Нобелевская премия по химии 2014 года досталась физикам — американцы Уильям Мернер (William Merner) и Эрик Бетциг (Eric Betzig), а также немец Штефан Хелль (Stefan Hell) были удостоены высшей научной награды за создание методов флюоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения — методов, которые впервые позволили ученым увидеть, как работают отдельные молекулы в живых клетках и исследовать тонкие клеточные структуры и механизмы.
Собственно, эти открытия имеют большее значение не столько для химии, сколько для медицины и биологии.
В конце 19 века был установлен непреодолимый, как тогда казалось, предел увеличения для оптических микроскопов — дифракционный предел разрешения. Эрнст Аббе (Ernst Karl Abbe) и лорд Рэлей (Джон Уильям Стретт — John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh) постулировали, что невозможно разрешить (получить раздельное изображение) двух точек, которые разделяет расстояние меньше половины длины волны. Электромагнитные волны просто «огибают» препятствия, и получить четкое изображение невозможно. В случае с видимым светом это означает, что объекты размером меньше 200 нм оказываются недоступными для исседования — при этом многие вирусы имеют размеры менее 100 нм.
Этот предел значительно ниже для электронных микроскопов. Однако метод электронной микроскопии имеет существенные ограничения при изучении живых клеток.
Штефан Хелль, получивший докторскую степень в 1990 году в Гейдельбергском университете, с юности пытался найти способ обойти дифракционный предел. Однако он не нашел поддержки среди старших коллег в Германии и перебрался в университет Турку в Финляндии, где его стремления были оценены по достоинству. Там он присоединился к группе, изучавшей флюоресцентную микроскопию — метод, в котором для создания изображения используются молекулы флюоресцирующего вещества, излучающего в ответ на облучение. Позже он рассказывал, что надежда обойти дифракционный предел возникла перед его глазами, когда он прочел фразу stimulated emission (вынужденное излучение) в книге по квантовой оптике.
В Турку Штефан Хелль и его коллеги разрабатывали методы флюоресцентной микроскопии, при котором флуоресцентные молекулы использовались для визуализации части клетки. Например, ученые использовали антитела с флюоресцентными молекулами, которые связывались с клеточной ДНК. Это позволяло увидеть, где ДНК расположена в клетке, но разглядеть саму структуру клетки этот метод не позволял.
В 2000 году Хелль впервые продемонстрировал метод STED-микроскопии (Stimulated Emission Depletion), которая позволяла обойти дифракционный предел. Суть его состоит в том, что сначала лазер возбуждает на образце флюоресценцию, а затем с помощью кольцевого луча гасит ее везде, кроме небольшого пятна в центре. Это центральное «непогашенное» пятно может быть значительно меньше дифракционного предела. Путем сканирования образца можно получить изображение с детализацией до 100 нм.
Два других нобелевских лауреата — Эрик Бетциг и Уильям Мернер из США — смогли развить этот метод. Еще в 1989 году Мернер, работая в лаборатории IBM в Сан-Хосе, смог измерить поглощение света единственной молекулой, что привлекло внимание многих химиков, в том числе Бетцига, к изучению свойств отдлельных молекул. Мернер занимался исследованием зеленого флюоресцентного белка (GFP, за открытие которого была присуждена Нобелевская премия по химии 2008 года), пытаясь сконструировать молекулы, излучающие другие цвета. Он обнаружил, что флюоресценция одного из типов GFP может включаться и выключаться «по требованию». Если такую молекулу облучить светом с длиной волны 488 нм, она начинает светиться, но затем гаснет и вновь «включить» ее не удается. Однако если облучить ее светом с длиной волны 405 нм, она начнет светиться вновь.
Мернер помещал такие молекулы в гель так, чтобы расстояние между отдельными молекулами было больше дифракционного предела, а затем зааставлял их светиться. В 1997 году ему удалось вперые зафиксировать свечение отдельной молекулы.
Этот способ стал решением проблемы, которую сформулировал Бетциг за два года до этого открытия.
Эрик Бетциг так же, как и Хелль, был одержим проблемой дифракционного предела. В 1995 году он пришел к мысли, что для его преодоления можно использовать флюоресценцию разных цветов. Логика была следующей: мы можем определить положение флюоресцентных молекул, если они расположены не ближе дифракционного предела, но затем мы можем использовать молекулы другого типа, излучающие в другом диапазоне, и определить их положение, даже если они находятся лишь в нескольких нанометрах от молекул первого типа. Накладывая друг на друга изображения, полученные с помощью нескольких типов флюоресцентных белков, можно получить целостную картину. В 2006 году этим методом удалось получить изображение мембраны лизосомы, на которой видны детали размером в десятки нанометров.
Методы, разработанные учеными, впервые позволили детально исследовать живые клетки. Теперь исследователи могут наблюдать процессы, протекающие в живых клетках: разглядеть молекулы в синапсах нейронов мозга, отследить белковые молекулы, отвечающие за болезнь Альцгеймера и Паркинскона, увидеть как ведут себя отдельные белковые молекулы в делящемся эмбрионе.
Фото: The Nobel Prize
