Před dvanáctou hodinou, tedy se zhruba čtvrthodinovým zpožděním proti plánu, byli 8. října 2014 vyhlášeni nositelé letošní Nobelovy ceny za chemii. Jsou jimi Eric Betzig (USA), Stefan Hell (Německo) a William Moerner (USA). Působí v různých institucích a na různých místech světa, ale všichni se v kariéře zabývali mimo jiné tím, jak přiblížit vědcům dění v buňkách a ještě hlouběji na úrovni molekul.
Společně dokázali překročit fyzikální limity běžných optických mikroskopů, které byly původně považovány za neprolomitelné. Díky nim dnes můžeme pozorovat objekty výrazně menší než je vlnová délka světla používaného k pozorování.
Vytyčení hranice
Příběh letošní Nobelovy začíná vlastně v 19. století. V roce 1840 se narodil v Německu Ernst Abbe. V roce 1863 získal mladý vědec místo na univerzitě v Jeně a požádal Carla Zeisse, aby mu sestavil mikroskop. Oba si padli do oka a po třech letech se Abbe stal vědeckým spolupracovníkem později proslulé optické firmy.
V 70. letech vytvořil německý vědec první teoretický model chování světla v mikroskopu a ukázal, jak dosáhnout dokonalosti obrazu. Kupříkladu prostor mezi skly vyplnil kapalinou s indexem lomu co nejbližším sklu (osvědčil se tehdy čirý cedrový olej), aby minimalizoval rozklad světla na rozhraních. Ve spolupráci s Ottem Schottem pak vytvořil generaci mikroskopů, které prakticky dosahovaly dokonalosti: dosáhli rozlišení, které se používá dodnes (běžně se používá cca 1000-1500násobného zvětšení, ale techniky je možná jít i o trochu níže. Jen to z různých důvodů nemá příliš smysl.).
Ale i skvělé rozlišení Zeissových přístrojů brzy přestalo řadě zvídavých lidí stačit. Optické mikroskopy mohou zobrazovat předměty zhruba do velikosti cca 200 nanometrů (tedy poloviny vlnové délky viditelného světla). Právě to je Abbem zavedený tzv. difrakční limit. To je zhruba několikanásobek velikosti běžných virů, takže se pod ní schovává celá řada věcí, které by bylo velmi zajímavé přímo sledovat. Například to, co se děje v buňkách.
Podrobnější rozlišení nabízel od 20. století elektronový mikroskop, ale ten má jednou velkou nevýhodu: k sledovanému předmětu není šetrný. Při přípravě vzorku se totiž voda musí nahradit pryskyřicí nebo vzorek hluboce zmrazit, protože samotné pozorování probíhá ve vakuu. V něm by se voda nekontrolovatelně samovolně odpařovala a vzorek ničila. „Mrtví mravenci jsou zajímaví, ale živí mravenci jsou zajímavější,“ poznamenal při oznámení cen jeden z členů Nobelova výboru, chemik Sven Lidin z univerzity v Lundu.
Za nemožnou hranici
Abbem vypočítaný limit se podařilo překonat až o zhruba století později, a to znovu v Německu. Lví podíl na tom má první z letošních laureátů Stefan Hell. Tomu během 80. let údajně intuice (jeho vlastní slova) našeptala, že by mělo být možné překonat difrakční limit pomoci soustředění obrazu do jednoho místa dvěma různými objektivy.
Řada jeho kolegů se domnívala, že jenom ztrácí čas a Hell musel projevit poměrně velkou tvrdohlavost a odhodlání, aby u svého projektu mohl vytrvat. „Zůstal jsem ve vědě jen proto, že jsem chtěl zlepšit prostorové rozlišení,“ řekl později časopisu Nature.
Úspěchu dosáhl na začátku 90. let, kdy vznikl tzv. 4Pi mikroskop. Ten je podobný běžnému konfokálnímu mikroskopu, má ovšem dva stejné objektivy zaměřené proti sobě se vzorkem uprostřed. Obrazy z nich se skládají, a ve výsledku tak mikroskopy fungují jako jeden objektiv s lepším rozlišením (protože dvojnásobnou numerickou aperturu (účinnou světelností)). Rozlišení se tak dostalo zhruba na 100-200 nanometrů (hloubkové a plošné rozlišení je různé), tedy zhruba polovinu stávajících optických přístrojů. Hell ale s pokroky neskončil.
V Německu jeho snaze štěstí nepřálo, dostal ovšem nabídku na místo ve Finsku, kde mohl na svém nápadu pracovat dále. Jednoho sobotního odpoledne roku 1994 v Turku nad knihou o kvantové povaze světla přišel německý vědec na nový nápad: rozlišení by mohla zlepšit kombinace „světélkování“ (fluorescence) a laserů.
Fluoreskující molekuly se používaly v mikroskopii už delší dobu. Sloužily jako „lampičky“, které se mohly přilepit na sledované předměty (třeba DNA v buňce), a tak osvětlit jejich kontury. Hell navrhl, aby se snímky objektu pořizovaly v podstatě kombinací rozsvěcení a zhasínání fluoreskujících molekul ve vzorku díky nápaditě složenému laserovému paprsku. Jeden z paprsků má tvar trubice a zhasíná fluorescence vybuzené druhým paprskem. Ve výsledku tedy může být při správném nastavení laseru v jednu chvíli osvětlený prostor mnohem menší než difrakční limit.
Hell musel prodat svůj patent na 4Pi mikroskop, aby na rozvoji nápadu pracovat. Ale nakonec díky jeho metodě (nazývané STED, což je anglická zkratka pro „vyčerpání stimulovanou emisí“) původně nepřekonatelná hranice padla. Detailnost zobrazení závisela jen na tom, jak úzký je trubicovitý paprsek zhášecího laseru. V praxi to samozřejmě není možné zlepšovat donekonečna. Trubice se zužuje zvýšením intenzity laseru a příliš silný paprsek může objekt poškodit. Ale v každém případě šlo o zásadní pokrok.
Nobelova ceny za chemii byla v roce 2014 udělena za pokrok v mikroskopii. Červená linka ukazuje hranici, kterou svými objevy laureáti překonali.
Vypínač k molekule
Zatímco Hellova metoda postupně získává obraz detailním skenováním vzorku do jednoho snímku, v postupu jeho spolulaureátů vzniká snímek v podstatě skládáním mnoha obrazů s malými odlišnostmi na sebe. Služebně starší z nich je Moerner, který si v roce 1989 připsal (tehdy v IBM) velký úspěch: jako první na světě dokázal změřit, jaké světlo pohlcuje jedna určitá molekula. I díky tomu se pozornost chemiků soustředila v následujících letech v podstatně větší míře na nový obor zájmu: zkoumání jednotlivých molekul.
Věnoval se jim i W. E. Moerner, který se soustředil do značné míry na jednu konkrétní molekulu, která měla pro biologii a příbuzné vědy zásadní význam: zelený fluoreskující protein (GFP), za jehož objev byla udělena Nobelova cena v roce 2008.
Je to jakési univerzální „značka“, kterou biologové používají, aby se vyznali v buňkách. Díky němu je možné určit, kde se v buňkách nacházejí důležité látky pro chod molekuly (bílkoviny), a získávají tedy přehled o dění uvnitř. Gen pro tuto bílkoviny lze dnes vložit na libovolné místo DNA zkoumané buňky či organismu. Když se pak buňka osvětlí světlem o správné vlonvé délce, GFP se rozsvítí na místě, kde je zároveň přítomna i bílkovina, k jejímuž kódu byl „přilepen“. Konečně tak existuje elegantní způsob, jak zjistit, která látka se kde v buňce vyrábí a kde pak účinkuje.
Moerner tak trochu náhodou zjistil a v roce 1997 zveřejnil pozorování, že jeden z typů GFP lze vypínat a zapínat. Osvětlení určitým světlem (vl. délka 488 nanometrů) vyvolá několik bliknutí, po kterých molekula definitivně zhasne. Stačilo ovšem krátké osvětlení paprskem o jiné vlnové délce (405 nanometrů) a molekula se znovu „zapne“ a světélkuje.
Toto pozorování o několik let později přivedlo posledního letošního oceněného, Erika Betziga, k vytvoření systému nové mikroskopické metody, která vytváří podrobný obraz pokládáním mnoha snímků nad sebe. V podstatě spočívá v tom, že na každém z mnoha pořízených snímků necháme svítit jenom několik málo značek. Každá z nich sice bude jen „flek“ veliký jako difrakční limit, ale to nevadí. Samotná značka se totiž nachází zhruba uprostřed fleku a její poloha tak lze určit s daleko větší přesností. Složením s snímků, na kterých jsou rozsvícené jiné molekuly, a tak se sesbírá postupně snímek s vysokým rozlišením.
Betzig měl nápad na podobný systém už v 90. letech, ale nevěděl, jaké molekuly by mohly posloužit jako „osvětlení“. Nakonec ho marné pátrání tak vyčerpalo, že odešel z výzkumu a nastoupil do otcovy firmy. Vydržel několik let, ale problém mikroskopie ho nepustil a v roce 2005 se k výzkumu vrátil. Díky Moernerově objevu řiditelné fluorescence u GFP proteinů brzy našel správný recept pro překročení difrakčního limitu.
Dlužno dodat, že Betzig nebyl sám. Metody mikroskopie s vysokým rozlišením se dnes používají různé a ne všechny jsou dílem letošních oceněných. Jejich dopad na vědu je však zásadní – i díky nim se například chemie prakticky propojila s biologií. Letošní Nobelova cena za chemii by mohla klidně být „biologická“ a třeba právě Eric Betzig po oznámení o ceně řekl novinářům, že chemie byla vždycky jeho nejhorší předmět a vlastně nic o chemii nic neví.
Na druhou stranu platí, že i když dnes je možné pozorovat biochemické procesy detailně na buněčné úrovni, je těžké je přiřadit k projevům těchto biochemických procesů na vyšší úrovni. Je tedy těžké třeba propojit procesy v buňce s chováním organismů (jednou výjimkou je objev, za který byla udělena letošní cena za medicínu, tedy naše prostorová pamět).
Nobelova cena za chemii
Noví laureáti se tak zařadili po bok předchozích držitelů této ceny, kam patří i první Čech, který získal Nobelovu cenu. Bylo to v roce 1959 a oceněným byl Jaroslav Heyrovský za objev polarografie.
Loni byli Nobelovou cenou za chemii oceněni vědci Martin Karplus, Michael Levitt a Arieh Warshel. Dokázali vytvořit systém, jak v počítači předpovídat průběh velmi složitých chemických reakcí pomocí počítačového modelu až na úroveň jednotlivých elementárních částic (a zároveň bez toho, aby zahltili počítače).
Každý rok se web Thomson Reuters pokouší odhadnout, kdo se stane laureátem Nobelovy ceny v jednotlivých oborech. Využívá k tomu především množství citací. Letos měli podle těchto odhadů mít největší šanci objevitelé OLED technologie Ching W. Tang a Steven Van Stake.
Šanci také měli mít Charles T. Kresge, Ryong Ryoo, Galen D. Stucky, kteří stojí za návrhem funkčních mezoporézních materiálů.
Uspět mohli také vědci Graeme Moad, Ezio Rizzardo a San H. Thang, kteří měli podíl na vývoji metody RAFT polymerizace (reversible addition–fragmentation chain transfer). To je metoda, která umožňuje například vytvářet polymery, které umožňují řízené uvolňování léčiva v živém organismu.
