Jak pracuje život. Letošní nobelisté za chemii nahlédli do nitra buněk

Třetí letošní Nobelovu cenu, za chemii, udělila Švédská královská akademie výzkumníkům v oboru elektronové mikroskopie. Rovným dílem se o ni rozdělili Jaques Dubochet, Joachim Frank a Richard Henderson.

Obrázek často nahradí tisíce slov, to ve vědě platí stejně jako kdekoliv jinde. Vědecké objevy často vycházejí z úspěšné vizualizace objektů neviditelných lidským okem. Vzpomeňme již slavný případ objevu skutečné podoby DNA (a to znamená také mechanismu jejího fungování).

Nicméně biologické buněčné mapy jsou stále plné bílých míst. Dlouho jsme totiž neměli postup, jak bychom mohli zachytit molekulární stroje, které zajišťují chod všeho živého. Na úrovni celých buněk to bylo lepší, ale dovnitř jsme příliš nedohlédli: používané postupy byly totiž velmi „násilné“ - v podstatě jsme zachycovali jen mrtvé a notně pozměněné buněčných součástek. Pozorovat v „přirozeném prostředí“ molekuly našich těl můžeme díky, které během let práce vyvinuli tři letošní nositelé Nobelovy ceny za chemii (samozřejmě za přispění řady kolegů z jejich i dalších týmů, na které se nedostalo): Jaques Dubochet, Joachim Frank a Richard Henderson.

Metoda nese název kryoelektronová mikroskopie a jak je z něj patrné, je spojená s chladem a elektronovými mikroskopy. V podstatě umožňuje zmrazit molekuly v našich buňkách uprostřed pohybu a tak vizualizovat procesy, které jsme dosud nikdy předtím neviděli. To je zcela zásadní pokrok v poznávání života i například ve vývoji nových léčiv.

Uvidět bílkovinu a nezabít

Elektronové mikroskopy (velmi rozšířený a šikovný nástroj na zobrazování objektů velikosti molekul a atomů) byly dlouho považovány za vhodné pouze pro zobrazování mrtvé hmoty. Zaprvé proto, že předmět, který chcete zkoumat, musíte v běžném elektronu umístit do vakua, což živá hmota samozřejmě nepřežije bez úhony - pravda, celý organismus chvíli vydrží, ale jednotlivá buněčná bílkovina už ne. Ve vakuu se vypaří voda, která je pro molekuly v našem těle přirozené prostředí. Vzorek tak zcela zásadně změní svůj tvar a fotografie tohoto „vraku“ málokdy má nějakou vypovídací hodnotu.

Další problém je, že běžný elektronový mikroskop snímá obrázek tak silným paprsek elektronů, že ten zkoumaný biologický materiál před dokončením snímku ještě dále poničí. Ve výsledku tedy elektronový mikroskop zachytí v případě nitra buněk obrázek, který vůbec neodpovídá tomu, co bychom mohli pozorovat za běžných okolností.

Letošní nobelisté vyvinuli způsob, jak tento problém obejít. Joachim Frank pracoval na metodě, která umožnila ubrat na výkonu používaného elektronového mikroskopu, aby vzorek nezničil. Od poloviny 70. let zhruba do poloviny 80. let vyvinul postup zpracování obrazu, která umožnila nezřetelné dvojrozměrné obrazy z elektronového mikroskopu o nižším výkonu „dopočítat“ tak, aby z nich byly patrné dostatečně ostré kontury prostorových objektů.

Jacques Dubochet si dokázal poradit s „vodním“ problémem. Na počátku osmdesátých let se mu podařilo připravit vzorky v amorfním ledu. Při tom zjednodušeně řečeno ochladí vodu tak rychle, že led kolem vzorku se strukturou podobá tekutině (zchladne tak rychle, že v něm nevzniknou struktury). Stejně jako běžný led ovšem i amorfní led ve vakuu vydrží a slouží jako ochranný štít kolem vzorku.

V praxi prováděl Dubochet zmrazování potápěním snímaného vzorku do ethanu ochlazeného tekutým dusíkem na cca -190°C. A aby byl teplotní přechod opravdu rychlý, vzorek do ethanu vystřelili v podstatě malým katapultem. Díky tomu mohou biomolekuly být celou dobu snímání ve svém přirozeném vodním prostředí.

Ukázka toho, jak se vyvinula naše schopnost pozorovat objekty v molekulách během posledních několika let. Místo „blobů“ s nezřetelnými obrysy je dnes možné poměrně přesně určit strukturu molekul - a díky tomu tedy také zjistit, proč a jak vlastně fungují.

Richard Henderson pak přesvědčivě prokázal, že tato metoda má skutečně ohromný potenciál. Patnáct let tvrdošíjně pracoval na způsobu, jak zobrazit přesnou 3D podobu jedné jediné bakteriální bílkoviny (bacteriorhodopsinu), která si díky svým nezvyklým vlastnostem udržela pod elektronovým mikroskopem svůj tvar lépe. (Šlo totiž o molekulu, která se v buněčné membráně bakterií vyskytuje v pravidelných intervalech, a tak při snímkování vznikla difrakční mřížka podobně jako při krystalografii). Hendersonova práce ukázala, že vývoj metody může mít ohromný dopad a zásadně přispět k našemu poznání mechanismů života.

Přesně to se také stalo. V posledních několika letech se kryoelektronová mikroskopie stala již běžnou metodou, díky které můžeme zaznamenávat dokonce i „filmy“ jednotlivých molekul v buňce přímo při práci. Postup je sice stále pracný a má svá omezení, ale vědecká literatura posledních let je plná nově pořízených a nikdy předtím neviděných snímků. Od bílkovin, které dávají mikrobům rezistenci vůči antibiotikům, po molekuly na povrch viru zika. Je to doslova obraz budoucnosti biologie.

Aktualizace: Do článku jsme doplnili další informace.