Нобеля по химии присудили за демонстрацию неизведанных миров

Лауреаты Нобеля по химии 2014 года. Слева направо: Бетциг, Хелль, Морнер

(фото с сайта physicsworld.com).

На этом рисунке показано, какие объекты мы можем изучить при помощи микроскопии и наноскопии

(иллюстрация из пресс-релиза Нобелевского комитета, перевод Вести.Наука).

Технология построения изображения при STED-микроскопии

(иллюстрация из пресс-релиза Нобелевского комитета, перевод Вести.Наука).

Технология построения изображения при изучении отдельных светящихся молекул (справа) и размытое изображение, получаемое при помощи обычного микроскопа

(иллюстрация из пресс-релиза Нобелевского комитета, перевод Вести.Наука).

STED-микроскопия позволяет "удалить" флуоресценцию по краям поля обзора и хитростью преодолеть дифракционный предел

(иллюстрация с сайта nature.com).

Сравнение изображений образцов, полученных с помощью конфокальной и STED-микроскопии

(фото с сайта leica-microsystems.com).

Шведская королевская академия наук присудила Нобелевскую премию по химии 2014 года американцам Эрику Бетцигу (Eric Betzig) и Уильяму Морнеру (William E. Moerner), а также немцу Штефану Хеллю (Stefan W. Hell) за "развитие флуоресцентной микроскопии высокого разрешения".

Фактически, эти учёные открыли людям новый, ранее неизведанный мир. Ведь до того, как эти учёные изучили и описали принципы "светящейся" микроскопии, исследователи пользовались лишь привычными для любого современного школьника оптическими микроскопами. Однако таким образом мы ни за что не смогли бы разглядеть объекты, которые по своим размерам меньше половины длины волны видимого света (таковы уж законы физики). То есть невозможно было бы исследовать объект с разрешением большим, чем 0,2 микрометра: все бактерии, вирусы и даже клетки казались бы размытым пятном.

Между тем, сегодня учёные всего мира могут изучать биологические объекты нанометрового размера. Мы можем отследить протекание важнейших процессов: проследить за движением отдельных молекул в живых клетках, увидеть формирование синапсов между нейронами в мозге, понять, как перемещаются белки в оплодотворённой яйцеклетке, формирующей эмбрион будущего нового жителя Земли. Все эти данные необходимы для понимания физиологии организмов и биологии болезней.

Но путь к получению подобных снимков и даже видео был очень долгим.

Лауреаты Нобеля по химии 2014 года. Слева направо: Бетциг, Хелль, Морнер

Исследователей чествуют за два отдельных достижения. Так, 51-летний Штефан Хелль, ныне являющийся директором Института биофизической химии Общества Макса Планка, в 2000 году представил метод STED-микроскопии или микроскопии погашения стимулированной эмиссии (stimulated emission depletion depletion microscopy).

Технология построения изображения при STED-микроскопии

В нём используются два лазера. Один вызывает флуоресценцию (свечение) молекул в образце, причём в этом случае пятно света соответствует дифракционному пределу. Другой лазер с большей длиной волны "удаляет" (погашает) всё лишнее излучение по краям пятна, оставляя для просмотра лишь небольшой участок нанометрового размера в центре первичного пятна (и тут уже нет прежнего ограничения по размеру). Варьируя интенсивность лазерных пучков, можно менять размер центральной изучаемой области. Продвигая "взгляд" по всему образцу, можно получить целостную картину.

В результате учёные получают изображение с высоким разрешением, обходящим дифракционный предел.

STED-микроскопия позволяет "удалить" флуоресценцию по краям поля обзора и хитростью преодолеть дифракционный предел
(иллюстрация с сайта nature.com).

54-летний Эрик Бетциг из Медицинского института Говарда Хьюза и 61-летний Уильям Морнер из Стэнфорда работали по отдельности, но заложили основы второй методики, позволяющей улавливать флуоресценцию одной единственной молекулы.

Исследователи сканируют одно и то же поле несколько раз, позволяя каждый раз высветиться только определённым молекулам (короткий лазерный импульс помогает с большой точностью установить метосположение каждой молекулы). Затем полученные изображения накладываются друг на друга, и создаётся одно, но в ультравысоком разрешении. Впервые этот метод был продемонстрирован в 2006 году.

Как пишет Nature, сегодня ограничение для такого рода исследований составляет 20-390 нанометров (далее интенсивность второго лазерного луча становится столь высокой, что светящееся вещество разрушается). Благодаря вышеописанным методикам, Хелль, к примеру, получил видео движения полостей диаметром порядка 40 нанометров внутри нейрона.

Технология построения изображения при изучении отдельных светящихся молекул (справа) и размытое изображение, получаемое при помощи обычного микроскопа

Как сообщил по телефону учёный собравшимся на пресс-конференции журналистам, он начал работать над этим вопросом, когда ему стало скучно решать проблемы оптической микроскопии, и он решил проверить, можно ли как-то преодолеть дифракционный предел.

"В конце концов, я понял, что можно поиграть с молекулами. Включая и выключая их, мы можем увидеть вещи, которые ранее были недоступны человеческому глазу. Если мы не можем обойти ограничение, меняя световые волны, то надо попробовать решить проблему, манипулируя самими молекулами", — пояснилНобелевский лауреат 2014 года. Хелль также добавил, что поначалу научное сообщество воспринимало его идеи скептически, так как соответствующие законы немецкий физик Эрнст Аббе постулировал ещё в 1873 году, и никто уже не верил, что будет найдено новое решение.

На этом рисунке показано, какие объекты мы можем изучить при помощи микроскопии и наноскопии

Сегодня "наноскопия" используется по всему миру, а получаемые с её помощью знания анализируются учёными ежедневно и приносят миру массу пользы, отмечают члены Нобелевского комитета.

Теперь исследователи могут получать изображения "живых" молекул в режиме реального времени в нанометровом масштабе, а не отправлять их под электронный микроскоп, который накладывает серьёзные ограничения на изучение многих объектов (например, измерения надо проводить в вакууме — в ином случае клетка погибает).

Но почему троих Нобелевских лауреатов чествуют за исследования в химии? Дело в том, что все эти наработки относятся к области науки, именуемой физической химией — исследованиям химических явлений при помощи физических методов.

Сравнение изображений образцов, полученных с помощью конфокальной и STED-микроскопии
(фото с сайта leica-microsystems.com).

Как рассказывает сайт phys.org, Хелль не поверил, что ему присвоили Нобеля, пока не услышал слова Стаффана Нормарка (Staffan Normark), секретаря Академии. Дозвониться до Морнера сразу не удалось, так как он находился на пресс-конференции в Бразилии. Ему счастливое известие сообщила жена, которой, в свою очередь, дозвонились корреспонденты Associated Press. Бетциг же был очень взволнован, когда увидел звонок из Швеции, и встречал новости одновременно со волнением и радостью.

"Я не хочу, чтобы моя жизнь поменялась. Я люблю свою жену, и я и так довольно занятой человек", — пояснил Нобелевский лауреат.

Учёные поделят между собой поровну не только общемировую славу, но и денежный приз размером 8 миллионов шведских крон (44,7 миллиона рублей). Праздничная церемония с вручением медалей пройдёт в Стокгольме 10 декабря 2014 года, в день смерти основателя премии Альфреда Нобеля.