Статьи

Нобелевская премия по химии в этом году привычно не по химии. И если в прошлые годы традиционную химию теснят науки о жизни, то сегодня «физика на службе у биологии». Лауреатами 2014 года стали Эрик Бетциг (США), Штефан Хелль (Германия) и Уильям Мёрнер (США) – ученые, внесшие вклад в развитие методов визуализации биологических объектов – исследователям удалось обойти дифракционный предел – ограничения на размер объекта, изображение которого можно получить с помощью традиционной оптической системы.

Еще в 1873 году немецкий учёный Эрнст Аббе доказал, что разглядеть в микроскоп что-то меньше 200 нм традиционными методами невозможно.

Упрощено говоря, когда объект или его изображение сопоставимы с длиной волны света, законы классической оптики перестают действовать. Такого размера препятствия свет «огибает», а сфокусировать свет в пятно меньше 200–250 нм не удается (это усредненная величина, на самом деле она зависит от длины волны).

Нобелевские лауреаты предложили ряд усовершенствований в давно существующий метод флуоресцентной микроскопии. Он отличается от классической микроскопии тем, что изображение формируется не отраженным светом, а излученным (флуоресцирующими молекулами). Метод уже давно нашел признание для исследования строения клеток, а нобелевские лауреаты смогли «опустить» размер видимых объектов до 100 и даже 30 нм.

А в конфокальной микроскопии, позволяющей изучать молекулы с трехмерным пространственным разрешением (в обычном варианте вглубь образца не более чем на 500 нм.) прогресс еще более нагляден. «Теперь мы можем исследовать то, что происходит в объёмах клетки размером в 2000 раз меньше, чем было доступно ранее. Это очень серьёзный прорыв», – говорит Алексей Феофанов, руководитель лаборатории оптической микроскопии и спектроскопии биомолекул Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН.

«Необходимость получения высокого разрешения на оптическом уровне созрела давно, – рассказывает Павел Зыкин, директор ресурсного центра «Развитие молекулярных и клеточных технологий» Санкт-Петербургского государственного университета. – Имеющиеся методы с большим разрешением (атомно-силовая микроскопия, электронная микроскопия) имеют ряд недостатков.

К примеру – в просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии образец должен находиться в вакууме и подвергается воздействию пучка электронов т.е. ионизирующего излучения, поэтому возможно исследовать только фиксированные, мёртвые образцы.

Вместе с тем, оптическая микроскопия, лишённая подобных недостатков за свою долгую историю накопила обширный арсенал методик, позволяющий работать с живым материалом и, более того, получать информацию о концентрации ионов (ратиометрия), активации тех или иных генов (с использованием трансгенных технологий и флуоресцентных белков) и даже активировать в клетках те или иные ионные каналы (оптогенетика)».

Сверхвысокое разрешение дополняет, но не отменяет уже давно разработанные подходы во флуоресцентной микроскопии. «Огромное количество исследований можно проводить обычной флуоресцентной микроскопией, – это делалось, делается и будет делаться, – поясняет Алексей Феофанов. – Но есть целый ряд задач (конечно, их меньше по сравнению с общим фронтом задач), где требуется изучить взаимное расположение молекул с очень высокой точностью и понять, взаимодействуют ли они между собой, находятся ли они в одной и той же клеточной органелле, образуют ли какие-то функционально значимые комплексы. Здесь – чем выше пространственное разрешение, тем лучше».

Принципы, развитые нобелевскими лауреатами, достаточно новые – начало исследованиям было положено около 15 лет назад, так что в этом году премия присуждена за «свежую» науку, в то время как нобелевский комитет нередко награждает за открытия или изобретения 30 и 40-летней давности. По словам Алексея Феофанова, серийные флуоресцентные микроскопы сверхвысокого разрешения, где реализованы достижения нобелевских лауреатов, появились в последние 5 лет.

Есть они и в России. «Такие приборы есть в МГУ (в НИИ ФХБ имени А.Н. Белозерского), в Курчатовском институте, в ИБХ», – говорит учёный.

«В нашем центре установлен конфокальный микроскоп, позволяющий работать в режиме подавления спонтанного испускания (STED), – рассказывает Павел Зыкин. – Сейчас проекты, использующие его, единичны, но, начиная с декабря, после переезда в новое здание, мы сможем предоставить возможность работы всем заинтересованным в этом методе научным коллективам».

Исследователи, комментирующие премию по химии 2014 подчеркивают, что дифракционный предел на самом деле никуда не делся. Алексей Феофанов пояснил, что его удалось «обмануть», но, естественно, не отменить.

«Штефан Хелль на самом деле не преодолел диффракционный предел, но придумал обходной путь получения информации с разрешением до 50 нм (STED-микроскопия). Это достижение позволило получить новые данные, например о формировании кластеров митохондриальными белками вместо диффузного распределения», – отмечает Павел Зыкин.