Создатель удобрений и химического оружия
Одним из самых спорных обладателей Нобелевской премии стал Фриц Габер (Fritz Haber). Премия по химии была присуждена ему в 1918 году за изобретение метода синтеза аммиака - открытие, имеющее решающее значение для производства удобрений. Однако он также известен и как "отец химического оружия" из-за работ в области применения отравляющего газа хлора, использовавшегося в ходе Первой мировой войны.
Смертельное открытие
Другой немецкий ученый, Отто Ган (Otto Han) - на фото в центре - был удостоен "нобелевки" в 1945 году за открытие расщепления атомного ядра. Несмотря на то, что он никогда не работал над военным применением этого открытия, оно напрямую привело к разработке ядерного оружия. Ган получил премию спустя несколько месяцев после того, как были сброшены ядерные бомбы на Хиросиму и Нагасаки.
От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты
Прорыв, оказавшийся под запретом
Швейцарский химик Пауль Мюллер получил премию по медицине в 1948 году за открытие того, что ДДТ может эффективно убивать насекомых, распространяющих такие болезни, как малярия. Использование пестицида спасло в свое время миллионы жизней. Однако позже экологи стали утверждать, что ДДТ представляет угрозу для здоровья человека и вредит природе. Сегодня его использование запрещено по всему миру.
От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты
Неудобная награда
Из-за своей явной и косвенной политической окраски премия мира, пожалуй, самая противоречивая из всех нобелевских наград. В 1935 году немецкий пацифист Карл фон Осецкий (Carl von Ossietzky) получил ее за разоблачение секретного перевооружения Германии. Сам Осецкий находился в тюрьме по обвинению в измене, и возмущенный Гитлер обвинил комитет во вмешательстве во внутренние дела Германии.
От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты
Премия (возможного) мира
Решение норвежского комитета присудить премию мира Госсекретарю США Генри Киссинджеру и лидеру Северного Вьетнама Ле Дык Тхо в 1973 году столкнулось с жесткой критикой. Нобелевская премия должна была стать символом признания заслуг в достижении прекращения огня в ходе вьетнамской войны, однако Ле Дык Тхо отказался от ее получения. Война во Вьетнаме продолжалась еще два года.
От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты
Либертарианец и диктатор
Защитник свободного рынка Милтон Фридман - один из самых спорных получателей Нобелевской премии мира по экономике. Решение комитета в 1976 году вызвало международные протесты из-за связей Фридмана с чилийским диктатором Аугусто Пиночетом. Годом ранее Фридман действительно посетил Чили, и критики утверждают, что его идеи вдохновили режим, где применялись пытки и были убиты тысячи людей.
От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты
Напрасные надежды
Премия мира, которую в 1994 году разделили палестинский лидер Ясир Арафат, премьер-министр Израиля Ицхак Рабин и израильский министр иностранных дел Шимон Перес, должна была послужить дополнительным стимулом для мирного урегулирования конфликта на Ближнем Востоке. Вместо этого дальнейшие переговоры провалились, а Рабин был убит израильским националистом год спустя.
От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты
Жуткие мемуары
Правозащитница Ригоберта Менчу, отстаивающая интересы народа майя, получила премию мира в 1992 году "за борьбу за социальную справедливость". Впоследствии это решение вызвало много споров, так как в ее мемуарах были якобы обнаружены фальсификации. Описанные ею зверства о геноциде коренных народов Гватемалы сделали ее знаменитой. Однако многие убеждены, что она в любом случае заслуживала награды.
От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты
Преждевременная награда
Когда премию мира в 2009 году присудили Бараку Обаме, удивлены были многие, включая и его самого. Находящийся к тому моменту менее года на посту президента, он получил премию за "огромные усилия по укреплению международной дипломатии". Критики и некоторые сторонники Обамы посчитали, что награда была преждевременной, и он получил ее еще до того, как у него появился шанс сделать реальные шаги.
От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты
Посмертная награда
В 2011 году Нобелевский комитет назвал лауреатами премии по медицине Жюля Хоффмана, Брюса Бётлера и Ральфа Стейнмана за их открытия в области изучения иммунной системы. Проблема была в том, что за несколько дней до этого Стейнман умер от рака. Согласно правилам, премия не вручается посмертно. Но комитет все же присудил ее Стейнману, обосновав тем, что о его смерти тогда было еще не известно.
От Фридмана до Обамы: самые неоднозначные нобелевские лауреаты
"Величайшее упущение"
Нобелевская премия вызывает споры не только из-за того, кому она была присуждена, но и потому, что кто-то ее так и не получил. В 2006 году член Нобелевского комитета Гейр Лундестад заявил, что "несомненно, величайшим упущением за всю нашу 106-летнюю историю стало то, что Махатма Ганди так никогда и не получил Нобелевскую премию мира".
Нобелевская премия по химии за 2017 год присуждена Жаку Дюбуше (Jacques Dubochet), Иохиму Франку (Joachim Frank) и Ричарду Хендерсону (Richard Henderson) за разработку метода криоэлектронной микроскопии, которая позволила рассмотреть в подробностях - с очень высоким разрешением - молекулы живых организмов.
Жак Дюбуш - швейцарец, трудится в Университете Лозанны (University of Lausanne, Switzerland), Иохим Франк - американец из Колумбийского университета (Columbia University, New York, USA), Ричард Хендерсон - британский ученый из Кембриджа (MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, UK).
В подчеркнуто, что исследования лауреатов, продолжавшиеся в 70-е - 90-е годы прошлого века, обеспечили революционный прорыв в биологии, поскольку позволили впервые взглянуть на то, что прежде было совсем невидимым - на отдельные биологические молекулы и даже на составляющие их атомы.
По сути ученые модернизировали электронную микроскопию. Прежде в электронный микроскоп наблюдали неживую материю. Лауреаты приспособили его к наблюдению за объектами живой природы. Научились замораживать их в водяном растворе так, что биомолекулы сохраняли свою форму, свойства и при этом «закреплялись» в удобном для наблюдения за ними виде.
В итоге, с помощью электронного микроскопа стало возможным получать трехмерные изображения рассматриваемых живых объектов. К 2013 году разрешение метода стало феноменальным. Появились изображения всевозможных молекулярных белков - например, тех, благодаря которым у бактерий появляется устойчивость к антибиотикам. Удалось «сфотографировать» даже вирусы - например, вирус Зика . Что сулит ближайшую победу над ним.
Исследователи, проникшие в микромир, отмечают: подробная картинка некого объекта - это кратчайший путь к пониманию его сути. То есть, к познанию. Просто очевидно, что Шведская королевская академия наук, присуждающая Нобелевские премии, разделяет это мнение.
СПРАВКА КП
Нынешняя Нобелевская премия по химии - 109-я по счету. Среди лауреатов, которые были удостоены этой - самой почетной в мире научной награды начиная с 1901 года, - 4 женщины.
Британский ученый Фредерик Сэндгер, включенный в список «100 гениев современности», получил Нобелевскую премию по химии дважды - в 1958 году и в 1980 году. Первый раз - за определение точной последовательности аминокислот в молекуле инсулина. Второй - за разработку метода расшифровки первичной структуры ДНК .
В прошлом году премия ушла ученым из Франции, США и Голландии. Француз Жан-Пьер Саваж (Jean-Pierre Sauvage), американец сэр Джеймс Фрезер Стоддарт (Fraser Stoddart) и голландец Бернард Лукас Феринга (Bernard L. Feringa) были награждены «за разработку и синтез молекулярных машин». Луреаты фактически заложили материальную основу нанотехнологии.
Нобелевская премия по химии в 2017 году была присуждена за развитие криоэлектронной микроскопии высокого разрешения для определения структур биомолекул в растворах. Лауреатами стали из Лозаннского университета, Иоахим Франк из Колумбийского университета и из Кембриджского университета.
Криоэлектронная микроскопия - это форма просвечивающей электронной микроскопии, в которой образец исследуется при криогенных температурах.
Метод популярен в структурной биологии, так как позволяет наблюдать за образцами, которые не были окрашены или каким-либо образом зафиксированы, показывая их в их родной среде.
При электронной криомикроскопии замедляется движение входящих в молекулу атомов, что позволяет получать очень четкие изображения ее структуры. Получаемые о строении молекул сведения чрезвычайно важны, в том числе, для более глубокого понимания химии и развития фармацевтики.
Многие прорывы в науке связаны с успешной визуализацией объектов, невидимых человеческому глазу. Оптическая микроскопия позволила доказать существование микроорганизмов, взглянуть на сперматозоиды и яйцеклетки, частично изучить клеточную структуру и даже разглядеть хромосомы. Преодолеть физические ограничения оптических телескопов позволила электронная микроскопия, где вместо светового потока использовался пучок электронов.
Однако и у нее были свои изъяны. Во-первых, мощный пучок электронов разрушал биологический материал. Во-вторых, чтобы разогнаться электронам необходим вакуум - соответственно, в вакууме должен был находиться и препарат.
Поэтому изучать с ее помощью «живые» образцы было невозможно.
Вклад Иоахима Франка способствовал широкому распространению метода. Еще в 1975-1986 годах он разработал метод обработки изображений, заключавшийся в анализе полученных с помощью электронного микроскопа двумерных изображений и построения на их основе трехмерных структур изучаемых объектов.
Жак Дюбоше предложил использовать для сохранения образцов быстро охлажденную воду. Охлаждение образцов как способ их сохранения рассматривалось учеными довольно давно. Однако при замерзании воды и образовании кристаллической решетки структура образцов разрушалась. А в жидком виде она испарялась в вакуумной камере электронного микроскопа, опять-таки приводя к разрушению изучаемых молекул.
Наконец, был найден способ обойти фазу кристаллизации и добиться того, чтобы вода переходила в стеклообразное состояние. Метод был назван витрификацией.
При витрификации вода оказалась способна предохранять молекулы от разрушения даже в вакууме.
Эти открытия дали мощный толчок развитию электронной микроскопии. В 2013 году ученые смогли рассмотреть даже отдельные атомы вещества.Такое высокое разрешение позволяет рассматривать рибосомы и митохондрии клеток, ионные каналы и ферментные комплексы.
В 2015 году журнал Nature Methods назвал одночастичную криоэлектронную микроскопию прорывным методом года.
Последние технические достижения в этой области позволили ученым отойти от метода рентгеновской кристаллографии, главный недостаток которой — необходимость кристаллизации белка, что может быть затруднительно для белков со сложной структурой. Научные журналы последних лет пестрят детальными изображениями поверхности вируса Зика и белков, вызывающих устойчивость к антибиотикам. В частности, удалось , как бактерии золотистого стафилококка противостоят действию антибиотиков и снимок структуры, с помощью которой коронавирусы проникают в клетки.
Несмотря на быстрый прогресс в этой области, стоимость оборудования и стандартизированные методы несколько замедляют повсеместное распространение технологии криоэлектронной микроскопии.
Среди претендентов на Нобелевскую премию по химии числился россиянин — ведущий научный сотрудник Института химической физики (ИХФ) им. Н. Н. Семенова , вместе с коллегами из США и он сделал весомый вклад в область углеродно-водородной функционализации — отрасли, разрабатывающей новые методы синтеза органических соединений. Также в списке возможных лауреатов значились датчанин Йенс Норсков за фундаментальные достижения в области гетерогенного катализа на твердых поверхностях и команда из химиков Тсутому Миясаки, Нам-Гю Парка и Генри Снейта за открытие минерала перовскита и разработки на его основе.
В 2016 году премия была Жан-Пьеру Соважу, Стоддарту и Бернарду Феринге за изобретение молекулярных машин.
На прошлой неделе было объявлено, что Нобелевскую премию по химии 2017 года получат швейцарец Жак Дюбоше, американец немецкого происхождения Йоахим Франк и шотландец Ричард Хендерсон за «разработку методов криоэлектронной микроскопии высокого разрешения для определения трехмерных структур биомолекул в растворе». Их работы позволили, начиная с 80-х годов прошлого века, опробовать и постепенно усовершенствовать этот вид микроскопии до такой степени, что в последние годы ученые могут рассматривать сложные биологические молекулы в мельчайших деталях. Нобелевский комитет отметил, что метод криоэлектронной микроскопии перевел биохимию в новую эру, позволяя заполнить множество пробелов в знаниях о молекулах жизни и живых системах.
Сразу отметим, что вряд ли можно называть криогенную электронную микроскопию принципиально новым и самодостаточным методом физического исследования вещества. Скорее, она является разновидностью просвечивающей электронной микроскопии (один из авторов этого метода, Эрнст Руска , получил Нобелевскую премию в 1986 году), которую специально адаптировали для изучения микробиологических объектов.
В просвечивающем электронном микроскопе через достаточно тонкий образец, чтобы он был прозрачным для электронов (обычно это десятые и сотые доли микрона), пропускают пучок электронов, которые, проходя через образец, поглощаются и рассеиваются, меняя направление движения. Эти изменения можно зарегистрировать (сейчас в качестве детектора чаще всего используется ПЗС-матрица , создатели которой, Уиллард Бойл и Джордж Смит , стали лауреатами ) и, после анализа, получить изображение исследуемого объекта в плоскости, перпендикулярной пучку. Поскольку собственная длина волны электронов (десятки пикометров при энергиях, характерных для электронных микроскопов) много меньше длин волн света в видимой области (сотни нанометров), с помощью электронной микроскопии можно «разглядеть» гораздо более тонкие детали, чем с помощью оптической микроскопии, в том числе и флуоресцентной микроскопии высокого разрешения (ФМВР), разработанной лауреатами Эриком Бетцигом , Штефаном Хеллем и Уильямом Мернером .
Предельная разрешающая способность электронных микроскопов - несколько ангстрем (десятые доли нанометра) - уже почти достигнута. Это позволяет получать изображения, на которых, например, различимы отдельные атомы. Для сравнения: предел возможностей ФМВР - 10–20 нм. Но просто так сравнивать разные методы по предельному разрешению довольно бессмысленно. Электронные микроскопы имеют высокое разрешение, но им не всегда можно воспользоваться. Дело в том, что образец, помимо измельчения при подготовке, во время самого исследования подвергается довольно серьезному облучению пучком электронов (грубо говоря, чем интенсивнее пучок, тем меньше ошибок и тем лучше получается результат), находясь при этом в вакууме (вакуум нужен, чтобы среда не рассеивала электроны вне образца, внося тем самым лишние искажения). Такие условия совершенно не подходят, если нужно изучать сложно устроенные биологические молекулы и объекты - они повреждаются в разреженной среде и в них много довольно слабых связей, которые просто будут разрушаться во время исследования.
Понимание того, что без дополнительных усовершенствований электронный микроскоп нельзя будет приспособить к изучению биомолекул и живых систем, появилось почти сразу после его изобретения. Об этом, например, писал спустя три года после демонстрации принципа работы электронного микроскопа Эрнстом Руской в 1931 году венгерский физик Ладислав Мартон (L. Marton, 1934. Electron Microscopy of Biological Objects). В той же статье Мартон предложил и пути решения этой проблемы. В частности, он же указал, что замораживание образцов может снизить ущерб от облучения пучком электронов. Важно отметить, что, хотя в статье Мартона это и не указано, замораживание образца помогает еще и тем, что снижает тепловое колебание молекул, что тоже способствует улучшению получаемого изображения.
В 1970–80-е годы наука и техника достигли достаточного уровня развития, чтобы преодолеть все трудности. И это произошло во многом благодаря усилиям лауреатов премии этого года.
Ричард Хендерсон был первым, кто получил при помощи просвечивающей электронной микроскопии (с охлаждением образца) изображение несимметричного белка с атомным разрешением. Свои исследования он начал еще в середине 70-х годов. Причем сперва Хендерсон пытался получить структуру нескольких белков из клеточной мембраны, используя метод рентгеноструктурного анализа , который уже тогда мог давать разрешение в несколько ангстрем. Однако быстро стало ясно, что этим способом хорошего результата не добиться: исследуемое вещество должно быть в кристаллической форме, а мембранные белки, извлеченные из своего окружения, либо плохо кристаллизуются, либо вообще теряют форму. Тогда он переключился на электронную микроскопию.
Был выбран конкретный белок - бактериородопсин - и было решено не извлекать его из мембраны, а исследовать прямо в ней. Ученые дополнительно покрывали образцы раствором глюкозы, чтобы защитить его от высыхания в вакууме. Это помогло решить проблему с сохранением структуры. Затем Хендерсон с коллегами столкнулись с уже описанной проблемой разрушения образцов под действием пучка электронов. Ее помогло решить сочетание нескольких факторов.
Во-первых, бактериородопсин располагается в мембране регулярно, поэтому аккуратный учет этой регулярности в сочетании со съемкой под разными углами сильно помогает при построении картинки. Это помогло снизить интенсивность пучка и сократить время экспозиции, но выиграть в качестве. Уже в 1975 году удалось получить изображение этого белка с разрешением 7 ангстрем (рис. 3, см. R. Henderson, P. N. T. Unwin, 1975. Three-dimensional model of purple membrane obtained by electron microscopy).
Во-вторых, у Хендерсона была возможность ездить по разным научным центрам и пробовать разные электронные микроскопы. Поскольку в те годы не было унификации, у разных микроскопов были свои достоинства и недостатки: разная степень вакуумирования камеры, разная степень охлаждения образца (это позволяет снизить ущерб от облучения электронами), разные энергии электронных пучков, разная чувствительность детекторов. Поэтому возможность исследования одного и того же объекта на разных микроскопах позволила сначала подобрать «наименее неблагоприятные» условия получения изображения, а потом постепенно их улучшать. Так Хендерсон накапливал данные и получал все более и более точную структуру бактериородопсина. В 1990 году вышла его статья, в которой была представлена модель этого белка с атомарным разрешением (R. Henderson et al., 1990. Model for the structure of bacteriorhodopsin based on high-resolution electron cryo-microscopy).
В ходе этого пионерского исследования Хендерсон показал, что криоэлектронная микроскопия может давать изображения с разрешением, которое не хуже, чем у метода рентгеноструктурного анализа - в то время это было прорывом. Правда, этот результат существенно использовал тот факт, что бактериородопсин регулярно располагается в клеточной мембране, и не было понятно, можно ли будет добиться такого разрешения для других, «нерегулярных» молекул.
Проблему обработки слабых сигналов от беспорядочно расположенных биологически активных молекул решил другой лауреат Нобелевской премии 2017 года - Йоахим Франк. Его главный вклад в криоэлектронную микроскопию состоит в создании алгоритмов анализа двумерных изображений, получаемых с помощью криоэлектронной микроскопии, которые позволяют построить качественную трехмерную модель. Подобные алгоритмы уже были разработаны для других методов микроскопии. Франк оптимизировал и во многом уточнил методы математического анализа, позволяющие отделить полезную информацию, полученной в ходе электронной микроскопии, от сигналов, обусловленных шумом. Шумы возникают в точных электронных приборах по разным причинам: случайные колебания силы тока и напряжения могут быть из-за неравномерного испускания электронов в электровакуумных блоках, неравномерности процессов образования и рекомбинации носителей заряда (электронов проводимости и дырок) в полупроводниковых блоках, теплового движения носителей тока в проводниках (тепловой шум), либо внешних наводок (несмотря на то, что все обычно хорошо заизолировано).
Задача усложняется еще и вот чем. Если объекты, пусть даже и одинаковые или примерно одинаковые, как должно быть в подобных исследованиях, неупорядоченны, то они дают немного разные по структуре сигналы, которые могут размывать друг друга. Причем причину такого размытия - шум это или ошибки алгоритма - определить непросто. Схематично принцип обработки данных показан на рис. 5: многочисленные плоские изображения исследуемой молекулы очищаются от шумов и типизируются по «ракурсам», затем из изображений с близкими ракурсами строится более качественный профиль, и, наконец, из этих профилей строится трехмерная модель.
В 1981 году Франк обобщил математические модели в первой версии компьютерной программы SPIDER (System for Processing Image Data from Electron microscopy and Related fields - Система для обработки данных электронной микроскопии и связанных областей, первая публикация: J. Frank et al., 1981. Spider - A modular software system for electron image processing). Этот программный пакет существует и обновляется до сих пор, более того, эти программы свободны к распространению, что, безусловно, облегчает работу ученых во всем мире. Франк использовал собственные алгоритмы для получения изображения поверхности рибосомы - состоящего из нитей РНК и связанных с нею белков органоида клетки, служащего для биосинтеза белка из аминокислот на основе генетической информации.
Приставка «крио-» появилась в электронной микроскопии благодаря третьему лауреату - Жаку Дюбоше. Он разработал метод быстрого охлаждения водных растворов с образцами (J. Dubochet, A. W. McDowall, 1981. Vitrification of pure water for electron microscopy). Причем вода должна замерзнуть так быстро, чтобы молекулы не успели выстроиться в кристаллическую решетку, застывая как попало (см. аморфный лед). Это достигается путем быстрого погружения тонкой пленки раствора с образцом в емкость с жидким этаном, охлажденным до –160°С (рис. 6). Правильный способ заморозки можно назвать ключом к успеху всего метода, так как упорядоченные кристаллы льда могут вызывать дифракцию электронов, искажая информацию об изучаемых молекулах. Из-за большой молекулярной массы белков и нуклеиновых кислот эти молекулы неповоротливы, так что при мгновенной заморозке они не успевают ни изменить свое положение, ни поменять форму. То есть строение биологически активных молекул при быстрой заморозке этим методом не меняется. Пользуясь им, Дюбоше впервые применил криоэлектронную микроскопию для изучения строения вирусов (рис. 7, см. M. Adrian et al., 1984. Cryo-electron microscopy of viruses).
В течение 1990-х и 2000-х годов криоэлектронная микроскопия постепенно развивалась и совершенствовалась с развитием вычислительных мощностей и точности приборов. Но настоящий расцвет криоэлектронной микроскопии начинается с 2012 года. Он связан с появлением прямых электронных детекторов на основе КМОП (CMOS), которые могут напрямую улавливать электроны, прошедшие сквозь образец. Это позволило упростить конструкцию электронных микроскопов, убрав сложные системы фокусировки и преобразования сигнала и уменьшив число узлов, которые могут внести случайный шум. В результате разрешающая способность метода криоэлектронной микроскопии повысилась до 2–3 ангстрем (рис. 8).
Одним из примеров практического применения криоэлектронной микроскопии в этой области можно считать изучение вируса Зика (рис. 10). Во время вспышки эпидемии Зика в Бразилии в 2016 году исследователям хватило несколько месяцев для получения информации о строении вируса методом криоэлектронной микроскопии (D. Sirohi et al., 2016. The 3.8 Å resolution cryo-EM structure of Zika virus).
Другой пример - в этом году криоэлектронная микроскопия позволила получить структуру капсида самого большого представителя семейства вирусов герпеса - цитомегаловируса человека (X. Yu et al., 2017. Atomic structure of the human cytomegalovirus capsid with its securing tegument layer of pp150). Результаты исследования стали основой для поиска возможных участков капсида вирусов, которые могут стать молекулярными мишенями для противовирусных лекарств.
Аркадий Курамшин