Холодный электронный взгляд

С начала XX века ученые пытались понять, как устроены «кирпичики» жизни — белки, ДНК и РНК — и пытались найти подходящие инструменты для их изучения. Такими инструментами стали рентгеновская кристаллография и ЯМР-спектроскопия: с их помощью получили множество моделей биологическим молекул для самых разных целей. Но у этих методов есть свои ограничения: к примеру, для кристаллографии, как видно из названия, нужны хорошо организованные кристаллы, которые далеко не всегда можно получить. В 60-х годах XX века люди начали пытаться смотреть на биологические объекты с помощью электронного микроскопа (это такой микроскоп, в котором вместо светового потока, как в обычном оптическом микроскопе, используется пучок электронов). Причем смотрели и в Москве: первые работы такого рода в Москве публиковал член-корреспондент АН СССР Николай Киселев. Но получалось не очень: электронный микроскоп не справлялся с «живой» материей. «Основная проблема в электронной микроскопии в чем? Чтобы электроны свободно летели в колонне электронного микроскопа, нужен вакуум. Без вакуума они далеко не улетят. В вакуум вы не можете поместить какой-то биологический объект без обработки, потому что он очень влажный, весь вакуум сразу же испортится», — объясняет профессор РАН, доцент кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова Ольга Соколова. По её словам, сначала образцы пытались красить тяжелыми металлами, но это давало очень низкое разрешение по сравнению с рентгеноструктурным анализом. Жак Дюбоше добавил в процесс воду: в конце 80-х годов он научился очень быстро её замораживать, чтобы она создавала вокруг образца пленку, и тот сохранял бы свою форму в вакууме. «Витрифицированный лед Дюбоше — это специальный лед, который не рассеивает электроны. Вы его не видите, вы видите только молекулы, которые заморожены в этом льду», — говорит Соколова. В 1990 году Ричард Хендерсон первым сумел получить с помощью электронного микроскопа трехмерное изображение белка родопсина в разрешении до отдельных атомов. Мембранные белки очень трудно кристаллизовать, поэтому криоэлектронная микроскопия — едва ли не единственный способ изучить их структуру. Этот метод справляется и с очень крупными белками, которые тоже плохо кристаллизуются. А Йоахим Франк занимался рибосомами. Рибосома, объясняет Соколова — это очень подвижная структура, «она собирается, туда приплывают тРНК (транспортные РНК), они перемещаются, в результате получается синтез белка. Это такая большая молекулярная машина». К сожалению для тех, кто хочет получить ее изображение, рибосома не имеет никакой симметрии — а чем больше степеней симметрии, тем меньше вам нужно нужно собрать отдельных изображений молекул. Франк разработал способ компьютерной обработки множества двумерных изображений для получения трехмерной структуры и в итоге создал модель поверхности рибосомы. Нобелевский комитет пишет, что метод криоэлектронной микроскопии «перевел биохимию в новую эру». С 2013 года, когда ученые сделали первые изображения ионного канала с атомным разрешением, «сфотографировать» успели все что угодно, от поверхности вируса Зика до белков, из-за которых возникает устойчивость к антибиотикам. Более того, метод криоэлектронной микроскопии уже засветился в других Нобелевских премиях. Тому Стайц, Венкатраман Рамакришнан и Ада Йонат в 2009 году получили награду за определение структур рибосомы — и они сделали это именно с помощью криоэлектронной микроскопии. Этим методом сегодня изучают и мембранный транспорт, за исследования которого премию по физиологии и медицине дали в 2013 году, и мембранные белки (награда 2003 года). «Это один из самых быстроразвивающихся методов, который позволяет много чего получить — структуры белков, вирусов, макромолекул. Этот метод сейчас находится на острие науки», — сказал «Чердаку» заведующий лабораторией электронной микроскопии НИЦ «Курчатовский институт» Александр Васильев. Соколова говорит, что в этот раз была уверена, что премию дадут именно этим трем людям. «Конечно, премию должны были бы дать и раньше», — говорит она. Дюбоше, Франк и Хендерсон создали основы метода, который развился в один из ключевых инструментов структурной биологии. «Этим методом можно изучать очень интересные вещи, которые невозможно изучать другими методами. В последние несколько лет он очень сильно рванул вперед», — говорит исследовательница. Заведующий отделом электронной микроскопии НИИ ФХБ имени А.Н. Белозерского МГУ Игорь Киреев в беседе с «Чердаком» посетовал, что в России популярный во всем мире метод криоэлектронной микроскопии пока не очень распространен: дело прежде всего в дорогостоящем оборудовании. «В стране, конечно, есть несколько таких приборов, например, в Курчатовском институте есть два прибора, которые могут это делать. Но этого недостаточно: в Европе и Америке каждый уважающий себя университет обзаводится таким оборудованием, а у нас несколько штук на всю страну», — говорит ученый. Интересно, что в июне нынешнего года в Москве прошла конференция по криоэлектронной микроскопии, организованная биофаком МГУ и НИИ ФХБ имени А. Н. Белозерского. «Мы хотели общество так настроить, чтобы все осознали, что нам нужны инвестиции в этом направлении. И вот очень удачно Нобелевскую премию присудили именно за это, это подтверждает правильность нашей стратегии», — радуется Киреев. Ольга Соколова согласна с коллегой. «У нас некоторое количество людей есть, которые этим занимаются, но их, к сожалению, очень мало. Конечно, было бы очень здорово, если бы мы имели такой микроскоп в МГУ, потому что МГУ все-таки на переднем крае российской науки. Я очень надеюсь, что Нобелевская премия нам в этом поможет», — говорит Соколова.