نوبل شیمی ۲۰۱۷: میکروسکوپ کرایو الکترونی و تصویرنگاری زیست مولکولی

ژاک دوبوشه، یواکیم فرانک و ریچارد هندرسون جایزه نوبل شیمی را به سبب توسعه‌ی روشی جدید برای ساخت تصویرهای سه‌بعدی از مولکول‌های زیستی به خود اختصاص دادند. این روش می‌تواند انقلابی در مطالعه‌ی مکانیزم‌های درونی سلول‌ها ایجاد کند.

کمیته‌ی جایزه‌ی نوبل معتقد است که روش آن‌ها، میکروسکوپی کرایو الکترونی، می‌تواند به ارائه‌ی تصویری دقیق از مکانیزم‌های پیچیده‌ی حیات در ابعاد اتمی منجر شود و به زیست‌شناسان امکان می‌دهد تا جنبه‌های خاصی از سلول‌ها را که پیش از این قابل بررسی نبودند، پژوهش کنند.

میکروسکوپی کرایو الکترونی ثبت تصاویر از مولکول‌های زیستی پس از انجماد سریع آن‌ها را امکان‌پذیر می‌کند. در این روش، شکل طبیعی مولکول حفظ می‌شود.

کشف شکل یک پروتئین از این جهت ضروری است که به درک عملکرد آن کمک می‌کند. به‌عنوان مثال، پی بردن به ساختار یک ویروس به درک چگونگی تهاجم آن به یک سلول کمک می‌کند. دهه‌ها بود که روش اصلی مطالعه‌ی ساختارهای پروتئینی، به دست آوردن بلوری از هزاران پروتئین، تاباندن اشعه‌ی ایکس به آن و سپس استنتاج ساختار پروتئین از طریق مطالعه‌ی الگوهای بازتابی اشعه‌ی ایکس بود.

اما پروتئین‌های بسیاری هستند، به‌ویژه پروتئین‌های غشاهای خارجی سلول‌ها که یک ساختار بلوری تشکیل نمی‌دهند.

دکتر هندرسون، از آزمایشگاه زیست‌شناسی مولکولی MRC در کمبریج، حرفه‌ی خود را به‌عنوان بلورنگار اشعه ایکس آغاز کرد. به سبب محدودیت‌هایی که وجود داشت، او ابزار دیگری برگزید: میکروسکوپ الکترونی.

 میکروسکوپ‌های الکترونی در سال ۱۹۳۱ اختراع شدند. آن‌ها در محیط خلأ کار می‌کنند و روش تصویرنگاری آن‌ها بمباران نمونه با الکترون است که به همین دلیل برای مطالعه‌ی پروتئین‌ها و دیگر مولکول‌های زیستی مناسب نیستند. میکروسکوپ‌های الکترونی نمونه را خشک و با تابش آن را از بین می‌برند.

دکتر هندرسون و همکارانش می‌خواستند پروتئینی را که در غشای یک ارگانیسم فتوسنتز کننده بود، بررسی کنند. برای این بررسی، خلأ چندان مشکل بزرگی نبود. آن‌ها پروتئین غشایی را با محلولی از گلوکز پوشاندند تا خشک نشود.

آن‌ها شدت پرتوی الکترونی را کم کردند و از آرایش‌های معمول پروتئین در غشا استفاده کردند. دکتر هندرسون با استفاده از این روش توانست در سال ۱۹۷۵، شکل پروتئین را با استفاده از پخش الکترون‌ها بازسازی کند. او این کار را با تحلیل‌های ریاضی که در بلورنگاری اشعه ایکس استفاده می‌کرد، انجام داد.

اما پروتئین‌های بسیاری هستند که آرایشی معمول ندارند یا همه در یک سمت جهت‌گیری نشده‌اند. دکتر فرانک از دانشگاه کلمبیا، پیشرفتی در این روش به وجود آورد. او تصویرهایی از هزاران پروتئین یکسان که جهت‌گیری‌های متفاوت داشتند، ثبت کرد. سپس کامپیوتر تصویرهای یکسان، یعنی پروتئین‌هایی با جهت‌گیری یکسان را گروه‌بندی و آن‌ها را برای دستیابی به نتیجه‌ای واضح‌تر با هم ترکیب کرد. دکتر فرانک با استفاده از تصاویر روی هم قرار داده‌شده، توانست شکل سه‌بعدی پروتئین را به دست بیاورد.

دکتر دوبوشه از دانشگاه لوزان سوئیس این روش را بهبود بخشید. با انجماد سریع مولکول‌ها می‌توان آن‌ها را از خلأ محافظت کرد. اما در یخ، مولکول‌های آب به یکدیگر می‌چسبند و ساختاری بلوری ایجاد می‌کنند. حرکت الکترون‌ها در بلورهای یخ، به تصویرهایی ناکارآمد منجر می‌شد.

برای غلبه بر این مشکل، دکتر دوبوشه نمونه‌ها را در اتان سردشده با نیتروژن مایع قرار داد. در دمای منفی ۱۹۶ درجه‌ی سلسیوس، مولکول‌های آب فرصتی برای به هم پیوستن و تشکیل بلورهای یخی ندارند و ساختاری شبیه به شیشه به وجود می‌آورند. او بدین طریق موفق شد پروتئین‌ها را به‌جای بلورهای یخ ثبت کند.

سارا اسنوگراپ، استاد شیمی‌فیزیک دانشگاه لوند در سوئد، رئیس کمیته‌ی نوبل بود. او معتقد است که کار این گروه می‌تواند ساختار همه‌ی پروتئین‌های حیات را تعیین کند:

به‌زودی دیگر رازی باقی نخواهد ماند. حال می‌توانیم جزئیاتی پیچیده از مولکول‌های زیستی در هر گوشه از سلول‌هایمان و در هر قطره از مایعات بدنمان به دست آوریم. ما شاهد انقلابی در بیوشیمی هستیم.

دکتر فرانک می‌گوید چند سالی طول می‌کشد تا این مطالعات کاربردی شوند:

کاربرد عملی این پژوهش بسیار وسیع خواهد بود. اما همیشه مدت‌زمانی طول می‌کشد تا نتایج پژوهش‌های بنیادی راه خود را به دانش عمومی و کاربردهای دارویی باز کنند.

این روش به پیشرفت‌هایی دست پیدا کرده است. سال گذشته پژوهشگران توانستند با استفاده از کرایو الکترون میکروسکوپی، ساختار ویروس زیکا را تحلیل کنند. همین روش برای یافتن ساختار پروتئین‌های دخیل در ریتم‌های شبانه‌روزی استفاده شد که این موضوع هم نوبل پزشکی امسال را به خود اختصاص داد.