Kriomikroskopia elektronowa — zamrozić życie w kadrze

Problem: próżnia zabija to, co chcesz zobaczyć

Mikroskop elektronowy daje ogromne powiększenie, ale wymaga wysokiej próżni — a próbki biologiczne (białka, wirusy) normalnie „żyją" w wodzie. W próżni woda odparowuje, a delikatna, przestrzenna struktura białka wysycha, zapada się i ulega uszkodzeniu — tak jak w symulacji powyżej przy niskiej wartości suwaka: domeny białka są spłaszczone, rozsunięte i rozmyte, a obraz zamazany.

Przełom: Jacques Dubochet i „szklisty" lód

W latach 80. XX w. Jacques Dubochet opracował metodę błyskawicznego zamrażania cienkiej warstwy wody wokół próbki (np. w ciekłym etanie, w ułamku milisekundy). Woda nie zdąża utworzyć regularnych kryształków lodu (które zniszczyłyby strukturę) — zastyga jako lód amorficzny („szklisty"), zachowując naturalny, wodny kształt cząsteczki nawet w próżni mikroskopu elektronowego.

Joachim Frank: z rozmytych cieni do ostrej struktury 3D

Nawet zwitryfikowana próbka daje pojedyncze, bardzo zaszumione, dwuwymiarowe zdjęcia — cząsteczki są przypadkowo zorientowane, a wiązka elektronów nie może być zbyt intensywna (zniszczyłaby próbkę). Joachim Frank opracował algorytmy, które rozpoznają te same cząsteczki w różnych orientacjach i uśredniają tysiące takich obrazów, znacząco poprawiając stosunek sygnału do szumu:

gdzie $N$ to liczba uśrednianych zdjęć tej samej cząsteczki. Z takiego zbioru rozmytych rzutów 2D można zrekonstruować ostrą strukturę przestrzenną (3D) — dokładnie to ilustruje rosnąca ostrość obrazu w symulacji powyżej wraz z przesuwaniem suwaka w prawo.

Richard Henderson: rozdzielczość atomowa (1990 r.)

Richard Henderson jako pierwszy wykorzystał kriomikroskopię elektronową do uzyskania obrazu białka w rozdzielczości atomowej — na tyle dokładnej, by rozróżnić pojedyncze atomy w strukturze. Udowodnił tym samym, że metoda może konkurować z krystalografią rentgenowską, ale bez konieczności żmudnej i nie zawsze możliwej krystalizacji białka.

Nagroda Nobla z chemii 2017

Jacques Dubochet, Joachim Frank i Richard Henderson otrzymali wspólnie Nagrodę Nobla z chemii 2017 „za rozwój kriomikroskopii elektronowej do określania struktury biomolekuł w roztworze o wysokiej rozdzielczości". Dziś biolodzy strukturalni mogą oglądać wirusy, białka i inne biomolekuły niemal atom po atomie — bez krystalizacji — co ma ogromne znaczenie np. przy szybkim ustalaniu struktury białek wirusów (w tym koronawirusa) do projektowania szczepionek i leków.

Po co Ci to na maturze:

To rozwinięcie tematu białek i ich struktury: żeby zrozumieć funkcję białka (np. jak enzym pasuje do substratu), trzeba najpierw poznać jego trójwymiarowy kształt. Kriomikroskopia elektronowa to jedna z metod bezpośredniej, eksperymentalnej obserwacji tego kształtu — w przeciwieństwie do AlphaFold, gdzie strukturę białka przewiduje się obliczeniowo na podstawie samej sekwencji aminokwasów.

Zapamiętaj: szybkie zamrożenie próbki w szklistym (amorficznym) lodzie zachowuje naturalny kształt biomolekuły w próżni mikroskopu elektronowego; uśrednianie wielu zaszumionych obrazów 2D pozwala zrekonstruować ostrą strukturę 3D; Dubochet, Frank i Henderson dostali za tę technikę Nobla z chemii w 2017 r.