой, Уиллард Бойл и Джордж Смит , стали лауреатами ) и, после анализа, получить изображение исследуемого объекта в плоскости, перпендикулярной пучку. Поскольку собственная длина волны электронов (десятки пикометров при энергиях, характерных для электронных микроскопов) много меньше длин волн света в видимой области (сотни нанометров), с помощью электронной микроскопии можно «разглядеть» гораздо более тонкие детали, чем с помощью оптической микроскопии, в том числе и флуоресцентной микроскопии высокого разрешения (ФМВР), разработанной лауреатами Эриком Бетцигом , Штефаном Хеллем и Уильямом Мернером .

Предельная разрешающая способность электронных микроскопов - несколько ангстрем (десятые доли нанометра) - уже почти достигнута. Это позволяет получать изображения, на которых, например, различимы отдельные атомы. Для сравнения: предел возможностей ФМВР - 10–20 нм. Но просто так сравнивать разные методы по предельному разрешению довольно бессмысленно. Электронные микроскопы имеют высокое разрешение, но им не всегда можно воспользоваться. Дело в том, что образец, помимо измельчения при подготовке, во время самого исследования подвергается довольно серьезному облучению пучком электронов (грубо говоря, чем интенсивнее пучок, тем меньше ошибок и тем лучше получается результат), находясь при этом в вакууме (вакуум нужен, чтобы среда не рассеивала электроны вне образца, внося тем самым лишние искажения). Такие условия совершенно не подходят, если нужно изучать сложно устроенные биологические молекулы и объекты - они повреждаются в разреженной среде и в них много довольно слабых связей, которые просто будут разрушаться во время исследования.

Понимание того, что без дополнительных усовершенствований электронный микроскоп нельзя будет приспособить к изучению биомолекул и живых систем, появилось почти сразу после его изобретения. Об этом, например, писал спустя три года после демонстрации принципа работы электронного микроскопа Эрнстом Руской в 1931 году венгерский физик Ладислав Мартон (L. Marton, 1934. Electron Microscopy of Biological Objects). В той же статье Мартон предложил и пути решения этой проблемы. В частности, он же указал, что замораживание образцов может снизить ущерб от облучения пучком электронов. Важно отметить, что, хотя в статье Мартона это и не указано, замораживание образца помогает еще и тем, что снижает тепловое колебание молекул, что тоже способствует улучшению получаемого изображения.

В 1970–80-е годы наука и техника достигли достаточного уровня развития, чтобы преодолеть все трудности. И это произошло во многом благодаря усилиям лауреатов премии этого года.

Ричард Хендерсон был первым, кто получил при помощи просвечивающей электронной микроскопии (с охлаждением образца) изображение несимметричного белка с атомным разрешением. Свои исследования он начал еще в середине 70-х годов. Причем сперва Хендерсон пытался получить структуру нескольких белков из клеточной мембраны, используя метод рентгеноструктурного анализа , который уже тогда мог давать разрешение в несколько ангстрем. Однако быстро стало ясно, что этим способом хорошего результата не добиться: исследуемое вещество должно быть в кристаллической форме, а мембранные белки, извлеченные из своего окружения, либо плохо кристаллизуются, либо вообще теряют форму. Тогда он переключился на электронную микроскопию.

Был выбран конкретный белок - бактериородопсин - и было решено не извлекать его из мембраны, а исследовать прямо в ней. Ученые дополнительно покрывали образцы раствором глюкозы, чтобы защитить его от высыхания в вакууме. Это помогло решить проблему с сохранением структуры. Затем Хендерсон с коллегами столкнулись с уже описанной проблемой разрушения образцов под действием пучка электронов. Ее помогло решить сочетание нескольких факторов.

Во-первых, бактериородопсин располагается в мембране регулярно, поэтому аккуратный учет этой регулярности в сочетании со съемкой под разными углами сильно помогает при построении картинки. Это помогло снизить интенсивность пучка и сократить время экспозиции, но выиграть в качестве. Уже в 1975 году удалось получить изображение этого белка с разрешением 7 ангстрем (рис. 3, см. R. Henderson, P. N. T. Unwin, 1975. Three-dimensional model of purple membrane obtained by electron microscopy).

Во-вторых, у Хендерсона была возможность ездить по разным научным центрам и пробовать разные электронные микроскопы. Поскольку в те годы не было унификации, у разных микроскопов были свои достоинства и недостатки: разная степень вакуумирования камеры, разная степень охлаждения образца (это позволяет снизить ущерб от облучения электронами), разные энергии электронных пучков, разная чувствительность детекторов. Поэтому возможность исследования одного и того же объекта на разных микроскопах позволила сначала подобрать «наименее неблагоприятные» условия получения изображения, а потом постепенно их улучшать. Так Хендерсон накапливал данные и получал все более и более точную структуру бактериородопсина. В 1990 году вышла его статья, в которой была представлена модель этого белка с атомарным разрешением (R. Henderson et al., 1990. Model for the structure of bacteriorhodopsin based on high-resolution electron cryo-microscopy).

В ходе этого пионерского исследования Хендерсон показал, что криоэлектронная микроскопия может давать изображения с разрешением, которое не хуже, чем у метода рентгеноструктурного анализа - в то время это было прорывом. Правда, этот результат существенно использовал тот факт, что бактериородопсин регулярно располагается в клеточной мембране, и не было понятно, можно ли будет добиться такого разрешения для других, «нерегулярных» молекул.

Проблему обработки слабых сигналов от беспорядочно расположенных биологически активных молекул решил другой лауреат Нобелевской премии 2017 года - Йоахим Франк. Его главный вклад в криоэлектронную микроскопию состоит в создании алгоритмов анализа двумерных изображений, получаемых с помощью криоэлектронной микроскопии, которые позволяют построить качественную трехмерную модель. Подобные алгоритмы уже были разработаны для других методов микроскопии. Франк оптимизировал и во многом уточнил методы математического анализа, позволяющие отделить полезную информацию, полученной в ходе электронной микроскопии, от сигналов, обусловленных шумом. Шумы возникают в точных электронных приборах по разным причинам: случайные колебания силы тока и напряжения могут быть из-за неравномерного испускания электронов в электровакуумных блоках, неравномерности процессов образования и рекомбинации носителей заряда (электронов проводимости и дырок) в полупроводниковых блоках, теплового движения носителей тока в проводниках (тепловой шум), либо внешних наводок (несмотря на то, что все обычно хорошо заизолировано).

Задача усложняется еще и вот чем. Если объекты, пусть даже и одинаковые или примерно одинаковые, как должно быть в подобных исследованиях, неупорядоченны, то они дают немного разные по структуре сигналы, которые могут размывать друг друга. Причем причину такого размытия - шум это или ошибки алгоритма - определить непросто. Схематично принцип обработки данных показан на рис. 5: многочисленные плоские изображения исследуемой молекулы очищаются от шумов и типизируются по «ракурсам», затем из изображений с близкими ракурсами строится более качественный профиль, и, наконец, из этих профилей строится трехмерная модель.

В 1981 году Франк обобщил математические модели в первой версии компьютерной программы SPIDER (System for Processing Image Data from Electron microscopy and Related fields - Система для обработки данных электронной микроскопии и связанных областей, первая публикация: J. Frank et al., 1981. Spider - A modular software system for electron image processing). Этот программный пакет существует и обновляется до сих пор, более того, эти программы свободны к распространению, что, безусловно, облегчает работу ученых во всем мире. Франк использовал собственные алгоритмы для получения изображения поверхности рибосомы - состоящего из нитей РНК и связанных с нею белков органоида клетки, служащего для биосинтеза белка из аминокислот на основе генетической информации.

Приставка «крио-» появилась в электронной микроскопии благодаря третьему лауреату - Жаку Дюбоше. Он разработал метод быстрого охлаждения водных растворов с образцами (J. Dubochet, A. W. McDowall, 1981. Vitrification of pure water for electron microscopy). Причем вода должна замерзнуть так быстро, чтобы молекулы не успели выстроиться в кристаллическую решетку, застывая как попало (см. аморфный лед). Это достигается путем быстрого погружения тонкой пленки раствора с образцом в емкость с жидким этаном, охлажденным до –160°С (рис. 6). Правильный способ заморозки можно назвать ключом к успеху всего метода, так как упорядоченные кристаллы льда могут вызывать дифракцию электронов, искажая информацию об изучаемых молекулах. Из-за большой молекулярной массы белков и нуклеиновых кислот эти молекулы неповоротливы, так что при мгновенной заморозке они не успевают ни изменить свое положение, ни поменять форму. То есть строение биологически активных молекул при быстрой заморозке этим методом не меняется. Пользуясь им, Дюбоше впервые применил криоэлектронную микроскопию для изучения строения вирусов (рис. 7, см. M. Adrian et al., 1984. Cryo-electron microscopy of viruses).

В течение 1990-х и 2000-х годов криоэлектронная микроскопия постепенно развивалась и совершенствовалась с развитием вычислительных мощностей и точности приборов. Но настоящий расцвет криоэлектронной микроскопии начинается с 2012 года. Он связан с появлением прямых электронных детекторов на основе КМОП (CMOS), которые могут напрямую улавливать электроны, прошедшие сквозь образец. Это позволило упростить конструкцию электронных микроскопов, убрав сложные системы фокусировки и преобразования сигнала и уменьшив число узлов, которые могут внести случайный шум. В результате разрешающая способность метода криоэлектронной микроскопии повысилась до 2–3 ангстрем (рис. 8).

Одним из примеров практического применения криоэлектронной микроскопии в этой области можно считать изучение вируса Зика (рис. 10). Во время вспышки эпидемии Зика в Бразилии в 2016 году исследователям хватило несколько месяцев для получения информации о строении вируса методом криоэлектронной микроскопии (D. Sirohi et al., 2016. The 3.8 Å resolution cryo-EM structure of Zika virus).

Другой пример - в этом году криоэлектронная микроскопия позволила получить структуру капсида самого большого представителя семейства вирусов герпеса - цитомегаловируса человека (X. Yu et al., 2017. Atomic structure of the human cytomegalovirus capsid with its securing tegument layer of pp150). Результаты исследования стали основой для поиска возможных участков капсида вирусов, которые могут стать молекулярными мишенями для противовирусных лекарств.

Аркадий Курамшин

Что примечательного в новой Нобелевской премии по химии, зачем вокруг биомолекул замораживать воду и как компьютеры превращают 2D-изображения в 3D, читайте в материале сайт о работе нобелевских лауреатов 2017 года Жака Дюбоше, Иоахима Франка и Ричарда Хендерсона.

Структуры молекул, полученные в последние годы, впечатляют. Здесь и целый «шприц» сальмонеллы, которым она атакует клетки, и белки, которые обеспечивают бактериям устойчивость к антибиотикам, и красивейшие структуры у основания жгутиков, и удивительно красивые ферменты. От фундаментальных биологических знаний о работе биомолекул в клетке до понимания того, как ведут себя молекулы медицинских препаратов, - все это мы можем получить благодаря методу криоэлектронной микроскопии, за развитие которого присудили Нобелевскую премию по химии в 2017 году.

Но что это за метод и почему без него нельзя было добиться тех же результатов? Ведь к тому времени существовала и рентгеновская кристаллография, и просто электронная микроскопия.

Эти методы накладывали на исследователей несколько важных ограничений, за преодоление которых, или, если быть точнее, «за развитие методов криоэлектронной микроскопии для определения структуры биомолекул в растворах с большим разрешением», и была сегодня присуждена престижная награда.

Получат ее в этом году трое ученых, стоявших у истоков этой технологии: француз Жак Дюбоше, который работает в Университете Лозанны, рожденный в Германии Иоахим Франк из Университета Колумбии в Нью-Йорке и шотландец Ричард Хендерсон из лаборатории молекулярной биологии в Кембридже (к слову, это, кажется, уже пятнадцатый лауреат из этой лаборатории).

Слева направо: Жак Дюбоше, Иоахим Франк и Ричард Хендерсон

Denis Balibouse/Reuters, Columbia University, MRC Laboratory of Molecular Biology

Когда Эрнст Руска изобрел и продемонстрировал электронный микроскоп, с помощью которого можно увидеть позиции отдельных атомов (за что Руска получил свою «Нобелевку» в 1986-м), другой ученый, Ладислав Мартон, написал статью о том, что новым методом трудно изучать биологический материал, ведь биомолекулы и клетки разрушаются под действием потока электронов. Этот поток должен был быть очень слабым, чтобы не повредить образцы, но такой слабый поток давал плохое разрешение. Для электронной микроскопии образец должен был быть тонким и плоским, что тоже усложняло задачу - приходилось достраивать 3D-модели изучаемых молекул (например, белков) из двухмерной проекции.

Естественно, об изучении живых клеток не могло быть и речи, а ведь в разрушенном состоянии они выглядят совсем не так, как во время работы. К тому же электронному микроскопу нужен был вакуум, а в нем испарялась вся вода, которая помогала биомолекулам поддерживать их естественную форму. Все это было сложно и неудобно. До тех пор, пока не появилась криоэлектронная микроскопия.

Изменения в изображении биомолекул, связанные с работами нобелевских лауреатов 2017 года

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 Хендерсон 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 достаточном количестве, другой не удавалось кристаллизовать.

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, когда-либо полученного 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 линзы стали лучше, появились 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 криоэлектронная микроскопия может быть полезна для изучения биомолекул, однако его бактериородопсин был упорядочен и был практически зафиксирован в мембране клетки. Очень мало других белков могут похвастаться тем же, поэтому биологи посчитали, что это все же очень ограниченный метод.

В это самое время по другую сторону Атлантики, в Нью-Йорке, Иоахим Франк уже давно работал над решением этой проблемы. Уже в 1975 году он придумал теоретический подход, но на реализацию его ушло много лет. Его идеей было создать компьютер, который 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 2D-картинки и сам собирает их в 3D-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.

Метод анализа 3D-структур, разработанный Иоахимом Франком: 1. Пучок электронов ударяет в случайно ориентированные белки, вследствие чего на изображении остается их отпечаток. 2. Благодаря методам обработки нечеткой информации компьютер группирует получившиеся похожие друг на друга изображения в группы. 3. При помощи получившихся тысяч изображений компьютер составляет 2D-изображение с высоким разрешением. 4. Компьютер анализирует, как 2D-изображения соотносятся друг с другом в пространстве, и создает 3D-изображение с высоким разрешением.

Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Еще чуть раньше, в 1978 году, другой ученый, Жак Дюбоше, занялся решением третьей части этой проблемы электронного микроскопа. Как мы помним, 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.

Метод Дюбоше: 1. Металлическое сито, на которое попадает образец, отсеивает лишний материал. 2. Сито помещают в этан с температурой порядка –196°С, в результате чего образец образует тонкую пленку поперек отверстий в сите. 3. Вода превращается в стеклоподобное вещество и окружает образец, затем охлаждается благодаря жидкому азоту во время наблюдений под электронным микроскопом.

Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

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

Собственно говоря, именно необходимость получения структуры «живой» рибосомы «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 «смотрит» именно методами криоэлектронной микроскопии.

Метод стал настолько важен, что в мире проводится немало крупных конференций, посвященных именно методу CryoEM, как сокращенно называют его в англоязычной литературе. В 2017 году первая подобная конференция прошла в МГУ.

Решение Нобелевского комитета специально для сайт прокомментировал кандидат физико-математических наук, руководитель отделения молекулярной и радиационной биофизики Петербургского института ядерной физики имени Б.П. Константинова Андрей Коневега, научная группа которого в своей работе часто использует методы CryoEM:

«Криоэлектронная микроскопия совершила революцию в структурной биологии, поскольку именно этот метод позволяет делать визуализацию макромолекул с высоким разрешением, причем сейчас уже с таким разрешением, как рентгеновская кристаллография, но при этом без необходимости превращать белки в кристалл. То есть все биомолекулы во время исследования находятся в своем естественном состоянии. За последнее десятилетие в этом методе произошел качественный скачок в качестве получаемых структур, в разрешении. Это стало возможным благодаря технологическому прогрессу: новые микроскопы, новые камеры, новые методы обработки. Что важно, у биологов появились достаточно мощные вычислительные комплексы для того, чтобы обработка занимала дни, а не месяцы и не годы. Мы сами в России обладаем такими центрами обработки данных в НИЦ " " в Москве и в НИЦ "Курчатовский институт"-ПИЯФ в Гатчине, поэтому мы активно пользуемся ими для обработки своих данных».

О премии:

За 117 лет было вручено 109 премий по химии (как и в других дисциплинах, были годы, когда премия не присуждалась из-за войны или когда Нобелевский комитет не пришел к согласию). Самую первую премию в 1901 году получил Якоб Хендрик Вант-Гофф . За все время в Стокгольме были объявлены имена 178 лауреатов. Правда, премию получили всего 177 человек: Фредерик Зангер стал единственным человеком в истории, получившим награду дважды.

Средний возраст лауреатов премии (без учета премии 2017 года) - 58 лет. Самым молодым был Фредерик Жолио-Кюри, получивший премию в 1935 году в возрасте 35 лет, самым пожилым - Джон Фенн: нобелиату 2002 года было 85 лет. Кстати, премия не очень легко «поддается» женщинам: за 117 лет - всего четыре лауреата, причем половина из них из одной семьи . В 1911 году премию получила Мария Кюри , в 1935 - ее дочь Ирен. Еще половина - за ту самую рентгеновскую кристаллографию, с которой конкурирует криоэлектронная микроскопия. В 1964 году премией наградили Дороти Кроуфут Ходжкин за рентгеноструктурный анализ биомолекул, а в 2009 году лауреатом стала Ада Йонат, применившая эту методику для установления структуры рибосомы.

Нобелевскую премию по химии 2017 года присудили за разработку криоэлектронной микроскопии - метода изучения материи с помощью сверхбыстрого замораживания. Награду в 9 млн шведских крон разделят швейцарец Жак Дюбоше, американец Йоахим Франк и британец Ричард Хендерсон. Их разработка позволяет определять структуру белковых комплексов, сложных рецепторов и других соединений, которые невозможно изучать методом кристаллографии и спектроскопии, говорят эксперты.

Швейцарец Жак Дюбоше, американец Йоахим Франк и британец Ричард Хендерсон получат Нобелевскую премию по химии за разработку технологии криоэлектронного микроскопа для определения структуры высокомолекулярных биомолекул в растворе. Подобный микроскоп, говорится в коммюнике Нобелевского комитета , позволяет рассмотреть объекты после их быстрой заморозки, благодаря которой сохраняется естественная форма атомов в молекуле.

Ранее через электронные микроскопы изучали только неорганические соединения и неживую материю, так как мощные электронные лучи этого устройства разрушают биологический материал. В 1990 году Ричарду Хендерсону удалось применить микроскоп для создания 3D-изображения белка на атомном уровне. Йоахим Франк разработал эту технологию более тщательно: с 1975 по 1986 год он работал над тем, чтобы сделать изображение атомов более четким. Наконец, Жак Дюбоше смог найти применение воде в электронной микроскопии. Он использовал технологию «остекления»: быстро охлаждал воду вокруг биологического образца, позволяя молекулам сохранять свою естественную форму. Открытый нынешними лауреатами метод позволяет определять структуру белковых соединений.

«Этот метод сейчас находится на острие науки»,- заявил заведующий лабораторией электронной микроскопии Курчатовского института Александр Васильев. Научный сотрудник Института биоорганической химии РАН Алексей Пахомов пояснил, что благодаря открытому нобелевскими лауреатами методу ученые могут работать с белковыми комплексами, сложными рецепторами, мультибелковыми соединениями и другими материалами, которые невозможно изучать методом кристаллографии и спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). «Это очень мощный метод, который позволяет получить структуру отдельных молекул с очень высоким разрешением, причем в их естественном состоянии, а не в кристалле,- пояснил телеканалу "Россия 24" господин Пахомов.- За ЯМР премию уже дали , криомикроскопия отмечена совершенно справедливо».

Заведующий отделом электронной микроскопии НИИ физико-химической биологии МГУ Игорь Киреев также говорит, что с помощью данного метода можно исследовать биологические структуры «в состоянии, близком к прижизненному». Технология сверхбыстрого замораживания, по его словам, оставляет образцы «в водной среде, как будто бы они внутри клетки». «В то же время они становятся твердыми, что позволяет, если речь идет о тканях или клетках, изготовить срезы для электронного микроскопа»,- пояснил господин Киреев. По словам ученого, подобная технология позволяет изучать образцы в высоком разрешении вплоть до отдельных атомов в молекулах. «Можно поймать какие-то реакции, которые происходят с белками»,- добавил господин Васильев. Игорь Киреев считает, что в России есть лишь несколько подобных новейших микроскопов, например в Курчатовском институте, так как это оборудование «весьма дорогостоящее».

Старший научный сотрудник Института биоорганической химии РАН Константин Минеев отметил, что в области науки, которая занимается белками, «это абсолютно заслуженная награда». «Белки - это то, что выполняет основную работу у нас в организме, они работают, как маленькие машины,- говорит ученый.- Если мы понимаем, как они работают, знаем их структуру, мы можем их менять, останавливать, и, соответственно, искать лекарства, моделируя и анализируя данные. Тогда мы можем подобрать лекарство не случайным образом и методом "тыка". Этот подход называется рациональным дизайном лекарств».

«Это как будто бы обычный электронный микроскоп, но с очень высоким разрешением и дополненный алгоритмами компьютерной обработки изображений: изображения больших молекулярных комплексов накапливаются в количестве нескольких сотен тысяч с разных ракурсов, что позволяет сделать 3D-реконструкцию такого высокого качества, что удается вписать туда даже отдельные атомы,- пояснил “Ъ”, как ученые используют криоэлектронную микроскопию, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института биоорганической химии РАН Антон Чугунов.- Сам метод не дает такого высокого разрешения, но его применение совместно с компьютерными алгоритмами это позволяет». Он отметил, что около пяти лет назад этот метод не пользовался популярностью, так как получаемое разрешение было достаточно низким, а данные было трудно использовать в работе: они не подходили для компьютерного моделирования и драг-дизайна (создания лекарств): «Но в последние пять лет произошел очень большой рывок, разрешение было улучшено».

До криоэлектронной микроскопии основным лидером для структурных исследования в биологии был рентгеноструктурный анализ, еще одним методом исследования веществ на молекулярном уровне является ядерно-магнитно резонанс. «Но у каждого из них есть свои минусы,- объясняет ученый.- ЯМР не берет большие комплексы молекул, рентгеновская кристаллография требует кристаллизации молекул, а чем молекула больше, тем это сложнее.

И вот тут вот пришла криомикроскопия, которая как раз очень хорошо работает на больших комплексах - это несколько, 5-10, больших белков, они сложно соединены, у них сложная пространственная форма, что являлось ограничивающим фактором для всех остальных методов».

При этом господин Чугунов отметил, что криоэлектронную микроскопию сложно использовать для малых комплексов молекул: «Поэтому теперь эти методы работают вместе, и это очень удачно». Эксперт отметил, что криоэлектронная микроскопия широко используется в мире, однако в России «это пока не особо распространенный метод».

Один из лауреатов, Йоахим Франк, заявил, что потрясен присуждением награды. При этом он отметил, что метод криоэлектронной микроскопии найдет практическое применение лишь со временем. «Всегда требуется время на то, чтобы увидеть прямые практические возможности»,- сказал господин Франк.

Премия по химии присуждалась сегодня в 109-й раз. В нынешнем году Нобелевский фонд впервые с 2001 года увеличил размер выплат лауреатам премии с 8 млн до 9 млн шведских крон ($1,12 млн). Напомним, в 2016 году награду по химии присудили Жан-Пьеру Саважу, Фрезеру Стоддарту и Бернарду Феринге за разработку «молекулярных машин» - микроскопических устройств, занимающихся перемещениями молекул или их комплексов. Эти устройства планируется использовать в различных сенсорах в медицине.

5 октября объявят нобелевских лауреатов по литературе, 6 октября будет присуждена Нобелевская премия мира. 9 октября назовут лауреата премии Шведского национального банка по экономическим наукам памяти Альфреда Нобеля (неофициально называемой «Нобелевской премией по экономике»).

Александр Воронов, Валерия Мишина

Нобелевская премия по химии за 2017 год присуждена Жаку Дюбуше (Jacques Dubochet), Иохиму Франку (Joachim Frank) и Ричарду Хендерсону (Richard Henderson) за разработку метода криоэлектронной микроскопии, которая позволила рассмотреть в подробностях - с очень высоким разрешением - молекулы живых организмов.

Жак Дюбуш - швейцарец, трудится в Университете Лозанны (University of Lausanne, Switzerland), Иохим Франк - американец из Колумбийского университета (Columbia University, New York, USA), Ричард Хендерсон - британский ученый из Кембриджа (MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, UK).

В подчеркнуто, что исследования лауреатов, продолжавшиеся в 70-е - 90-е годы прошлого века, обеспечили революционный прорыв в биологии, поскольку позволили впервые взглянуть на то, что прежде было совсем невидимым - на отдельные биологические молекулы и даже на составляющие их атомы.

По сути ученые модернизировали электронную микроскопию. Прежде в электронный микроскоп наблюдали неживую материю. Лауреаты приспособили его к наблюдению за объектами живой природы. Научились замораживать их в водяном растворе так, что биомолекулы сохраняли свою форму, свойства и при этом «закреплялись» в удобном для наблюдения за ними виде.

В итоге, с помощью электронного микроскопа стало возможным получать трехмерные изображения рассматриваемых живых объектов. К 2013 году разрешение метода стало феноменальным. Появились изображения всевозможных молекулярных белков - например, тех, благодаря которым у бактерий появляется устойчивость к антибиотикам. Удалось «сфотографировать» даже вирусы - например, вирус Зика . Что сулит ближайшую победу над ним.

Исследователи, проникшие в микромир, отмечают: подробная картинка некого объекта - это кратчайший путь к пониманию его сути. То есть, к познанию. Просто очевидно, что Шведская королевская академия наук, присуждающая Нобелевские премии, разделяет это мнение.

СПРАВКА КП

Нынешняя Нобелевская премия по химии - 109-я по счету. Среди лауреатов, которые были удостоены этой - самой почетной в мире научной награды начиная с 1901 года, - 4 женщины.

Британский ученый Фредерик Сэндгер, включенный в список «100 гениев современности», получил Нобелевскую премию по химии дважды - в 1958 году и в 1980 году. Первый раз - за определение точной последовательности аминокислот в молекуле инсулина. Второй - за разработку метода расшифровки первичной структуры ДНК .

В прошлом году премия ушла ученым из Франции, США и Голландии. Француз Жан-Пьер Саваж (Jean-Pierre Sauvage), американец сэр Джеймс Фрезер Стоддарт (Fraser Stoddart) и голландец Бернард Лукас Феринга (Bernard L. Feringa) были награждены «за разработку и синтез молекулярных машин». Луреаты фактически заложили материальную основу нанотехнологии.