Hadiah Nobel dalam Kimia, 2017: Molekul kehidupan, ditangkap dalam 3D
Penggunaan mikroskop cryo-elektron, yang dikembangkan secara terpisah oleh Laureates, memungkinkan biomolekul untuk dibekukan di tengah gerakan, dan digambarkan pada resolusi atom. Teknologi ini, kata Komite Nobel, 'telah memindahkan biokimia ke era baru'.
Richard Henderson (kiri), Joachim Frank (tengah), Jacques Dubochet (kanan). Hadiah Nobel Kimia 2017 pada hari Rabu diberikan kepada Jacques Dubochet, Joachim Frank dan Richard Henderson untuk mengembangkan mikroskop cryo-elektron untuk penentuan struktur resolusi tinggi dari biomolekul dalam larutan.
Mikroskop elektron dirancang pada awal 1930-an oleh fisikawan Jerman Ernst Ruska, di mana ia dianugerahi Hadiah Nobel Fisika 1986 (bersama dengan Gerd Binnig dan Heinrich Rohrer yang berbagi setengah lainnya dari Hadiah). Empat tahun sebelumnya, Nobel Kimia 1982 telah diberikan kepada Aaron Klug untuk pengembangan mikroskop elektron kristalografi dan penjelasan strukturalnya tentang kompleks protein asam nukleat yang penting secara biologis.
Sepanjang sebagian besar paruh pertama abad ke-20, penentuan struktur biomolekul — protein, DNA, dan RNA — telah muncul sebagai tantangan signifikan di bidang biokimia. Pengetahuan para ilmuwan berkembang dengan mantap selama enam dekade terakhir — dimulai dengan studi kristalografi perintis dari struktur protein globular yang membawa Max F Perutz dan John C Kendrew peraih Nobel Kimia pada tahun 1962, hingga menguasai cryo-electron microscopy (cryo-EM) untuk di mana Hadiah 2017 telah diberikan.
Pada tahun 50-an, kristalografi sinar-X (mengekspos kristal protein ke sinar-X) digunakan untuk mengembangkan model biomolekul untuk penelitian dan pengembangan; di tahun 80-an, spektroskopi resonansi magnetik nuklir (NMR) juga digunakan untuk tujuan ini. Penggunaan kedua teknik itu, bagaimanapun, tunduk pada batasan yang dipaksakan oleh sifat biomolekul. Kristalografi sinar-X membutuhkan kristal yang terorganisir dengan baik — biomolekul biasanya tidak pernah terorganisir sebagai kristal. Dan NMR hanya bekerja untuk satu set protein yang relatif kecil.
Pemenang Hadiah 2017 menggunakan tiga pendekatan berbeda yang bersama-sama mengatasi tantangan ini, membawa, seperti yang dikatakan Komite Nobel, biokimia ke era baru, membuatnya lebih mudah dari sebelumnya untuk menangkap gambar biomolekul.
Kristalografi sinar-X ke mikroskop elektron
Richard Henderson meninggalkan kristalografi sinar-X dan menggunakan protein pencitraan menggunakan mikroskop elektron transmisi - di mana, alih-alih cahaya, berkas elektron tipis dikirim melalui spesimen. Namun, sementara mikroskop elektron bagus untuk mendapatkan struktur atom, katakanlah, protein membran, berkas elektron intens yang diperlukan untuk gambar resolusi tinggi membakar bahan biologis. Dan pengurangan intensitas sinar berarti kehilangan kontras yang substansial, dan gambar menjadi kabur.
Selain itu, persyaratan vakum untuk mikroskop elektron berarti kerusakan biomolekul dengan penguapan air di sekitarnya.
Henderson bekerja dengan bacteriorhodopsin, protein warna ungu yang tertanam dalam membran organisme fotosintesis. Agar tidak terbakar, dia meninggalkan protein sensitif di membran, dan menembakkan berkas elektron yang lebih lemah melalui sampel. Gambar diambil dari banyak sudut berbeda dari membran yang sama di bawah mikroskop elektron untuk menghasilkan model 3D kasar dari struktur bakteriorhodopsin.
Ini terjadi pada tahun 1975. Ketika mikroskop elektron berkembang dengan lensa yang lebih baik dan perkembangan cryotechnology (di mana sampel didinginkan dengan nitrogen cair hingga sekitar – 190 derajat Celcius untuk melindungi mereka dari berkas elektron) tekniknya berhasil menghasilkan, pada tahun 1990 , struktur bacteriorhodopsin pada resolusi atom.
Pemrosesan gambar matematis dari gambar mikroskopis elektron 2D
Juga pada tahun 1975, Joachim Frank menyiapkan strategi teoretis untuk menggabungkan informasi apa pun yang dibawa dalam gambar dua dimensi dari mikroskop elektron, untuk menghasilkan keseluruhan tiga dimensi beresolusi tinggi. Metode matematikanya menyaring gambar 2D untuk mengidentifikasi pola berulang, dan mengurutkannya ke dalam kelompok untuk menggabungkan informasi mereka, menghasilkan gambar yang lebih tajam. Model ini membantu menghindari gambar yang kurang tajam yang dihasilkan karena berkas elektron yang lebih lemah yang digunakan untuk biomolekul. Alat matematika untuk analisis gambar dikompilasi sebagai setelan program komputer.
Mempersiapkan sampel
Tantangan inti untuk memastikan bahwa sampel biomolekul tidak mengalami dehidrasi, dan tidak runtuh dalam ruang hampa pencitraan cryo-EM di bawah berkas elektron, diselesaikan oleh Jacques Dubochet.
Solusi alami untuk masalah ini adalah membekukan sampel. Karena es menguap lebih lambat daripada air, itu seharusnya berhasil. Namun, air kristal mengaburkan gambar saat berkas elektron terdifraksi melalui kristal air.
Dubochet memecahkan masalah dengan pendinginan cepat yang tidak memungkinkan molekul air tersusun menjadi bentuk kristal; mereka malah berubah menjadi air vitrifikasi yang akan bertindak sebagai kaca untuk berkas elektron. Penelitiannya mengembangkan teknik persiapan sampel di mana biomolekul terlindung di bawah air vitrifikasi. Teknik ini digunakan dalam cryo-EM.
Penggunaan Terbaru
Perkembangan teknis terbaru seperti pengenalan detektor elektron baru — Detektor Elektron Langsung — dalam mikroskop elektron membantu lebih jauh meningkatkan resolusi gambar yang diambil di bawah cryo-EM berkas rendah untuk biomolekul. Pengenalan Detektor Elektron Langsung di mikroskop elektron pada 2012-13 ternyata menjadi alat yang ampuh bagi para ilmuwan karena mereka menghadapi tantangan Zika virus yang menyebar dengan cepat di berbagai negara pada 2015-16.
JACQUES DUBOCHET
Lahir pada tahun 1942 di Aigle, Swiss. Beliau menyelesaikan PhD pada tahun 1973 dari University of Geneva dan University of Basel, Swiss. Dia adalah Profesor Kehormatan Biofisika, Universitas Lausanne, Swiss.
JOACHIM FRANK
Lahir pada tahun 1940 di Siegen, Jerman. Beliau menyelesaikan PhD pada tahun 1970 dari Technical University of Munich, Jerman. Beliau adalah Profesor Biokimia dan Biofisika Molekuler dan Ilmu Biologi, Universitas Columbia, AS.
RICHARD HEDERSON
Lahir pada tahun 1945 di Edinburgh, Skotlandia. Beliau menyelesaikan PhD pada tahun 1969 dari Cambridge University, UK. Dia adalah Pemimpin Program, Laboratorium Biologi Molekuler MRC, Universitas Cambridge.
PEMENANG 2016: JEAN-PIERRE SAUVAGE, SIR J FRASER STODDART dan BERNARD L FERINGA untuk pengembangan mesin nano mereka, yang terbuat dari molekul bergerak, yang pada akhirnya dapat digunakan untuk membuat material, sensor, dan sistem penyimpanan energi baru.
Bagikan Dengan Temanmu:
