Нобелевская премия 2014 по химии присуждена изобретателям новых микроскопов
Трое ученых, которым удалось победить дифракционный предел и создать новые методы оптической микроскопической съемки молекулярного уровня, стали в этом году лауреатами Нобелевской премии в области химии. Согласно заявлению Нобелевского Комитета, премия за "разработку технологии флуоресцентной микроскопии со сверхвысокой разрешающей способностью" присуждается Эрику Бетцигу (Eric Betzig) из Медицинского института имени Говарда Хьюза в Эшберне, Вирджиния, Уильяму Мернеру (William Moerner) из Стэнфордского университета, и Штефану Хеллю (Stefan Hell) из Института биофизической химии Макса Планка, Германия.
Более 100 лет ученые используют оптические микроскопы для того, чтобы иметь возможность рассмотреть микроскопические объекты. Но разрешающая способность обычных микроскопов, и, как следствие, возможности их увеличения, ограничены фундаментальными законами физики. Существует так называемый дифракционный предел Абби, который определяет, что при использовании света видимого диапазоне невозможно рассмотреть объекты, размерами меньше 0.2 микрометров. Из-за такого ограничения бактерии, клетки и вирусы видны под обычными микроскопами в виде нечетких темных пятен.
Троим новым нобелевским лауреатам успешно удалось преодолеть ограничения дифракционного метода при помощи использования явления флюоресценции, точнее, заставляя рассматриваемый под микроскопом объект излучать свет самостоятельно, демонстрируя, таким образом, все свои самые мелкие детали.
В 2000 году Штефан Хелл разработал технологию так называемой микроскопии на основе подавления спонтанного испускания (stimulated emission depletion microscopy, STED). В этой технологии используется луч лазерного света для возбуждения определенных молекул, которые начинают излучать свой собственный свет. Луч второго лазера используется для компенсации всей флюоресценции за исключением света, излучающегося из исследуемой в данный момент области, которая может иметь размер, исчисляющийся нанометрами.
Эрик Бетциг и Уильям Мернер работали отдельно от Штефана Хелла и разработали свой собственный метод флуоресцентной микроскопии, названный методом одномолекулярной микроскопии (single-molecule microscopy). В этой технологии реализована возможность возбуждения только молекул определенного типа. Заставляя поочередно светиться различные типы молекул, разбросанные по всему объему снимаемого объекта, делается серия снимков, из которых затем составляется одно изображение, имеющее необычайно высокую разрешающую способность. Стоит отметить, что такой метод съемки был впервые продемонстрирован в 2006 году.
Возможность получать снимки с нанометровым разрешением при помощи видимого света означает, что ученые получили возможность изучать молекулы белков, находящиеся в клетках различных организмов. При этом, изучаемые клетки во время съемки могут находиться в живом состоянии, не подвергаясь пагубному воздействию жестких излучений, необходимых для рентгеновской и электронной микроскопии.
"Технологии наноуровневой микроскопии позволяют нам отслеживать перемещения отдельных молекул внутри живых клеток. Таким образом мы можем изучать процессы жизнедеятельности клеток, процессы формирования синапсов и химическую часть обмена информацией в нейронах и синапсах" - рассказывает Свен Лидин (Sven Lidin), ученый-химик из Лундского университета, Швеция, и председатель Нобелевского комитета по химии, - "Благодаря новым инструментам мы сможем отслеживать на молекулярном уровне возникновение и протекание таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера, Паркинсона и Хантигтона. И вообще трудно найти такие области химии, биологии и медицины, на которых сделанные открытия не могут оказать огромного влияния".
Более 100 лет ученые используют оптические микроскопы для того, чтобы иметь возможность рассмотреть микроскопические объекты. Но разрешающая способность обычных микроскопов, и, как следствие, возможности их увеличения, ограничены фундаментальными законами физики. Существует так называемый дифракционный предел Абби, который определяет, что при использовании света видимого диапазоне невозможно рассмотреть объекты, размерами меньше 0.2 микрометров. Из-за такого ограничения бактерии, клетки и вирусы видны под обычными микроскопами в виде нечетких темных пятен.
Троим новым нобелевским лауреатам успешно удалось преодолеть ограничения дифракционного метода при помощи использования явления флюоресценции, точнее, заставляя рассматриваемый под микроскопом объект излучать свет самостоятельно, демонстрируя, таким образом, все свои самые мелкие детали.
В 2000 году Штефан Хелл разработал технологию так называемой микроскопии на основе подавления спонтанного испускания (stimulated emission depletion microscopy, STED). В этой технологии используется луч лазерного света для возбуждения определенных молекул, которые начинают излучать свой собственный свет. Луч второго лазера используется для компенсации всей флюоресценции за исключением света, излучающегося из исследуемой в данный момент области, которая может иметь размер, исчисляющийся нанометрами.
Эрик Бетциг и Уильям Мернер работали отдельно от Штефана Хелла и разработали свой собственный метод флуоресцентной микроскопии, названный методом одномолекулярной микроскопии (single-molecule microscopy). В этой технологии реализована возможность возбуждения только молекул определенного типа. Заставляя поочередно светиться различные типы молекул, разбросанные по всему объему снимаемого объекта, делается серия снимков, из которых затем составляется одно изображение, имеющее необычайно высокую разрешающую способность. Стоит отметить, что такой метод съемки был впервые продемонстрирован в 2006 году.
Возможность получать снимки с нанометровым разрешением при помощи видимого света означает, что ученые получили возможность изучать молекулы белков, находящиеся в клетках различных организмов. При этом, изучаемые клетки во время съемки могут находиться в живом состоянии, не подвергаясь пагубному воздействию жестких излучений, необходимых для рентгеновской и электронной микроскопии.
"Технологии наноуровневой микроскопии позволяют нам отслеживать перемещения отдельных молекул внутри живых клеток. Таким образом мы можем изучать процессы жизнедеятельности клеток, процессы формирования синапсов и химическую часть обмена информацией в нейронах и синапсах" - рассказывает Свен Лидин (Sven Lidin), ученый-химик из Лундского университета, Швеция, и председатель Нобелевского комитета по химии, - "Благодаря новым инструментам мы сможем отслеживать на молекулярном уровне возникновение и протекание таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера, Паркинсона и Хантигтона. И вообще трудно найти такие области химии, биологии и медицины, на которых сделанные открытия не могут оказать огромного влияния".