Piotr GERLACH: Widząc niewidoczne. Nagroda Nobla 2017. Chemia

Widząc niewidoczne.
Nagroda Nobla 2017. Chemia

Photo of Piotr GERLACH

Piotr GERLACH

Kierownik grupy badawczej w instytucie IMol Polskiej Akademii Nauk,
badającej molekularne mechanizmy wirusów RNA podczas infekcji. Po studiach na Wydziale Biologii Uniwersytetu Warszawskiego zrobił doktorat w EMBL Grenoble we Francji, a następnie odbył staż podoktorski w monachijskim Instytucie Biochemii Maxa Plancka. Poza pracą naukową interesuje się polityką i historią, uzupełniając luki w szkolnej wiedzy.

zobacz inne teksty Autora

Królewska Szwedzka Akademia Nauk dostrzegła zachodzącą na naszych oczach rewolucję w biologii strukturalnej – pisze Piotr GERLACH

.Laureatami Nagrody Nobla 2017 w dziedzinie chemii zostali Jacques Dubochet (Uniwersytet w Lozannie, Szwajcaria), Joachim Frank (Uniwersytet Columbia w Nowym Jorku, USA) i Richard Henderson (MRC LMB Cambridge, Wielka Brytania) za ich wkład w rozwój mikroskopii krioelektronowej — techniki pozwalającej w skali atomowej spoglądać na pojedyncze cząsteczki biologiczne, utrwalone jak w filmowym kadrze, w zamarzniętej kropli wody.

Klasyczny biochemik bada rolę molekuł, z których zbudowane są nasze organizmy (białka, kwasy nukleinowe RNA i DNA, etc.), żmudnymi metodami eksperymentalnymi. Testuje szczegóły ich enzymatycznego działania lub skrupulatnie sprawdza, jak oddziałują one ze swoimi partnerami, regulując funkcjonowanie tychże lub tworząc większe molekularne „maszyny”, pełniące istotne dla komórki funkcje. Wyniki takich eksperymentów w sposób pośredni pozwalają biochemikowi „patrzeć” na badaną molekułę.

Biolog czy też biochemik strukturalny z kolei stawia sobie za cel dosłownie zobaczenie obiektu badań. Abstrahując od olbrzymiego naukowego znaczenia, jakie takie spojrzenie ze sobą niesie, zarówno dla badań podstawowych w ogóle, jak i często dla zastosowań aplikacyjnych (możliwość projektowania leków), czymś niesamowicie wynagradzającym dla badacza jest świadomość, że dzięki swojej pracy jest oto pierwszym człowiekiem w historii spoglądającym na daną biologiczną cząsteczkę.

Tradycyjną i mającą olbrzymie zasługi dla biologii strukturalnej metodą jest krystalografia rentgenowska. Obecnie publicznie dostępna internetowa baza PDB zawiera 120 tysięcy struktur uzyskanych tą metodą. Krystalografowie mawiają, że jeśli chcesz zobaczyć interesujący cię molekularny obiekt, po prostu włącz światło (w tym przypadku promienie rentgenowskie). Metoda ta obarczona jest jednak sporymi technicznymi trudnościami. Przede wszystkim wymaga zmuszenia badanego białka do uformowania się w regularne kryształy, co nie zawsze jest możliwe, a prawie za każdym razem czasochłonne i niełatwe.

Rewolucja technologiczna, jaka dokonuje się w mikroskopii krioelektronowej, pozwoliła ostatnimi laty wysunąć się tej metodzie na prowadzenie w strukturalnym wyścigu.

W telegraficznym skrócie — pozwala ona patrzeć przez mikroskop na pojedyncze cząsteczki w ich molekularnym tańcu w roztworze wodnym. Z tym że współczesny transmisyjny mikroskop krioelektronowy przypomina raczej szczelnie zamkniętą, pancerną szafę, we wnętrzu której wszystko dzieje się w próżni, w temperaturze ciekłego azotu (–196°C). Z jej szczytu specjalne działo wystrzeliwuje w dół wiązkę elektronów, odgrywającą w mikroskopie elektronowym rolę „światła”. Ma to fundamentalne znaczenie, gdyż w odróżnieniu od światła widzialnego, stosowanego w klasycznych mikroskopach, elektrony charakteryzują się znacznie mniejszą długością fali, dzięki czemu parametr ten przestaje stanowić fizyczny limit stosowanej metody. Innymi słowy, obiekty zbyt małe, by mogły zostać dostrzeżone w mikroskopie optycznym, stają się widzialne w mikroskopie elektronowym. W rolę soczewek wcielają się elektromagnesy, odpowiednio konfigurujące wiązkę elektronów i skupiające ją na analizowanej próbce. Materiał biologiczny bardzo źle znosi bombardowanie wysokoenergetycznymi elektronami. Z drugiej strony ich energia nie może być zbyt mała, gdyż niemożliwe byłoby odróżnienie obrazu badanego obiektu od otaczającego go tła. Znaczący krok milowy stanowią tu bardzo czułe kamery czy też detektory elektronów najnowszej generacji. To one odpowiadają za ostateczny zapis uzyskiwanego obrazu, poddawanego następnie złożonej komputerowej obróbce i analizie.

Elektrony wymagają próżni, ta jednak ma zabójczy wpływ na materiał biologiczny, powodując wyparowanie zeń wody, co w efekcie skutkuje zniszczeniem jego struktury. Żeby zniwelować trudne warunki, jakim materiał jest poddawany, zachowując jednocześnie wszystkie jego cechy, konieczne okazało się jego zamrażanie. Niestety, powstające wówczas kryształy lodu są równie szkodliwe dla tak delikatnych obiektów, jak białka czy kwasy nukleinowe, i dodatkowo rozpraszają w sposób niechciany elektrony.

Tu zbawienna okazała się technika opracowana przez pierwszego z noblistów. Jacques Dubochet zaproponował, aby trudności przy zamrażaniu próbki uciąć gilotyną. Doprowadził do perfekcji błyskawiczne zanurzanie kropli badanego roztworu, nałożonej uprzednio na milimetrowej wielkości okrągłe, metalowe sitko, w ciekłym etanie chłodzonym ciekłym azotem. Woda zawarta w materiale biologicznym i dookoła niego zamarza wówczas tak szybko, że kryształki lodu nie zdążą wyrosnąć. W swej szklistości woda taka przypomina okienną szybę i nie utrudnia już spoglądania na wskroś.

Inaczej niż w uporządkowanym krysztale molekuły uwiecznione na pojedynczej, dwuwymiarowej „fotografii” mikroskopowej leżą rozrzucone chaotycznie; choć wszystkie są takie same, mogą być oglądane z różnych stron.

Długo nierozwiązywalną trudnością była kwestia opracowania takiej analizy uzyskanych dwuwymiarowych obrazów, która w sposób pewny prowadziłaby do odtworzenia rzeczywistego trójwymiarowego modelu badanej molekuły. To trochę tak, jak gdyby nie widząc nigdy i nie wiedząc, jak wygląda słoń, starać się zbudować jego wierny, trójwymiarowy model, posiłkując się wieloma zdjęciami zrobionymi z jego każdej możliwej strony.

Ważną rolę w rozwiązaniu tej trójwymiarowej zagwozdki odegrał kolejny z noblistów — Joachim Frank. Wypracowana przezeń strategia w pierwszym kroku grupuje wszystkie początkowe obrazy w klasy reprezentujące podobny kształt molekuły, czyli ukazujące tę samą jej stronę. Obrazy te są bardzo nieostre, a wzory i kształty na nich zawarte są niewidoczne gołym okiem. Wyostrzają się za to na skutek zsumowania i uśrednienia, co umożliwia korekty i dokooptowywanie do tak powstałych podgrup większej liczby obrazów początkowych. Gdy powstałych dwuwymiarowych modeli nie sposób już ulepszyć, w następnym kroku składa się je w całość jak trójwymiarowe puzzle.

Trzeci z noblistów — Richard Henderson — spędził blisko 20 lat, pracując nad uzyskaniem trójwymiarowej struktury bakteriorodopsyny, małego białka fotosyntetyzujących halobakterii. Przedzierając się przez wszystkie opisane wyżej trudności niedoskonałej natenczas mikroskopii elektronowej, udało mu się w roku 1975 uzyskać wstępny trójwymiarowy model, uwidaczniający, jak poszczególne fragmenty białka są osadzone w błonie jednokomórkowca. Po piętnastu latach, stopniowo implementując usprawnienia technologiczne opracowywane równolegle między innymi przez współlaureatów nagrody, ulepszył rozdzielczość modelu badanego białka. W roku 1990 mógł już dokładnie wskazać pozycję każdego z atomów, budujących bakteriorodopsynę.

Zapoczątkowało to szersze wykorzystanie przez biologów strukturalnych mikroskopii krioelektronowej — techniki, która rewolucyjnego impetu nabrała na przestrzeni ostatniego dziesięciolecia, ukazując oczom badaczy strukturę, a dzięki niej dynamizm i funkcjonowanie wielu wcześniej niewidocznych molekularnych obiektów biologicznych. W elitarnych czasopismach „Cell”, „Nature” i „Science” niemalże co tydzień publikowane są kolejne struktury wielkich kompleksów białkowych. Liczba takich struktur, deponowanych rocznie w publicznej internetowej bazie EMDB aktualnie wynosi ponad 500 i stale rośnie. Łącznie zdeponowanych jest obecnie już ponad 5200 struktur.

.Młodsza krewna krystalografii rentgenowskiej — mikroskopia krioelektronowa — całkiem poważnie staje z nią w szranki o prymat w biologii strukturalnej. Nie będzie ekstrawagancją założyć, że nie za lat kilkadziesiąt, ale za raptem lat kilka możliwe stanie się to, co jeszcze niedawno uchodziłoby za kompletnie nierealne — oglądanie filmów z wnętrza żywej komórki ze wszystkimi jej molekularnymi aktorami. I niejedna Nagroda Nobla zostanie w tej dziedzinie przyznana.

Piotr Gerlach

Materiał chroniony prawem autorskim. Dalsze rozpowszechnianie wyłącznie za zgodą wydawcy. 7 października 2017