ΒΡΑΒΕΙΟ ΝΟΜΠΕΛ ΧΗΜΕΙΑΣ 2017
ΣΟΥΗΔΙΚΗ ΒΑΣΙΛΙΚΗ ΑΚΑΔΗΜΙΑ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ:
Το βραβείο Νόμπελ Χημείας για το 2017 απονέμεται από κοινού
στους Jacques Dubochet , Joachim Frank και Richard Henderson
Για
“ανακάλυψη και ανάπτυξη της κρυο-ηλεκτρονικής μικροσκοπίας για τον προσδιορισμό υψηλής διακριτικής ικανότητας δομής βιολογικών μορίων σε διάλυμα”
(“for developing cryo-electron microscopy for the high-resolution structure determination of biomolecules in solution“)
Jacques Dubochet
(Πανεπιστήμιο Λωζάννης, Ελβετίας ), το 1/3 του βραβείου, [περισσότερα].
Joachim Frank
(Πανεπιστήμιο Columbia University, Nέα Υόρκη, ΗΠΑ), το 1/3 του βραβείου, [περισσότερα].
Richard Henderson
(Medical Research Centre, MRC, Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας, Kαίμπριτζ, Ηνωμένο Βασίλειο (United Kingdom), το 1/3 του βραβείου, [περισσότερα].
Σύντομη περιγραφή
Όπως στη ζωή έτσι και στην επιστήμη η εικόνα είναι το κλειδί για την κατανόηση φυσικών φαινομένων. Στην πλειονότητά τους τα βιολογικά μόρια είναι εξαιρετικά μικρά σε μέγεθος για να παρατηρηθούν ακόμη και με ισχυρά ηλεκτρονικά μικροσκόπια. Η κρυο-ηλεκτρονική μικροσκοπία προκάλεσε δραματική αλλαγή στην ικανότητα μελέτης από τουςεπιστήμονες της εικόνας βιολογικών μορίων, ινών κ.λπ. με υψηλή διακριτική ικανότητα μετά από απότομο «πάγωμα» σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Οι επιστήμονες παγώνουν βιομόρια κατά τη διάρκεια της κίνησής τους και η εικόνα με την κρυο-ηλεκτρονική μικροσκοπία καθίσταται εξαιρετικά υψηλής ευκρίνειας.
Η κρυο-ηλεκτρονική μικροσκοπία είναι μια τεχνική όπου τα δεδομένα του αντικειμένου που εξετάζεται προβάλλονται σε πλήθος προβολών δύο διαστάσεων (2D) με διαφορετικό προσανατολισμό, και συνδυάζονται για να σχηματίσουν το τριδιάσταο μοντέλο (3D) του βιομορίου. Η προβολή του τριδιάστατου μοντέλου είναι το αποτέλεσμα διαδικασίαςπολύπλοκων μαθηματικών υπολογισμών, η οποία βασίζεται στο κεντρικό θεώρημα προβολών μετασχηματισμού Fourier.
Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο θεωρούνταν το μόνο ικανό να απεικονίσει μικροσκοπική ύλη και μόρια, αλλά η ισχυρή ηλεκτρονιακή δέσμη κατέστρεφε τα βιολογικά μόρια. Το 1990 ο Richard Henderson με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο κατάφερε να απεικονίσει την τριδιάστατη δομή πρωτεΐνης με διακριτική ικανότητα σε επίπεδο ατόμου.
Ο Joachim Frank προώθησε την τεχνική για να γίνει πρακτικά εφαρμόσιμη. Μεταξύ 1975-1986 ανέπτυξε τη διεργασία τηςηλεκτρονικής μικροσκοπίας, ώστε η θολή εικόνα των δύο διαστάσεων να αναλυθεί και να παρουσιαστεί ως τριδιάστατη εικόνα εξαιρετικής διακριτικής ικανότητας.
Ο Jacques Dubochet πρόσθεσε νερό στην ηλεκτρονική μικροσκοπία. Το υγρό νερό εξατμίζεται στο υψηλό κενό του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου και καταστρέφει τα βιολογικά μόρια. Ωστόσο, στις αρχές του 1980 έψυξε το νερό με τέτοια ταχύτητα που στερεοποιήθηκε στην υγρή του μορφή γύρω από το βιολογικό μόριο, έτσι επέτρεψε τα βιομόρια να διατηρήσουν το φυσικό τους σχήμα ακόμη και στο κενό του μικροσκοπίου.
Η πρόοδος που επιτεύχθηκε τα τελευταία χρόνια και οι βελτιώσεις της τεχνικής έδωσαν το 2013 την αναμενόμενη υψηλή ατομική διακριτική ικανότητα και τώρα οι ερευνητές μπορούν να έχουν τριδιάστατη εικόνα βιολογικών μορίων. Οι εικόνες αυτές πλημμύρισαν τα επιστημονικά περιοδικά, από πρωτεΐνες που προκαλούν αντιβιοτική αντίσταση μέχρι την εικόνα του ιού Ζίκα
To Cryo-EM είναι ένα ΤΕΜ (transmission electron microscope) με ειδικό χώρο δείγματος, ο οποίος επιτρέπει την παρατήρηση του παγωμένου ένυδρου δείγματος και διατηρεί θερμοκρασίες υγρού αζώτου ή υγρού ηλίου.
Βιομόριο πρωτεΐνης. Εικόνα όπου δεν φαίνονται λεπτομέρειες της χημικής δομής πριν από το 2013 (αριστερά) και η υψηλή διακριτική ικανότητα έκανε φανερό το ακριβές σύμπλεγμα του βιομορίου (δεξιά).
Η δομή του ιού Zika δεν διευκρινίστηκε με κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ, αλλά με κρυοηλεκτρονική μικροσκοπία (cryo-EM), πολύ πιο εύκολα και με συγκρίσιμη διακρισιμότητα.
Επιμέλεια κειμένου
Θανάσης Βαλαβανίδης, Καθηγητής
5/10/2017