Вісник НАН України. 2018. № 6. С.75-85
https://doi.org/10.15407/visn2018.06.075
ГОЛЬЦЕВ Анатолій Миколайович —
академік НАН України, доктор медичних наук, професор, директор Інституту проблем кріобіології і кріомедицини НАН України
Кріобіологічний постамент Нобелівської премії з хімії 2017 р.
У статті обговорено основні результати досліджень лауреатів Нобелівської премії з хімії 2017 р. Жака Дюбоше (Jacques Dubochet), Йоахіма Франка (Joachim Frank) і Річарда Гендерсона (Richard Henderson). Представлено історичну ретроспективу розвитку досліджень з кріоелектронної мікроскопії. Обґрунтовано важливість цього відкриття для сучасної науки. Окреслено основні переваги використання кріоелектронної мікроскопії з високою роздільною здатністю для визначення структури біомолекул у розчині. Розглянуто практичне значення цього методу досліджень для медицини і біотехнології, насамперед у галузі створення нових лікарських препаратів, а також ідентифікації нових хвороб.
Ключові слова: Нобелівська премія з хімії, кріоелектронна мікроскопія, зображення, структура біомолекул, нові лікарські препарати.
Величезного успіху в отриманні точного зображення біомолекул (від голкоподібних структур, якими бактерії атакують клітину, до структури вірусу Зіка) досягли троє вчених, які у 2017 р. стали лауреатами Нобелівської премії в галузі хімії. Найпрестижніша наукова нагорода дісталася Жаку Дюбоше (Jacques Dubochet) з Лозаннського університету (Швейцарія), Йоахіму Франку (Joachim Frank) з Колумбійського університету (США) та Річарду Гендерсону (Richard Henderson) з Лабораторії медичних досліджень молекулярної біології у Кембриджі (Велика Британія). Кожен із них зробив істотний внесок у розвиток потужного методу, за допомогою якого можна отримувати зображення біологічних молекул з точністю до атомних розмірів. І хоча їхні дослідження Нобелівський комітет відніс безпосередньо до галузі хімічних наук з формулюванням «за розроблення кріоелектронної мікроскопії для визначення структури біомолекул з високою роздільною здатністю в розчині», ці результати значною мірою сприяли розвитку одного з найважливіших розділів біологічної науки — структурної біології.
Безсумнівно, зображення — ключ до розуміння будь-якого з процесів, що відбуваються навколо. Наукові відкриття часто залежать від того, наскільки успішною є візуалізація об’єктів. Людське око дає можливість сприймати навколишній світ у «макроформі». Мікроскоп, сконструйований близько 300 років тому голландським натуралістом Левенгуком, дозволив ученим зазирнути в мікросвіт різних форм живої матерії і розгледіти структури, які не можна було побачити раніше неозброєним оком. Проте отримання зображення того чи іншого об’єкта за допомогою мікроскопа часто потребує використання барвників або фіксаторів. Крім того, слід враховувати, що в разі малих розмірів біологічних структур для проведення їх досліджень неможливо використовувати оптичні мікроскопи, оскільки їх роздільна здатність обмежена довжиною світлових хвиль.
Для вивчення зразків у твердому (жорсткому) стані застосовують такий метод візуалізації, як рентгенівська кристалографія. Однак цей метод не дає достатньої інформації щодо динаміки процесів, які відбуваються, наприклад, у білках чи ферментах. Альтернативною методикою отримання зображення об’єкта в мікроскопії є просвічування його пучком електронів — техніка, відома як трансмісійна електронна мікроскопія (TEM). Проте ТЕМ-мікроскопія придатна для дослідження об’єктів тільки неживої матерії. Це пов’язано з тим, що аналіз проводиться з використанням потужного електронного пучка, який руйнує тонкі біологічні структури. До того ж процедура електронно-мікроскопічних досліджень виконується в умовах вакууму, що потребує застосування певних способів фіксації біологічних об’єктів (хімічної або кріофіксації) та методів попередньої підготовки зразків.
Отже, перелічені вище методи у переважній більшості випадків не дозволяють інформативно візуалізувати молекулярні механізми, які відбуваються в природних біологічних об’єктах [1–5].