A biomolekulákat láthatóvá tévő elektronmikroszkópiáért járt a kémiai Nobel-díj

A kitüntetettek felfedezései révén lehetővé vált a fehérjék tényleges térszerkezetének lefényképezése.

Ma már szinte magától értetődő, hogy röviddel egy új vírus, fehérje, a sejthártyába ékelődő receptorfehérje felfedezése után már el is készül háromdimenziós, a molekulát atomi szintű részletességgel bemutató képe. Bele sem gondolunk, hogyan lehetséges az, hogy egy, a szervezetben munkát végző, állandóan mozgásban lévő, az alakját gyakran változtató makromolekulát úgy tudunk megörökíteni, hogy a valós struktúráját is láthatjuk anélkül, hogy a képkészítés során a felismerhetetlenségig roncsolódna. Hogy megértsük, messzire kell visszamennünk a tudománytörténetben.

A mikroszkóp felfedezése talán a biológia (és a biokémia) technikai fejlődésének legnagyobb mérföldköve volt. Segítségével egy új, addig ismeretlen (és láthatatlan) világ tárult fel a tudósok előtt, akik rádöbbentek arra, hogy egy egész univerzum létezik abban a mérettartományban is, amelyet az emberi szem nem képes érzékelni. Ahogy azonban a mikrobiológusok a fénymikroszkóp segítségével egyre jobban megismerték a mikrobák, a sejtek világát, egyre nyilvánvalóbbá vált, hogy még a fénymikroszkóp által belátható mérettartomány alatt is rengeteg olyan jelenség, mechanizmus létezik, amely alapvetően meghatározza az életet.

A múlt század első felében számos biokémikust frusztrált a tudat, hogy a legfontosabb biomolekulák, például a DNS és az RNS, amelyekről már tudták, hogy a szerepük megértése esszenciális lenne az élet legalapvetőbb működéseinek feltárásához, láthatatlanok maradnak előttük. Egészen az ötvenes évekig kellett várni arra, hogy Cambridge-ben elkészüljenek a fehérjéket ábrázoló első képek egy új módszer, a röntgenkrisztallográfia segítségével. De még ez is csupán sejtette a valós kinézetet (hiszen ahogy az eljárás neve is mutatja, a mintát a felvétel előtt kristályosítani kellett), nem a maga teljességében ábrázolta a molekulák térszerkezetét. Az eljárást a nyolcvanas években felváltotta a magmágneses rezonancián (NMR) alapuló spektroszkópia, amely már oldatban (tehát a fehérjék élő közegében) is képes volt felvételeket készíteni a molekulákról. Egyik módszer sem volt azonban tökéletes, mindkettőnek komoly korlátai voltak.

Az egyik díjazott, Richard Henderson is röntgenkrisztallográfiával dolgozott, de sok kudarc érte, mivel a sejthártyába ágyazott fehérjéket sokéves próbálkozásainak dacára sem volt képes lefényképezni. De ekkor gondolt egy nagyot, és megpróbálkozott az elektronmikroszkóppal. Az már a harmincas évek óta létezett, és sok nagyságrenddel nagyobb felbontású képet tudott készíteni, mint korábbi, a fény látható tartományában üzemelő elődje. Csakhogy az akkor létező elektronmikroszkóp gyakorlatilag hasonló módon működött, mint a fénymikroszkóp, tehát az elektronnyaláb áthaladt az anyagon, és alatta elkészült a kép. De az elektronnyalábot semmi nem élhette túl, továbbá a felvételhez vákuumra volt szükség, így ezzel a technikával csak halott anyagot lehetett vizsgálni. Semmi esély nem volt arra, hogy a fehérjéket működés közben tanulmányozzák a segítségével.

Hendersonnak sokáig sem sikerült értékelhető képet készítenie, mivel a fehérjék folyton elmozdultak a vizsgálat közben – tönkretéve a képet. Végül egy membránfehérjét, bakteriorodopszint tett a mikroszkóp alá, méghozzá a membránnal együtt, amely egy helyben és stabil pozícióban tartotta a molekulákat. A mintát glükózzal burkolta, hogy megvédje az elektronnyaláb roncsoló hatásától, majd számos irányból felvételeket készített róla. A különálló, kétdimenziós képeket végül egyesítette, így 1975-re előállt az első fehérjéről készített térhatású kép. A felbontása mai szemmel eléggé kezdetleges volt (0,0000007 milliméteres), de a következő években a technológia fejlődésével egyre csak javult. Végül 1990-ben publikálták a bakteriorodopszin atomi felbontású képét.

Ez így szinte túl egyszerűen hangzik ahhoz, hogy igaz legyen. A valóság sokkal küzdelmesebb volt. Kezdetben kizárólag elmosódott, szemcsés elektronmikroszkópos képek készültek, és senki nem tudta, hogy amit épp néz, az a keresett fehérje vagy csak a háttér. Joachim Frank ezt megoldandó az akkoriban (a hetvenes években) még mindig csak a szárnyaikat bontogató komputerekhez nyúlt, és olyan algoritmust tervezett, amely képes lehet kiválogatni az érdekes részleteket a képen és elkülöníteni őket a zajtól. Algoritmusa végül 1981-re készült el, és létfontosságúnak bizonyult ahhoz, hogy a kutatók éles, háromdimenziós képeket tudjanak alkotni a fehérjékről és csak azokról, amelyek érdekelték őket. Ehhez a program ismétlődő struktúrákat keresett a különböző nézőpontokból készített felvételeken, majd térhatásúvá kombinálta.

De volt időközben akadt egy másik nagy probléma is, amelyet le kellett küzdeni. Henderson épp azért választott egy membránfehérjét, mert magát a sejtmembránt használta arra, hogy egy helyben tartsa a molekulát. Csakhogy az élő szervezetekben milliószámra vannak olyan fehérjék, amelyek nem a membránba ágyazottan működnek, és azokat pusztán ezzel a módszerrel nem lehetett lefényképezni. Az sem segített továbbá, hogy az elektronmikroszkóp működéséhez szükséges vákuumban a víz elpárolgott, így az oldatban úszkáló fehérjék rendre kiszáradtak, és használhatatlanná váltak. A Henderson által használt glükózos burkolás ugyancsak használhatatlan volt oldatban, így semmi nem védhette meg a molekulákat a dehidratációtól.

A harmadik kitüntetett, Jacques Dubochet akkoriban a heidelbergi Európai Molekuláris Biológiai Laboratóriumban dolgozott. Eszébe jutott, hogy a molekulákat a helyükön tarthatnák, továbbá a víz elpárolgását is megakadályozhatnák azzal, ha hirtelen – folyékony nitrogén segítségével – lehűtenék az oldatot. A hirtelen hűtésnek azért van jelentősége, mert ilyenkor a víz nem megfagy a klasszikus értelemben, tehát nem kristályosodik, hanem üvegszerű (szilárdnak tűnő, mégis folyékonynak minősülő) struktúrát képez, amelyben nem rendezetten, hanem összevissza foglalnak helyet a vízmolekulák (így nem zavarják az elektronnyaláb áthaladását).

Miután Dubochet és csoportja 1982-ben áttörést ért el a víz üvegállapotúvá alakítása terén, gyorsan megalkották a fagyasztásos eletronmikroszkópia máig használt eljárását. Ehhez először vízben oldották fel a mintát (amely kezdetben vírusokat tartalmazott), majd szétoszlatták egy lemezen, vékony filmet képezve. Ezt mártották aztán a folyékony nitrogénnel lehűtött folyékony etánba (ez sok szempontból előnyösebbnek bizonyult annál, mintha közvetlenül nitrogént használtak volna). E technikával már viszonylag könnyedén lehetett bármilyen fehérjét „vízüvegbe” foglalni és így károsodás nélkül vizsgálni az elektronmikroszkóp alatt.

A három kutató munkássága csakhamar összekapcsolódott, és a fagyasztva készített kétdimenziós, éles, nagy felbontású felvételek alapján egyre nagyobb részletességű térbeli modelleket lett képes alkotni a számítógépes algoritmus. A fejlődés mindmáig tart. A ma készülő fehérjeszerkezeti felvételek a néhány évvel ezelőttiekhez képest is sokkal részletesebbek. A kettő közötti különbség ahhoz hasonlatos, mint ha a régi katódsugárcsöves tévé után egyből ultra HD tévére váltanánk.