2014. Наноскоп Бетцига, Хелля и Мернера
В 2014 году Нобелевская Премия по химии была присуждена Эрику Бетцигу, Штефану Хеллю и Уильяму Мернеру «…за разработку метода флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения…».
В течение длительного времени возможности оптической микроскопии были ограничены одним, казалось бы, непреодолимым барьером — невозможно получить изображение с разрешением выше, чем половина длины волны света. Использование молекул, способных к флуоресценции, позволило нобелиатам-химикам 2014 года преодолеть этот барьер, и их работы, которые можно считать прорывом, открыли эру применения оптической микроскопии.
Благодаря модификации метода оптической микроскопии, получившего название «наноскопия» (nanoscopy), стало возможным отслеживать пути отдельных молекул непосредственно в живых клетках. Теперь можно наблюдать, как молекулы формируют синаптические окончания между нервными клетками мозга, или увидеть, как агрегируют белки, ответственные за такие нейродегенеративные заболевания, как болезни Паркинсона, Альцгеймера и Хаттингтона, можно шпионить за отдельными белками в оплодотворенных клетках, подвергающихся делению.
До определенного времени не было очевидным то, что когда-либо ученым удастся изучить живые клетки в мельчайших молекулярных деталях. В 1873 году специалист по микроскопии Эрнст Аббе постулировал, что разрешение, которое может быть достигнуто с помощью традиционной оптической микроскопии, не может быть меньше, чем 0,2 мкм, однако Бетциг, Хелль и Мернер смогли преодолеть эту планку.
Несмотря на общность формулировки, награда присуждена за два несколько отличных друг от друга принципа. Один из них представляет собой метод микроскопии стимулированного истощения эмиссии [emission depletion (STED)], и он был разработан Хеллем в 2000 году. В данном случае используется два лазерных луча, один из которых стимулирует эмиссию флуоресцентной молекулы, а другой способствует гашению всей флуоресценции, кроме флуоресценции на наноразмерном участке образца. Сканирование образца нанометр за нанометром позволяет получить изображение исследуемого образца с разрешением лучшим, чем предел Аббе.
Бетциг и Мернер, работая независимо друг от друга, заложили основы второго метода — мономолекулярной микроскопии. Этот метод опирается на возможность контролируемого включения и выключения флуоресцентного сигнала отдельной молекулы. Исследователи получали изображение одного и того же объекта несколько раз, при каждой регистрации изображения позволяя светиться только некоторым из присутствующих в образце молекул. Наложение полученных изображений позволяет получить суперизображение с наноразрешением, что было продемонстрировано Бетцигом впервые в 2006 году.
2015. Репарация Линдала, Модрича и Санджара
Лауреатами Нобелевской Премии по химии 2015 года стали Томас Линдал, Пол Модрич и Азиз Санджар «…за картографирование с молекулярным разрешением клеточных процессов репарации (исправления) поврежденной ДНК и безопасного хранения генетической информации…».
Результаты их работы обеспечивают фундаментальную информацию о том, как работает живая клетка, эта информация, например, может быть использована для разработки и создания новых способов лечения злокачественных опухолей.
Ежедневно молекулы ДНК наших клеток повреждаются в результате воздействия ультрафиолета, свободных радикалов и других потенциальных канцерогенов. Даже без внешнего воздействия наш генетический аппарат оказывается нестабильным — молекулы ДНК изменяют свое строение постоянно. Считается, что ежедневно в клетке происходят тысячи мутаций (тех или иных изменений ДНК), а в многоклеточном организме суточное количество таких мутаций исчисляется миллиардами и большими числами. Образующиеся в результате мутации ДНК дефекты могут умножаться в процессе клеточного деления, и часть из них может приводить к нежелательным последствиям.
Причиной того, что наш генетический материал не разрушается, не превращается в неуправляемый хаос, является сложный набор молекулярных машин, который непрерывно отслеживает повреждения ДНК и исправляет их. Процесс исправления мутаций в ДНК клетки называется репарацией, и Нобелевская Премия по химии 2015 года вручена трем исследователям, внесшим свой вклад в изучение и построение карт систем репараций ДНК на молекулярном уровне.
В начале 1970-х годов исследователи были уверены, что ДНК представляет собой исключительно устойчивую молекулу, однако эти представления были опровергнуты Томасом Линдалем, продемонстрировавшим, что свободная ДНК меняется и разрушается с такой скоростью, которая теоретически говорила о невозможности существования жизни на Земле. Эти наблюдения привели исследователя к открытию молекулярных систем, которые постоянно противодействуют коллапсу наших ДНК.
Азиз Шанкар в деталях изучил механизм эксцизионной репарации, тот самый, которые клетки используют для исправления повреждений ДНК, вызванных воздействием ультрафиолета. Люди, рожденные с дефектом в этой системе «самолечения ДНК», подвергаются повышенному риску развития рака кожи и вынуждены минимизировать свое пребывание на солнечном свете. Клетка применяет эксцизионную репарацию также и для исправления дефектов, вызванных другими мутагенами.
Роль Пола Модрича в изучении процессов репарации ДНК заключается в том, что он изучил, как клетки исправляют дефекты ДНК в процессе деления клетки. Механизм такой починки ДНК в тысячи раз снижает частоту ошибок, возникающих в процессе репликации, приводя к тому, что вероятность ошибки ДНК в процессе деления клетки составляет 1:1000000. Дефекты в молекулярной машинерии, обуславливающей такой способ репарации ДНК, например, отвечают за генетическую предрасположенность к раку прямой кишки.
Лауреаты Нобелевской Премии по химии 2015 года детально изучили механизмы, обуславливающие устойчивость генетической информации, и результаты их работы могут оказать существенное влияние на способы лечения тех заболеваний, которые связаны с повреждениями строения ДНК.
