Twórcy mikroskopii w skali nano nagrodzeni chemicznym Noblem 2014

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. 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.

Naukowcy zastosowali więc 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).

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 wysoką rozdzielczość.

W 1989 r. Moerner, pracujący wówczas dla firmy IBM, jako pierwszy dokonał pomiaru absorpcji światła przez pojedynczą cząsteczkę. To osiągniecie zainspirowało 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 naturalnie 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.

Hell w wywiadzie udzielonym tuż po ogłoszeniu nazwisk noblistów powiedział, że kocha zawód badacza, bo ekscytujące jest sięganie dalej i myślenie o rzeczach, o których inni nie pomyśleli. Z noblistą miała okazję pracować Joanna Oracz z Wydziału Fizyki UW. "Jest bardzo przyjacielski. (...) Z bardzo dużym szacunkiem traktuje swoich współpracowników niezależnie od stopnia naukowego. Jest też bardzo ciekawą postacią, może trochę ekstrawagancką. (...) Zdecydowanie zasłużył na tę nagrodę" - powiedziała PAP młoda badaczka.

Radości z Nobla nie ukrywał również prof. Moerner. Prywatnie W.E. - jak nazywa go rodzina - to żartowniś i dusza towarzystwa. Zawsze jednak był osobą ambitną i wszechstronną. Zapał do nauki i samorozwoju zaprowadził go na naukowy szczyt. Amerykanin jest członkiem Narodowej Akademii Nauk, laureatem wielu nagród i autorem licznych publikacji. Sprawdzonym przepisem na sukces chętnie dzieli się z młodzieżą.

Trzeci z noblistów, fizyk Eric Betzig porzucił naukę na siedem lat, by pracować w firmie ojca, wytwarzającej maszyny do produkcji części samochodowych. Jego decyzja o powrocie do kariery naukowca zaowocowała wynalazkiem na miarę Nobla – nanoskopem.

Wagę osiągnięć noblistów doceniają polscy badacze, z którymi rozmawiała PAP. Lek. med. Eliza Głodkowska-Mrówka z Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego podkreśliła, że mikroskopy fluorescencyjne, nad którymi pracowali nobliści, wykorzystuje się w wielu dziedzinach: badaniach naukowych, diagnostyce czy przemyśle.

Z kolei prof. Jarosław Polański z Wydziału Chemii Uniwersytetu Śląskiego uznał wynalezienie mikroskopii fluorescencyjnej wysokiej rozdzielczości za "rewolucję". Według niego nobliści "wyposażyli naukowców w dodatkowe okulary, które pozwalają oglądać świat w drobnych szczegółach". Podobnego zdania jest dr Tytus Bernaś z Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego w Warszawie, który w swoich badaniach korzysta z systemu mikroskopii fluorescencyjnej wysokiej rozdzielczości.

Natomiast według prof. Roberta Hołysta, dyrektora Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie, Nobel za te prace się należał, ale dziwi go - podobnie jak Joannę Oracz - że jest to Nobel z chemii. "Równie dobrze ci sami naukowcy mogli dostać Nagrodę Nobla z medycyny lub fizyki" - ocenił.

Źródło: naukawpolsce.pap.pl

Przeczytaj także: Ułożenie DNA w przestrzeni kluczowe dla psychiki