De wetenschappers die het vermogen hebben ontwikkeld om enkele van de bouwstenen van het leven onder de elektronenmicroscoop te zien, hebben de Nobelprijs voor de Scheikunde 2017 gekregen.

Jacques Dubochet, Joachim Frank en Richard Henderson pionierden met cryo-elektronenmicroscopie, waarvan de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen zei dat het de beeldvorming van biologische moleculen zowel vereenvoudigt als verbetert, bekend als biomoleculen.

De prijs van 9 miljoen Zweedse kronen (A$1,4 miljoen) wordt gelijkelijk verdeeld tussen Dubochet, aan de Zwitserse universiteit van Lausanne, Frank, aan de Columbia University in New York, en Henderson, aan het MRC Laboratorium voor Moleculaire Biologie, Cambridge in het VK.

De Academie zei dat de door de drie onderzoekers ontwikkelde methode de biochemie naar een nieuw tijdperk had gebracht. De technologie stelt onderzoekers nu in staat om biomoleculen met hoge resolutie te bekijken terwijl ze in hun natuurlijke staat bestaan.

Het biologische slot en sleutel

Het menselijk lichaam is verbazingwekkend complex en vereist de samenwerking van een reeks biochemische mechanismen, zoals vertering en energieproductie, om goed te kunnen functioneren. Deze ingewikkelde processen omvatten het gebruik van biomoleculen, typisch grote entiteiten gemaakt van aminozuren - de bouwstenen van het leven.

belangrijk, net als de bouw van een bakstenen huis, de configuratie of plaatsing van de blokken is van cruciaal belang voor hoe goed onze constructie staat, of hoe goed onze biomoleculen functioneren.

Verder, biomoleculen presenteren hun vermogen om taken uit te voeren door interactie met andere entiteiten, dergelijke enzymen, in het lichaam. Deze zijn gebaseerd op een specifieke configuratie, net zoals hoe slechts één sleutel een bepaald slot kan openen.

De grote uitdaging die het bekroonde team overwonnen heeft, was het ontwikkelen van het vermogen om de biomoleculen in hun natuurlijke staat te observeren. Vóór de komst van cryo-elektronenmicroscopie, ze werden zichtbaar gemaakt met röntgenkristallografie.

Men dacht ook dat elektronenmicroscopen alleen geschikt waren voor het afbeelden van dode materie, omdat de krachtige elektronenstraal biologisch materiaal vernietigt.

De belangrijkste doorbraak kwam met de ontwikkeling van een proces om een ​​monster snel in te vriezen. Hierdoor konden de biomoleculen worden vastgelegd in hun op maat gemaakte configuratie.

Het team ontdekte al vroeg in hun werk dat het bevriezen van een monster voorafgaand aan visualisatie de verbetering kan opleveren die nodig is om de biomoleculen volledig te ondervragen.

Bevroren in de tijd

Hier begint het plezier. Hoewel het van nature eenvoudig klinkt, het snel invriezen van een monster is bijzonder uitdagend.

Als het proces het water uit het monster verwijdert, stort het biomolecuul in, het verliezen van de door de onderzoekers gewenste natuurlijke configuratie. Als het monster te langzaam wordt ingevroren, vormen zich ijskristallen, die ook interfereert met de configuratie van het biomolecuul.

Het team ontwikkelde een proces dat vitrificatie wordt genoemd. Dit bevriest het monster bij -190℃ terwijl het op een draadgaas wordt geplaatst, een elegant eenvoudige benadering om een ​​moeilijk probleem op te lossen.

Zoals de meeste Nobelprijswinnende wetenschappelijke prestaties, de ontwikkeling was incrementeel. Veranderingen door het team gedurende vele jaren maakten de combinatie mogelijk van het invriesproces (ontwikkeld in 1978) en de microscopietechnologie die pas in 2013 volledig werd gerealiseerd.

Deze combinatie en vooruitgang in technologie maakten de beeldvorming met hoge resolutie van biomoleculen mogelijk.

Een virus ontgrendelen

Dus wat betekent dit allemaal? We zullen, door de configuratie van het slot te begrijpen, kunnen wetenschappers een bepaalde sleutel doorsnijden.

Virussen zijn grote biomoleculen. Eenmaal gevisualiseerd, wetenschappers kunnen moleculen identificeren of farmaceutische sleutels ontwikkelen die in hun structuur passen om ze uit elkaar te halen of hun functie te verstoren.

Een voorbeeld van de kracht van cryo-elektronenmicroscopie wordt gezien door de snelle karakterisering van het Zika-virus kort nadat het voor het eerst werd geïdentificeerd als een groot wereldwijd gezondheidsrisico.

De identificatie van de configuratie van het virus en de pocket van het biomolecuul dat zich aan zijn gastheer verbindt, zal de basis vormen voor lopende studies over de beste manier om dit virus te bestrijden.

Ook aan de eettafel heeft de technologie impact gehad. Een Amerikaans onderzoeksteam heeft de warmtegevoelige component van de tong onderzocht, de wasabi-sensor te markeren. Dit kan het potentieel bieden om nieuwe benaderingen voor pijnbeheer beter te begrijpen.

In Australië, een consortium maakt gebruik van de kracht van deze technologie om ziekten die verband houden met het immuunsysteem te onderzoeken om betere behandelingsprotocollen te ontwikkelen.

Cryo-elektronenmicroscopie zal in de nabije toekomst een opwindend gebied zijn om naar te kijken, voor zowel slotenmakers als liefhebbers van wetenschap.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.