Нобелевская премия по химии в нынешнем году присуждена Жаку Дубоши, Иоакиму Франку и Ричарду Хендерсону «за разработку криоэлектронной микроскопии для определения структуры биомолекул с высоким разрешением в растворе». Что бы это значило?
Рассказывая о тех или иных открытиях и исследованиях, мы часто упускаем из виду те методы и приборы, с помощью которых ученые получают результаты. Инструментами науки и в XXI веке могут быть обычная линейка, лупа или калькулятор. Но ничто не стоит на месте, и сейчас с помощью ультрасовременных приборов можно увидеть и отдельные атомы и глубины космоса, которые удалены от нас на миллионы километров. Правда, пользоваться такими приборами намного сложнее, чем линейкой и лупой.
Криоэлектронная микроскопия сегодня — один из ведущих методов исследования в клеточной и молекулярной биологии. При работе на таком микроуровне, как внутреннее строение клетки, очень важно не повредить объект, сохранить его первоначальную структуру.
Классические методы электронной микроскопии требуют использования специальных веществ, фиксирующих агентов, которые сшивают между собой белки. В этом случае обеспечивается хорошая сохранность образца, однако такая обработка приводит к ряду артефактов, например, потери межклеточных пространств. В связи с этим возрастает популярность фиксации при помощи замораживания объекта. При обычных условиях заморозки вода формирует кристаллы льда, которые повреждают образец. Существует несколько подходов, позволяющих избежать кристаллизации. Первый подход — использование веществ, препятствующих замерзанию при низких температурах, например, сахарозы.
Второй подход — использование специальных условий: мгновенного охлаждения и повышенного давления. В таком случае образец может быть заморожен в так называемом «витрифицированном» состоянии в аморфном льду, когда кристаллическая решётка льда не успевает сформироваться и образец со всеми проходившими в нем процессами оказывается одномоментно зафиксирован. При крио-условиях из получившегося образца можно сделать срезы, можно заменить воду на органический растворитель. При этом максимально сохраняется как структура образца, так и его иммуногенность.
В случае, если необходимо исследовать отдельные белковые комплексы, фаги, вирусы и даже мелкие бактерии, можно заморозить их целиком на специальной сеточке, без необходимости изготовления срезов. Это может быть важно, например, в определении механизма проникновения вируса в клетку и зависимости конформации поверхностных белков от таких факторов, как pH.
Криосрезы позволяют на ультраструктурном уровне производить двойное и тройное мечение. Для того, чтобы охарактеризовать положение белка в клетке, можно одновременно пометить и сам белок, и те компартменты, между которыми он перемещается, например, в эндоплазматический ретикулюм или аппарат Гольджи. При комнатной температуре это сделать сложно из-за необходимости сильной химической фиксации материала, что уменьшает вероятность распознавания этих белков специфическим антителом. Сейчас такие исследования очень востребованы, о чем свидетельствует и присужденная в этом году Нобелевская премия по физиологии и медицине.
Понимание механизмов внутриклеточного транспорта необходимо для изучения любого процесса, происходящего в организме, представления как именно действуют те или иные лекарственные препараты и почему возникают заболевания, связанные с обменом веществ.
Почему криомикроскопические методы так важны для медиков и биологов? К примеру, есть такое тяжелое заболевание — муковисцидоз. В результате мутации белок, участвующий в транспорте ионов хлора через мембрану клетки, не выходит из эндоплазматического ретикулюма, что в итоге приводит к нарушению работы целого ряда органов. Есть и другие заболевания, в основе которых лежит нарушение внутриклеточного транспорта. Поэтому так важно владеть самыми передовыми методиками, позволяющими изучать все эти процессы.
По материалам nkj.ru