Визуальная слежка за атомом

Александр Флеминг, первооткрыватель пеницилина, пользовался хорошим, но обычным оптическим микроскопом.  Фото из буклета Музея науки, Лондон

Максимальное увеличение светового микроскопа не превышает 2000, и связано это ограничение с длиной световой волны. Лишь в 1930-е годы в Германии был создал электронный микроскоп, увеличивающий в десятки и сотни тысячи раз за счет малой длины волны электрона. Электронный микроскоп позволил разобраться с внутренним строением клетки. Но он не позволял видеть строение белковых молекул и ДНК, представляющих основу жизни.

В 1964 году Нобелевскую премию получила Дороти Кроуфут-Ходжкин, начинавшая вместе с Лайнусом Полингом эру рентгеноструктурного анализа. Она получила премию за определение структуры витамина В12 и пенициллина, а Полинг – за выявление альфа-спирали в белках (спираль потом оказалась воспроизведенной в двух цепях ДНК).

Рентгеноструктурный анализ «статичен», поскольку с его помощью исследуют «застывшие» кристаллы. Внедрение ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) показало динамичность молекул. К тому же некоторые протеины, особенно те, что встроены в клеточную оболочку, кристаллизуются плохо, а то и вовсе нет.

В конце концов научный арсенал пополнил сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволивший увидеть не только отдельные молекулы, но и атомы, правда – «приклеенные» к поверхности подложки. За СТМ тоже дали Нобелевскую, но еще в конце прошлого века.

Следующего Нобеля вручили в 2017 году швейцарцу Жаку Дюбоше из Лозаннского университета, немцу Иоахиму Франку, работающему в Колумбийском университете в Нью-Йорке, и шотландцу Ричарду Хендерсону из Кембриджа. Они построили дорогостоящие (стоимость одного такого прибора доходит до 5 млн долл.) криоэлектронные микроскопы (крио-ЭМ), разрешение которых преодолело нанометровый масштаб!

И вот – новое сообщение, опять из Кембриджа. Ученые достигли разрешения, позволяющего видеть в биомолекуле отдельные атомы. В качестве «разогрева» авторы двух статей в журнале Nature (№20, 22 Oct) представили детальную 3D-картину с разрешением 1,7 ангстрема рецептора ГАМК (гамма-аминомасляной кислоты), то есть нейромедиатора, который гасит нейронную активность. ГАМК используют для введения человека в терапевтическую кому.

Исследователи пишут, что знание точного расположения атомов позволяет узнать механизм осуществления белком его функций, а также разрабатывать новые лекарства. Разница двух подходов заключается в том, что рентгеновские лучи рассеиваются на образце, а в крио-ЭМ электроны фокусируются с помощью линзы, что и дает большее разрешение. Прежний рекорд разрешения был всего 1,5 ангстрема (0,15 нанометра, нм). Таков размер связи между двумя атомами углерода.

На этот раз в качестве образца в Кембридже взяли шар пологого изнутри апоферритина. Он составлен из 24 субъединиц и служит в клетках как депо хранения железа, которое, в свою очередь, необходимо для клеточного дыхания, работы ферментов и синтеза гемоглобина. С помощью крио-ЭМ удалось рассмотреть молекулы воды и водородные связи, а также карманы, в которых могут помещаться молекулы создаваемых лекарств, в том числе антивирусных и противоопухолевых.

Названия статей и редакционного комментария говорят сами за себя: «Крио-ЭМ одиночных частиц с атомным разрешением», «Революционная техника микроскопии впервые видит отдельные атомы» и «Это открывает совершенно новую вселенную». Нечто подобное говорилось на заре электронной микроскопии.