«Нобелевка» по химии — за «наноскопию»

263
0

Нобелевскую премию по химии 2014 г. разделили Стефан Хелл, Уильям Мёрнер и Эрик Бетциг, которые сумели преодолеть теоретический предел разрешения микроскопов и позволили ученым впервые увидеть «живые» биологические молекулы.

Принципы классической оптики строго указывают, что любым линзам положен предел. Даже самый совершенный прибор не поможет рассмотреть детали, размеры которых меньше половины длины волны излучения, с которым он работает. Как миллиметровая шкала на школьной линейке не позволяет измерять микрометры, так границы разрешения устанавливает и дифракционный предел.

Микроскоп, который использует свет видимой части спектра (длиной волны 390–770 нм), никогда и нипочем не позволит изучить объекты меньше 200 нм. А жаль: не хватает совсем немного! Например, размеры белковых молекул колеблются в пределах 1 — 100 нм; величина рибосом — 150 нм, даже вирусы — и те имеют средний размер около 100 нм. Из-за дифракции лучей в оптическом микроскопе эти объекты сольются в бесполезные размытые пятна.

Не путайте увеличение и разрешение. Увеличение показывает, во сколько раз изображение объекта будет крупнее него, а разрешение — это минимальное расстояние между объектами, которые можно увидеть, как отдельные.

Нобелевский комитет отмечает, что нынешние лауреаты много лет «были одержимы идеей преодолеть дифракционный предел». И первым из одержимых стоит назвать Стефана Хелла, создателя микроскопии со снижением индуцированного излучения (Stimulated Emission Depletion, STED). STED использует флуоресцентные маркеры, присоединенные к биологическим молекулам. С помощью лазерного луча мы можем заставить эти маркеры засиять, а можем, наоборот, погасить. Еще в 1990-х Хелл предложил использовать то и другое одновременно: если мы будем вести вдоль молекулы один тонкий луч, «включающий» флуоресценцию, плюс второй, «выключающий» ее, мы сможем, нанометр за нанометром, просканировать ее всю. Это примерно как зажигать лампы гирлянды одну за другой, и с их помощью узнать форму елки детальнее, чем если б мы видели ослепительное сияние всех ламп сразу.

Другим способом обойти предел дифракции стала флуоресцентная «микроскопия отдельных молекул» (Single-Molecule Microscopy, SMM), ставшая результатом работы двух американцев. В 1980−90-х Уильям Мёрнер впервые в мире сумел зарегистрировать флуоресценцию отдельной молекулы, а также «включать» и «выключать» их выборочно — то одну группу меток, то другую. Если вернуться к нашей аналогии, то можно сказать, что Мёрнер сумел различить отдельные лампочки в гирлянде, зажигая то одни из них, то другие.

Эту работу продолжил Эрик Бетциг, в первой половине 1990-х — сотрудник знаменитых Bell Laboratories, предложивший использовать флуоресцентные маркеры, «срабатывающие» в разное время. Действительно, если лампочки на нашей гирлянде устроить так, что после сигнала они будут включаться поочередно, то затем, объединив полученные снимки, мы точно увидим их взаимное расположение, даже если кое-какие из ламп накладываются друг на друга.

В 2006 г. Бетциг выпустил статью, в которой приводил фотографию мембраны лизосомы, одной из клеточных органелл, — впервые с разрешением до отдельных молекул! «Микроскопия становится наноскопией, — говорит официальное сообщение о вручении троим ученым Нобелевской премии. — Теперь можно видеть, как молекулы складываются в синапсы между нейронами мозга; следить за белковыми агрегатами, связанными с развитием болезней Паркинсона, Альцгеймера и Хантингтона; наблюдать отдельные белки оплодотворенной яйцеклетки, только начинающей превращаться в эмбрион».