Redakcja: Za co w 2017 r. przyznano chemiczną Nagrodę Nobla?

dr Krzysztof Sozański: Nagroda Nobla z chemii w 2017 r. została przyznana za zastosowanie kriomikroskopii elektronowej do badania biomolekuł. Nie brzmi to zbyt przystępnie ani użytecznie dla przeciętnego zjadacza chleba, ale Nagroda Nobla z założenia, zgodnie z testamentem Alfreda Nobla przyznawana jest „for the greatest benefit of the mankind”, czyli za największe korzyści dla ludzkości. Mikroskopia elektronowa powinna więc nieść jakieś korzyści dla nas wszystkich. Spróbuję stopniowo wytłumaczyć jakie.

Każdy z nas żyje, działa i funkcjonuje w znacznej mierze dzięki białkom, czyli molekularnym maszynom. Mamy ich około 20 000 różnego rodzaju i każde z nich jest nam prawdopodobnie do czegoś niezbędne. Funkcji znacznej części z nich jeszcze nie znamy. Trudno jest nam je poznać i powiedzieć, co dane białko robi, dlaczego może to mieć znaczenie w konkretnych chorobach i czemu może nam się ono do czegoś przydać od strony naukowej? Problem polega na tym, że nie potrafimy dokładnie określić, jaką wszystkie białka mają strukturę, czyli jak te cząsteczki wyglądają i jak dokładnie są w nich poukładane atomy? To bardzo trudne, ponieważ białko z naszej ludzkiej makroperspektywy jest bardzo małe i znajduje się daleko poza zasięgiem technik, takich jak zwykła mikroskopia optyczna. Z kolei z perspektywy cząsteczek i świata pojedynczych atomów, białka są bardzo duże, tzn. wymykają się podstawowym i dobrze nam znanym technikom służącym do badania struktury cząstek. Znajdują się w takim punkcie „pomiędzy”, do którego jeszcze do niedawna mieliśmy bardzo utrudniony dostęp.

Właściwie jedyną główną podstawową metodą na badanie struktury tego typu obiektów i na stwierdzanie, jak one działają była krystalografia. Jak sama nazwa wskazuje, wymagała ona stworzenia kryształów z tych cząstek, co w niektórych wypadkach jest ekstremalnie trudne, bo tego typu cząsteczki po prostu nie chcą układać się w periodyczne struktury, które potem dałoby się dość łatwo przeanalizować. Po drugie, w momencie kiedy to robią, istnieje spore prawdopodobieństwo, że zmienią swoją strukturę. Zabierzemy z ich otoczenia wodę, w której z reguły funkcjonują, będącą ich naturalnym środowiskiem i w ten sposób zapewne zaburzymy ich strukturę, przez co znowu nie będziemy wiedzieć, jak one wyglądają w swoim naturalnym otoczeniu.

Zeszłoroczna Nagroda Nobla została przyznana właśnie za „otwarcie okna” na ten zakres rozmiarów cząstek, który do tej pory był w znacznej mierze nieuchwytny. To okno to mikroskopia elektronowa. Sam pomysł jest dość zbliżony do standardowej mikroskopii, tyle tylko, że zamiast używać światła, tak jak w aparacie fotograficznym, w kamerze czy zwykłym mikroskopie, używamy wiązki elektronów. Zasady optyki elektronów w dużym stopniu przypominają zasady optyki dla światła, możemy więc skonstruować sobie taki mikroskop.

Idea polega na tym, by świecić wiązką elektronów na próbkę, ta wiązka oddziałuje z nią w jakiś sposób, jest pochłaniana albo odbijana, my to rejestrujemy i konstruujemy obraz. Sam pomysł ma już nieomal 100 lat, są to prace z lat 20., 30., a jednak dopiero bardzo niedawno udało się zastosować go do badania pojedynczych biocząstek. Dlaczego? Otóż było kilka bardzo poważnych problemów. Pierwszy z nich polega na tym, że cząstki biologiczne czy materiał biologiczny, daje bardzo słaby kontrast w tego typu eksperymentach, ponieważ to są cząstki miękkie, słabo przewodzące prąd i ogólnie nie bardzo nadające się do obrazowania takimi metodami. W ich przypadku wypada to dużo gorzej niż choćby w przypadku metali i nanocząstek nieorganicznych. Poza tym musimy je jakoś unieruchomić. Jeśli unieruchomimy je na przykład w formie kryształu, tracimy informację o tym jak wyglądają w swoim naturalnym środowisku. Poza tym mikroskopia elektronowa wymaga działania w próżni, więc nie możemy mieć tych cząstek po prostu w roztworze, w wodzie. Nie możemy wsadzić ich do mikroskopu, ponieważ woda zacznie nam do tej próżni parować i nie dość, że zepsujemy swoją próbkę, to zepsujemy jeszcze sam mikroskop. Takie cząstki są wyjątkowo delikatne i jeśli będziemy ładować w nie całe mnóstwo energii w postaci elektronów to bardzo szybko je zniszczymy.

Co więc można było zrobić? Pierwszym krokiem i przełomem technicznym stało się dokonanie Jacquesa Dubocheta, pierwszego z laureatów zeszłorocznej nagrody, dotyczące tzw. witryfikacji wody, czyli zeszklenia. Wykazał on, że jeżeli bardzo szybko schłodzimy próbkę zawierającą nasze cząstki do bardzo niskiej temperatury, to woda znajdująca się dookoła tych cząstek, czy roztwór w całości, nie zdąży zamienić się w lód. Nie zdąży ustawić tej równej krystalicznej struktury, która jest w lodzie, w związku z tym nie zdąży też zepsuć struktury samego białka. Ta bardzo niska temperatura to około -180/-200 °C. Nie było takie oczywiste, żeby stworzyć sprzęt, metodologię działania i aby w ogóle dojść do tego, że woda może tworzyć stan bliższy kształtem szkła, niż lodu albo kryształków. Co ciekawe, niedawno zostało dowiedzione, że prawdopodobnie większość wody we wszechświecie, znajduje się właśnie w szklistym stanie, a nie w znanym nam dobrze stanie lodu, cieczy czy pary.

Oglądaj całość