Ссылки для упрощенного доступа

logo-print

Заглянуть вглубь клетки


Нобелевский лауреат по химии Штефан Хелль

Нобелевский лауреат по химии Штефан Хелль

Нобелевская премия по химии вручена ученым, придумавшим, как обойти теоретический предел разрешающей способности оптического микроскопа

Лауреатами Нобелевской премии по химии 2014 года стали ученый из Германии Штефан Хелль и американцы Эрик Бетциг и Уильям Мёрнер. Благодаря их работам мы смогли перейти от микроскопов к наноскопам: создать оптические микроскопы с невероятно высокой разрешающей способностью, которая долгое время казалась теоретически невозможной.

Хотя разрешающая способность электронных микроскопов намного выше, чем у оптических, последние позволяют изучать живые образцы, что, разумеется, очень важно для биологов. Однако из-за эффекта дифракции подсвеченные (или излучающие) точки образца, находящиеся друг от друга на расстоянии, меньшем определенного предела, на изображении оптического микроскопа неизбежно сливаются в одно пятно. Этот предел связан с длиной волны света, его установил в 1873 году немецкий оптик Эрнстом Аббе. В обычной ситуации дифракционный предел Аббе составляет около 200 нанометров, и такая “пикселизация” оптических микроскопов казалась теоретически непреодолимой вплоть до последнего десятилетия 20-го века.

Чуть больше, чем 200 нанометров, – это слишком низкое разрешение для того, чтобы увидеть происходящие внутри клетки процессы, чтобы разглядеть отдельные вирусы и молекулы белков. Две технологии, независимо придуманные Штефаном Хеллем, Эриком Бетцигом и Уильямом Мёрнером, позволяют добиться намного большей, в перспективе неограниченной разрешающей способности.

Обе технологии основаны на методе флуоресцентной микроскопии, использующей окрашивание участков образца с помощью специальных органических молекул – флуорофоров, светящихся под воздействием светового луча. Идея Штефана Хелля, опубликованная в 1994 году, заключается в использовании в микроскопе одновременно двух лазеров: один освещает точку образца, а второй подавляет свечение окружающих точек, истощая их флуоресцентные свойства. Таким образом центральная область становится видна на изображении намного четче. Двойной пучок проходит по всему образцу, и окончательное изображение складывается из полученных на каждом шаге четких пятен, точные координаты которых известны. Этот метод получил название STED-микроскопии (Stimulated Emission Depletion Microscopy – микроскопия на основе подавления спонтанного испускания), и в 2000 году Хеллю удалось создать на его основе действующий прибор и получить изображение бактерии кишечной палочки с разрешением, в три раза превосходящем способности обычных микроскопов.

Альтернативную технологию разработал Эрик Бетцигер. Он был вдохновлен достижением Уильяма Мёрнера, который научился управлять флуоресцентными свойствами отдельных молекул, в частности, получил особый флуоресцентный белок, свечение которого можно включать и выключать, словно лампочку, с помощью пучков света с определенными длинами волны. Идея Бетцигера красива и одновременно проста: если воздействовать на окрашенный специальными флуоресцентными белками образец относительно слабым пучком света, “включаются” только некоторые молекулы, большинство из которых находятся друг от друга на расстоянии большем 20 нанометров – предела дифракции. Для получения четкого изображения такого “звездного неба” теоретических препятствий нет. Через некоторое время засвеченные белки погасают и можно снова направить на образец пучок света – загорятся уже другие точки. Повторяя эту процедуру многократно, можно получить набор изображений отдельных участков образца. Все, что остается сделать – совместить их в один. Эта технология совсем молода – статья с ее описанием была опубликована Бетцигером в журнале Science в 2006 году.

Благодаря изобретению этих методов мы смогли проникнуть в устройство жизни на небывалый, наноскопический уровень. “Благодаря тому, что теперь называется наноскопией, ученые смогли разглядеть отдельные молекулы внутри живых клеток. Они увидели, как молекулы образуют синапсы между нервными клетками в мозгу, они проследили за склеиванием белков, приводящем к развитию болезней Паркинсона, Хаттингтона и Альцгеймера, они получили возможность наблюдать отдельные протеины в делящихся зиготах”, – говорится в сообщении Нобелевского комитета.

На этом естественно-научная часть нобелевской недели 2014 года завершена. Большинство прогнозов (впрочем, как и обычно) не подтвердились. Две из трех премий были вручены за достижения, которые можно назвать скорее инженерными, чем фундаментальными. Самое старое из отмеченных Нобелевским комитетом в этом году исследований, обнаружение нейронов места, помогающих крысам ориентироваться в пространстве, относится к 70-м годам, самое новое – технология флуоресцентной микроскопии со сверхвысоким разрешением Бетцигера – была опубликована менее десяти лет назад. Как и в прошлом году, премия по химии имеет к собственно химии косвенное отношение, на этот раз ее можно было бы отнести к категории “физика в применении к биологии”. В четверг, 9 октября, будет объявлен нобелевский лауреат 2014 году по литературе.

Показать комментарии

XS
SM
MD
LG