Nobeli preemia 2017 keemia

2017.a. Nobeli auhind keemias omistati Jacques Dubochet'le, Joachim Frankile ja Richard Hendersonile "kõrglahutusega krüo-elektronmikroskoopia arendamise eest biomolekulide struktuuri määramiseks". Auhinna rahaline suurus on 9 miljonit rootsi krooni (£823,000) ja see antakse üle 10. detsembril selleks puhuks korraldataval tseremoonial Stockholmis. Auhind jagatakse laureaatide vahel võrdsetes osades. Kõik laureaadid on hariduselt füüsikud.

Krüo-elektronmikroskoopia pakub lahendust kahele tõsisele probleemile, mis esinevad suurte biomolekulide uurimisel elektronmikroskoobis. Esiteks, selliste molekulide loomulik keskkond on vesi, aga vesi aurub ja saastab elektronmikroskoobi tööks vajaliku vaakumi elektronmikroskoobi sees. Põhimõtteliselt annaks biomolekule enne nende uurimist kuivatada, aga see rikuks nende struktuuri ja nende uurimise muutuks mõttetuks. Teine probleem seisneb selles, et elektronkiir paratamatult kuumutab ja seejärel hävitab õrnad biomolekulid. Selle vältimiseks saab kasutada väiksema energiaga elektronide kiirt, aga siis saaksime tulemuseks udusemad (väiksema lahutusega) pildid.

Henderson näitas varastel 70-ndatel, et bacteriorhodopsin nimelise valgu molekuli saab elektronmikroskoobi all uurida, kui see on suletud bioloogilisse membraani. See hoiab molekuli niiskena ning hoiab ära vee aurustumise vaakumisse. Soojenemise tõttu hävimise vältimiseks kasutas Henderson asjaolu, et need molekulid paiknevad membraanis korrapäraselt, mistõttu saab kasutada nõrka elektronkimpu, millest tekib difraktsioonipilt. Ta määras selle valgu struktuuri 1975 aastal.

Aatomlahutusega kujutised

Elektronmikroskoopide arenedes suutis Henderson biomolekulide aatomlahutusega struktuuri määrata1990 aastaks, näidates et aatomlahutusega bioloogiliste molekulide uurimine elektronmikroskoopias on võimalik.

Hendersonist sõltumatult leidis Frank pilditöötluse algoritmi, mis lubas paljusid elektronmikroskoobi madala lahutusega 2D kujutisi kombineerides arvutada molekuli 3D kujutise. Selleks salvestas ta tuhandeid juhuslikult orienteeritud molekulide kujutisi, jagas need sarnaste kujutiste rühmadeks ja sai arvutuslikult palju teravama kujutise. Seejärel arvutas ta rühmade ruumilise orientatsiooni üksteise suhtes ning selle põhjal pani kokku kõrglahutusega 3D kujutise.

Selgus, et Franki algoritmi saab otseselt kasutada Diboche poolt sõltumatult arendatud biomolekulide kujutiste saamise meetodis. Selles meetodis pihustatakse molekulid õhukesse veekihti, mis on omakorda "riputatakse" õhukesse aukudega maatriksisse (võrestikku). Seejärel vesi külmutatakse, asetades selle -190 °C etaani. Kiirel jäätumisel ei moodusta vee molekulid tavalist korrapärase struktuuriga kristalle, tulemus meenutab pigem klaasi, kus molekulid paiknevad üksteie suhtes juhuslikult (meetodit nimetatakse vitrifikatsiooniks). See on kriitilise tähtsusega, sest nii välditakse elektronide difraktsiooni jääs ning on võimalik saada madala lahutusega kujutisi uuritavatest.

Paremad mikroskoobid

1991 aastal kombineeris Frank Dubochet' meetodit oma pilditöötlusalgoritmiga ja sai ribosoomi kujutise. Sedamööda, kuidas elektronmikroskoobid on paremaks läinud (osaliselt ka tänu Hendersoni tööle) suudab krüo-elektronmikroskoopia anda järjest paremaid biomolekulide aatomlahutusega pilte.

Richard Henderson sündis Šotimaal 1945.aastal ja omandas füüsika bakaureusekraadi Edinburgi ülikoolis, 1969.a. kaitses ta doktorikraadi molekulaarbioloogias Cambridge'i ülikoolis . Pärast kolme aastat Yale'i ülikoolis, ühines ta Cambridge'i ülikooli Meditsiiniuuringute nõukogu molekulaarbioloogia laboriga (Medical Research Council's Laboratory of Molecular Biology Cambridge) ja on seal töörühma juht.

Jacques Dubochet sünis 1942.a. Šveitsis ja töötab Lausanne'i ülikoolis, kus on emeriitprofessor biofüüsikas. Ta õppis füüsikat ja inseneriteaduseid Lausanne'is asuvas École Polytechnique Fédérale de Lausanne ja kaitses Genfi ja Baseli ülikoolides 1973.a. doktorikraadi biofüüsikas.

Joachim Frank sündis 1940.a. Saksamaal ja õppis füüsikat Freiburgi ülikoolis Münchenis. Ta kaitses doktorikraadi 1970.a. Müncheni tehnikaülikoolis elektronmikroskoopia alal. Hiljem on ta töötanud paljudes ülikoolides ja uurimislaborites üle maailma, enne kui sai Columbia ülikooli biokeemia ja molekulaarse biofüüsika ja bioteaduste  professoriks  2008.a.

Allikas: Hamish Johnston, physicsworld.org