Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Nawigacja okruszkowa Nawigacja okruszkowa

Nawigacja Nawigacja

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Podglądanie atomów stało się faktem

Podglądanie atomów stało się faktem

25 października 2018 roku wydano oficjalną decyzję dotyczącą zakupu innowacyjnego mikroskopu elektronowego nowej generacji Cryo-EM, który za kilka miesięcy zacznie działać w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS (NCPS) w ramach nowo utworzonego Krajowego Centrum Kriomikroskopii Elektronowej.

Fakt rychłego pojawienia się kriomikroskopu na hali badawczej SOLARIS jest efektem długotrwałych zabiegów organizacyjnych i olbrzymiego wsparcia 17 naukowych instytucji, w tym Uniwersytetu Jagiellońskiego, które zwróciły się z oficjalnym pismem do Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego z prośbą o sfinansowanie takiego przedsięwzięcia.

O wyjaśnienie wszelkich kwestii związanych z jego pojawieniem się w Krakowie poprosiliśmy dyrektora NCPS prof. Marka Stankiewicza i dr. Sebastiana Glatta z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego. Jest to wspaniały przykład integracji i współpracy polskiego środowiska naukowego, który pokazuje, jak naukowcy z różnych instytutów badawczych wspólnie stanęli po stronie idei – wyjaśnia prof. Stankiewicz. Z mikroskopu może skorzystać każdy, a jego dostępność będzie olbrzymią szansą na zrzeszenie wielu naukowców z Polski i Europy. Mimo, że zacznie on działać dopiero w drugiej połowie przyszłego roku, już dzisiaj chęć przeprowadzenia natychmiastowych badań zadeklarowało 31 instytucji badawczych. Projekt ten traktujemy również jako wielką inwestycję w polską lokalną społeczność naukową, ponieważ daje on ogromną możliwość najlepszym grupom badawczym z dziedziny biologii molekularnej – podkreśla dr Glatt. Nad jakością i poprawnością pomiarów będzie czuwał specjalnie wyszkolony specjalista. Już sam ten fakt dosadnie obrazuje, z jak bardzo wyspecjalizowanym instrumentem mamy do czynienia – dodaje. Naukowcy, którzy wyrażą chęć dokonania pomiarów na kriomikroskopie, nie tylko więc będą mieli dostęp do sprzętu dającego możliwość uzyskania fundamentalnych danych dla ich badań, ale również na każdym etapie będą mieli gwarancję wsparcia specjalistów, którzy zapewnią poprawną analizę uzyskanych wyników.

Na czym więc polega fenomen technologii Cryo-EM, działającej jak magnes przyciągający rzesze naukowców do Centrum SOLARIS? Jakich rezultatów możemy się spodziewać i do czego realnie przyczynią się pomiary tego unikalnego w skali światowej mikroskopu?

Drzwi szeroko otwarte

Pierwotne oglądanie fundamentalnych elementów materii – cząsteczek i atomów, można porównać do potocznego zerkania przez dziurkę od klucza. Mając pewien ograniczony obraz, wspierany przez uzyskiwane widma ich promieniowania (niejako odzwierciedlające pukanie atomów do tychże samych drzwi) opisywanie struktury materii pozostawało w sferze wymagających działań badawczych. Późniejszy rozwój w dziedzinie obserwacji mikroświata – najpierw poprzez przełomowe udoskonalenie mikroskopu optycznego, a później przez wykorzystanie mikroskopii elektronowej (SEM) i fluorescencyjnej stopniowo przyczyniało się do coraz szerszego uchylania metaforycznych drzwi. Obecna technologia Cryo-EM jest narzędziem otwierającym te drzwi szerzej, niż jakakolwiek inna metoda obserwacyjna, przedstawiając nam wgląd w materię nawet na poziomie atomowym. Nigdy wcześniej podglądanie mikroświata nie było aż tak łatwo dostępne.


 

Nowatorskie zamrażanie

Na czym tak naprawdę polega innowacyjność i różnica pomiędzy kriomikroskopem i innymi używanymi do tej pory, zaawansowanymi metodami obserwacji? Przede wszystkim technologia Cryo-EM – jak sama nazwa wskazuje – wykorzystuje temperaturę na poziomie kriogenicznym, czyli ekstremalnie niskim (poniżej -150 stopni Celsjusza). W takiej temperaturze zamraża się wodę, w której znajduje się próbka materiału poddanego pomiarowi. Już tego typu przedsięwzięcie stwarza zasadniczą zaletę, ponieważ zamrożona próbka, mająca nierzadko wymiary na poziomie mikrometrów staje się dużo bardziej stabilna, co w znacznym stopniu poprawia możliwości wglądu w jej strukturę.

Zamrożenie wody, nawet do tak niskiej temperatury, nie wydaje się jednak być nader przełomowym działaniem. Pamiętajmy jednak o tym, że woda poddana procesowi zamrażania zmienia się w lód posiadający regularną budowę krystaliczną. Sama wiązka elektronowa wypuszczona przez nadajnik mikroskopu, napotykając kryształy lodu na swojej drodze odbija się od nich, zamiast przeniknąć głębiej przez strukturę lodu i dostać się do próbki. Rezultatem jest przekazanie do detektora błędnych informacji pomiarowych i zaburzony obraz molekularny.

Cała sztuka polega więc na tym, aby zamrozić wodę tak, by jej struktura zamiast stanu krystalicznego uzyskała formę amorficzną (bezpostaciową), co nie tylko utorowałoby drogę wiązce elektronowej, ale i uchroniłoby próbkę przed zniszczeniem w wyniku zamrażania. Przełom w tej kwestii jest zasługą ubiegłorocznego laureata Nagrody Nobla z dziedziny chemii – Jacquesa Dubocheta, który opracował metodę nowatorskiej techniki przygotowywania próbek zamrażanych w wodzie schłodzonej do kriogenicznej temperatury w ciągu kilku nanosekund. Dzięki takiemu zabiegowi, cząsteczki wody nie mając czasu na regularne uporządkowanie swojej struktury w kryształy lodu pozostają w bezkształtnym stanie szklistym, bezpiecznym dla próbki i efektywnym dla pomiaru. Łącząc tę metodę z nowatorską technologią stosowania wiązki elektronowej o niższej energii, która dodatkowo umożliwia uzyskanie spektakularnych rozdzielczości w naturalnym atomowym środowisku próbki (dokonanie kolejnego zeszłorocznego laureata Nagrody Nobla – Richarda Hendersona), wynik pomiaru wzrasta do przewrotnej ilości danych liczonych w terabajtach (do 13 TB dziennie!). Tak wielki rezerwuar materiałowy wymaga ogromnych mocy obliczeniowych, które umożliwiłyby trójwymiarowe modelowanie uzyskanych obrazów 2D. Za przełom w dokonaniu tak zaawansowanego przedsięwzięcia odpowiada Joachim Frank, trzeci ubiegłoroczny noblista z dziedziny chemii, który rozwinął zaawansowane matematyczne metody analizy obrazowej, przyczyniając się do uzyskania fenomenalnej jakości molekularnych modeli 3D.

Wszystkie te przełomowe odkrycia i działania przyczyniające się do rozwoju technologii Cryo-EM sprawiły, że dzisiaj mamy do dyspozycji mikroskop, umożliwiający eksplorację całkowicie nowych horyzontów badawczych.

Przełomowe badania

Do czego tak naprawdę mogą przyczynić się badania realizowane na mikroskopie Cryo-EM? Już teraz uważa się, że technologia kriomikroskopii w ogromnej mierze zrewolucjonizowała biologię strukturalną. Kontynuując badania na tym instrumencie zapewniamy sobie dalszy wkład w rozwój fundamentalnego zrozumienia kompleksów białkowych, a więc i podstawowych kwestii związanych z naprawą DNA, silnego wspierania dalszych badań nad chorobami nowotworowymi, chorobą Alzheimera, czy otyłością – wyjaśnia dr Glatt, zaś prof. Stankiewicz dodaje, że to w jaki sposób funkcjonujemy, jak możemy chronić się przed chorobami i przed szkodliwymi dla zdrowia człowieka czynnikami, warunkowane jest biologicznymi mechanizmami działającymi na poziomie  molekularnym, wobec czego wykorzystanie potencjału mikroskopu przyczyni się do znacznego postępu w ochronie jednostkowego zdrowia człowieka.

Stoimy dziś więc przed jednym z największych osiągnięć polskich naukowców, nie tylko w kwestii wspólnej kooperacji, inicjacji projektów realizowanych na skalę światową, czy perspektywy osiągnięcia ultra-precyzyjnych wyników pomiarowych. Obecność najwyższej klasy mikroskopu Cryo-EM w Krakowie staje się przede wszystkim realną szansą na przyszłe osiągnięcia przyczyniające się do opracowania nowych terapii leczniczych. Będą one mogły chronić coś, co wciąż uznawane jest za pryncypialne i najbardziej wartościowe – zdrowie i życie człowieka. 

 

Agnieszka Defus

 

Źródło grafiki: Royal Swedish Academy of Sciences

---------------------------------------------

Przeczytaj także - Nobel 2017 z chemii: mroźny mikroskop

Polecamy również
Autonomiczny samochód wjechał w grupę przechodniów. Są ofiary