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.
