Nobel z chemii za mikroskopię w skali nano

Nobla 2014 z chemii otrzymali Eric Betzig i William E. Moerner z USA oraz Niemiec Stefan W. Hell, którzy opracowali metodę mikroskopii fluorescencyjnej wysokiej rozdzielczości; ich prace są pomocne m.in. w badaniach chorób uszkadzających mózg, np. Parkinsona.

Nazwiska laureatów ogłoszono w środę w Sztokholmie. Naukowcy podzielą się po równo kwotą 8 milionów koron szwedzkich (ok. 3,6 mln zł). 54-letni Betzig pracuje w Howard Hughes Medical Institute w Ashburn (USA), 51-letni Hell jest dyrektorem Max-Planck-Institut fur Biophysikalische Chemie w Getyndze (Niemcy), a 61-letni Moerner - profesorem Stanford University w Kalifornii (USA).

"Dzięki ich osiągnięciom mikroskop optyczny może zajrzeć w nanoświat. Mikroskopia stała się nanoskopią" - uzasadniali swoją decyzję członkowie Komitetu Noblowskiego.

Jak zaznaczył Komitet, opracowanie przez noblistów wysokorozdzielczej metody konfokalnej mikroskopii fluorescencyjnej - STED pozwoliło obserwować m.in. białka biorące udział w rozwoju chorób uszkadzających mózg, np. w chorobie Parkinsona, Alzheimera, Huntingtona. Każdy z laureatów korzystał ze STED w praktyce. Hell badał komórki nerwowe, aby lepiej poznać połączenia w mózgu. Moerner zajmował się białkami typowymi dla choroby Huntingtona, natomiast Betziga interesowały podziały komórek wewnątrz rozwijającego się zarodka.

Konwencjonalny mikroskop optyczny ma rozdzielczość ograniczoną przez falową naturę światła. Tak zwany limit Abbego - wydawało się nieprzekraczalny - nie pozwala na obrazowanie struktur mniejszych niż około 200 nanometrów (miliardowych części metra). Wiele istotnych struktur wewnętrznych komórki ma wielkość 10 do 200 nm, co sprawia, że w mikroskopie świetlnym mają postać rozmytych plam albo są wręcz niedostrzegalne. Tym bardziej nie da się zobaczyć pod mikroskopem optycznym wirusów czy pojedynczych cząsteczek białka.

Co prawda istnieje mikroskop elektronowy, który ma rozdzielczość o kilka rzędów wielkości większą, jednak pozwala badać wyłącznie martwe obiekty umieszczone w wysokiej próżni i bombardowane wiązką elektronów. Nie da się tak obserwować żywych organizmów ani naturalnie zachodzących procesów. Z kolei mikroskop sił atomowych pozwala obserwować tylko powierzchnie badanych struktur.

Aby ominąć limit Abbego, naukowcy zastosowali mikroskopy fluorescencyjne, w których wykorzystuje się promieniowanie świetlne, pobudzające do świecenia substancje naturalnie zawarte w próbce lub do niej wprowadzone. Odmianą tej metody jest mikroskopia konfokalna, w której wiązka lasera skanuje próbkę biologiczną i lokalnie wzbudza cząsteczki barwnika (wcześniej wprowadzone do próbki).

Barwnik dobiera się tak, aby gromadził się w interesujących naukowców fragmentach żywej komórki. Mogą to być na przykład specyficzne przeciwciała, którym nadano zdolność świecenia. Wzbudzone cząsteczki barwnika zaczynają emitować światło, które jest przepuszczane przez filtr i rejestrowane przez detektor umieszczony za otworem konfokalnym.

Odpowiednio dobrany rozmiar tego otworu sprawia, że światło z płaszczyzn poza ogniskiem obiektywu zostaje usunięte, co zwiększa kontrast obrazu.

Opracowany przez tegorocznych noblistów konfokalny mikroskop STED (Stimulated Emission Depletion) oprócz wiązki wzbudzającej, pochodzącej ze zwykłego lasera, wykorzystuje dodatkową, pierścieniowatą wiązkę, która wygasza fluorescencję na brzegach wzbudzonego punktu. Wiązka ma taką długość fali, że w oświetlonych nią cząsteczkach barwnika dochodzi do emisji wymuszonej. Cząsteczki, które za pomocą emisji wymuszonej pozbyły się energii, nie są już zdolne do fluorescencji i nie są widoczne na rejestrowanym obrazie. Dzięki temu obszar próbki, świecący wskutek fluorescencji, jest wyraźnie mniejszy od średnicy wiązek laserowych, a uzyskany obraz ma rozdzielczość wielokrotnie większą niż pozwalałby limit Abbego.

William E. Moerner - pracujący wówczas dla firmy IBM - jako pierwszy w 1989 r. dokonał pomiaru absorpcji światła przez pojedynczą cząsteczkę. To osiągniecie zainspirowało Erica Betziga do opracowania teoretycznych podstaw mikroskopii opartej na łączeniu obrazów fluorescencyjnych emitowanych przez cząsteczki świecące w różnych kolorach. W 1997 r. Moerner zastosował do obrazowania świecące na zielono białko GFP, występujące naturalnej u meduz. Udało mu się uzyskać taka odmianę tego białka, które daje się "włączać" i "wyłączać". Okazało się, że zamiast wielu kolorów, które chciał stosować Betzig wystarczą cząsteczki świecące w różnym czasie, pod wpływem wielu słabych impulsów lasera. Pierwszy mikroskop fluorescencyjny STED zbudował w Getyndze Stefan W. Hell w 2000 roku.