Zásadným spôsobom zlepšili možnosti zobrazovania biologických vzoriek v elektrónovom mikroskope vypracovaním metodológie zobrazovania hlbokozmrazených vzoriek. Takto vníma hlavný prínos objavu, za ktorý bola udelená tohtoročná Nobelova cena za chémiu, doc. Ing. Albert Breier, DrSc., riaditeľ Ústavu biochémie a mikrobiológie Fakulty chemickej a potravinárskej technológie Slovenskej technickej univerzity v Bratislave.
Ocenení boli traja výskumníci Jacques Dubochet, Joachim Frank a Richard Henderson. „Elektrónová mikroskopia zmrazených vzoriek umožňuje sledovať biomakromolekuly pri vysokom zväčšení, pri ktorej je možné rozoznávať ich vnútornú štruktúru a identifikovať polohu ich stavebných kameňov (aminokyselín, nukleotidov, atď.) a usporiadanie ich atómov. Táto metodológia spolu s röntgenovou difrakciou na vykryštalizovaných proteínoch a nukleárnou magnetickou rezonanciou patrí k moderným postupom štrukturálnej biológie,“ uvádza náš vedec.
Pokračuje, že pohľad do mikrosveta živých organizmov fascinuje už od 17. storočia viacerých biológov, a to od vynálezu prvého optického mikroskopu Antonom van Leeuwenhoekom (*24. október 1632 – †30. august 1723). „Zväčšenie vo svetelnom mikroskope je limitované vlnovou dĺžkou viditeľného svetla a maximálne zväčšenie je asi 2 000 × (t. j. 200 nm, 0,0002 mm). Ak pri zobrazovaní použijeme ako zobrazovacie častice elektróny, ktoré majú podstatne kratšie vlnové dĺžky ako fotóny viditeľného svetla, môžeme pozorovať objekty pri podstatne väčšom zväčšení (až do 500 000-krát), čo znamená, že by bolo možné registrovať zmeny na úrovni desatín nanometra. Tu sa môžeme priblížiť vizualizácii polohy atómov v molekulách, nakoľko jednoduchá C-C väzba má dĺžku 0,154 nm, dvojitá C=C 134 nm a trojitá C≡C nm. Elektróny možno usmerňovať sústavami elektromagnetických ´šošoviek´ podobne ako fotóny na optických šošovkách.“
Doc. Ing. Albert Breier, DrSc. vysvetľuje, že ak elektrónom do dráhy vložíme objekt, v prechádzajúcom elektrónovom zväzku dopadajúcom na detektor vidíme jeho obraz (transmisná elektrónová mikroskopia). „Môžeme zachytávať a detegovať aj odrazené elektróny (skenovacia elektrónová mikroskopia). Aby sa mohli elektróny v sústave elektrónového mikroskopu pohybovať a nebola ich dráha menená prostredím v elektrónovom mikroskope, ale len pozorovanou vzorkou, musí byť v tejto časti elektrónového mikroskopu hlboké vákuum (1,333 × 10-5 pascalu, normálny tlak je 101 325 pascalov). Toto spôsobuje problémy so zobrazovaním vzoriek biologických štruktúr v elektrónovom mikroskope, ktoré často obsahujú veľké množstvo vody (až 70 – 90 %). Táto voda by sa vo vákuu prudko odparila a došlo by k zrúteniu štruktúry vzorky. Preto je potrebné biologické vzorky pred sledovaním v elektrónovom mikroskope najprv vysušiť alebo prudko zmraziť.“
Pri sušení vzoriek by podľa odborníka dochádzalo k pozmeneniu ich štruktúry a preparát by sa odlišoval od pôvodnej vzorky. „Preto sa biologické štruktúry stabilizujú zošitím chemickými molekulami (fixácia glutaraldehydom alebo formaldehydom). Potom sa vysušia pomocou organických rozpúšťadiel a môžu sa pozorovať v skenovacom mikroskope. Pri transmisnej mikroskopii sú na pozorovanie nutné veľmi tenké objekty. Preto je vzorky nutné narezať na veľmi tenké rezy. Aby to bolo možné, vzorky sa zalejú do epoxidovej živice, ktorá polymerizuje a potom sa narežú v špeciálnom zariadení (ultramikrotóme) na rezy, ktoré môžeme pozorovať. Tento postup je však nevhodný pri zobrazovaní pri vysokom zväčšení, lebo by sme nedokázali identifikovať molekulárne štruktúry vzorky a odlíšiť ich od fixačných alebo polymerizačných činidiel.“
Doc. Ing. Albert Breier, DrSc. uvádza, že túto prekážku sa podarilo obísť trom laureátom Nobelovej ceny za rok 2017 rozpracovaním metodológie kryoelektrónovej mikroskopie. „Sledovať biologické vzorky pri vysokom rozlíšení v elektrónovom mikroskope umožňuje ich zmrazenie a následné spracovanie zmrznutej vzorky. Ak by sa vzorky zmrazili pomaly, vznikali by kryštály ľadu, ktoré by narušili biologické štruktúry. Pri veľmi rýchlom zmrazení pri teplotách tekutého dusíka k takémuto rozrušeniu nedochádza. Nemožno však použiť tekutý dusík samotný, pretože na mieste kontaktu so vzorkou vytvára plynné vankúšiky, ktoré pôsobia ako tepelné izolátory a znemožňujú rýchle ochladenie vzorky. Preto sa vzorky chladia tekutým etánom, ktorý je ochladzovaný tekutým dusíkom. Takto zmrazené vzorky môžu byť priamo pozorované v skenovacom mikroskope pomocou špeciálnych držiakov chladených tekutým dusíkom. Pre skenovaciu mikroskopiu sú vzorky najprv nakrájané v kryomikrotóme pri teplote tekutého dusíka a ďalej sa pozorujú v elektrónovom mikroskope opäť v chladenom držiaku.“
Udelenie tejto Nobelovej ceny za chémiu je podľa nášho vedca netradičné, nakoľko ocenení bádatelia nepriniesli principiálne nové poznatky v chémii. „Dosiahli však mimoriadny technologický pokrok v zobrazovaní v elektrónovom mikroskope, ktorý umožňuje sledovať biologické štruktúry pri doposiaľ neuskutočniteľnom zväčšení.“
Dokumentuje to obrázok prevzatý z: The Nobel Prize in Chemistry 2017:
„Táto vysokoúčinná metodológia má potenciál priniesť nové poznatky v štrukturálnej biológii. Paradoxne teda možno konštatovať, že práca všetkých troch laureátov za chémiu za rok 2017 prinesie najmä rozvoj v oblasti biológie a tej časti chémie, ktorá sa venuje živým objektom, teda biochémii,“ uzatvára doc. Ing. Albert Breier, DrSc., riaditeľ Ústavu biochémie a mikrobiológie.
Kráľovská švédska akadémia vied (The Royal Swedish Academy of Sciences) vyhlásila laureátov Nobelovej ceny za chémiu 4. 10. 2017. Jacques Dubochet z Univerzity v Lausanne, Švajčiarsko, Joachim Frank z Kolumbijskej univerzity, New York, USA a Richard Henderson (MRC Laboratórium molekulárnej biológie, Cambridge, UK) boli vybratí za to, že vyvinuli kryo-elektrónový mikroskop, ktorý zjednodušuje a zlepšuje zobrazovanie biomolekúl. Táto metóda presunula biochémiu do novej éry, vyhlásila akadémia. Namiesto beztvarých kvapiek je teraz možné odhaliť atómy jednotlivých molekúl. „Jeden z najdôležitejších dôkazov vo vedeckom svete je obraz. Vedci sa dlhé roky pokúšajú zobrazovať procesy, ktoré nie je možné vidieť voľným okom. Na molekulárnej mape však stále existovali vzhľadom na dostupné technológie neviditeľné miesta. Vývoj kryo-elektrónového mikroskopu na pozorovanie živých štruktúr, za ktorý získali traja vedci Nobelovu cenu za chémiu, toto všetko zmenil,“ konštatovala Kráľovská švédska akadémia vied.
Minulý rok si Nobelovu cenu za chémiu vyslúžila trojica vedcov, ktorí dokázali vyrobiť stroje z molekúl a prezentovali aj miniatúrne motory, malý vlek či umelé svaly. Ich mená sú Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart a Bernard L. Feringa, pričom cenu opäť oznamovala Kráľovská švédska akadémia (The Royal Swedish Academy of Sciences). „Títo vedci vyvinuli molekuly s kontrolovateľnými pohybmi, vďaka ktorým možno vykonať úlohu za podmienky, že sa pridáva energia. Vývoj výpočtovej techniky ukazuje, ako miniaturizácia technológie môže viesť k revolúcii. Laureáti Nobelovej ceny za chémiu v roku 2016 majú miniaturizované ´stroje´ a vzali chémiu do novej dimenzie,“ dôvodí švédska akadémia vied na svojej webovej stránke.
Nobelove ceny vznikli ako súčasť poslednej vôle švédskeho vedca Alfreda Nobela – vynálezcu dynamitu (1833 – 96). Udeľujú sa každoročne od roku 1901 za významný objav, čin alebo dielo. Táto pocta vedcom, ekonómom a mierotvorcom je všeobecne považovaná za najhodnotnejšie ocenenie na svete.
Odborný garant textu: doc. Ing. Albert Breier, DrSc., riaditeľ Ústavu biochémie a mikrobiológie Fakulty chemickej a potravinárskej technológie Slovenskej technickej univerzity
Spracovala: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR
Obrázok: The Nobel Prize in Chemistry 2017
Ilustračné foto: Pixabay.com
Uverejnila: VČ