Нобель-2014: новые стороны наномолекул

Нобелевскую премию по химии получили ученые, которые смогли расширить возможности микроскопа и создать трехмерные модели наномолекул.

Сегодня врачи в развитых странах могут увидеть, как между клетками мозга формируется нейронная связь или как белки начинают взаимодействовать между собой. Еще 25 лет назад это было невозможно. Даже с изобретением электронного микроскопа эту проблему не решили, так как этот прибор не годится для работы с живыми клетками, а его препараты должны находиться в вакууме, чтобы молекулы атмосферы рассеивали электроны, которые испускает микроскоп.

Но в конце ХХ века трое ученых независимо друг от друга произвели революцию в оптической микроскопии. Именно за эти работы Эрик Бейтциг, Стефан Хель и Вильям Мернер в этом году были удостоены Нобелевской премии в сфере химии.

Строго говоря, их исследования больше относятся к физическим наукам. Так, Стефан Хель даже возглавляет Институт биофизической химии имени Макса Планка, который является передовым исследовательским центром в направлении оптики и приборостроения. Мернер и Бейтциг также исследовали оптические способы проникновения внутрь материи. Интересно, что само объявление лауреатов затянулось, в Нобелевском комитете заявили, что это произошло из-за того, что победители в нынешнем году были очень необычными и нужно было больше времени, чтобы подготовить разъяснения их достижений.

Первый оптический микроскоп был создан еще в 1590 году голландским оптиком Захарией Янсеном. Его увеличительная способность была не так велика — не больше современной сильной лупы. Но потом система постепенно совершенствовалась. К средине прошлого века микроскопы могли различать предметы размером в 400-700 нанометров. Это был предел, за который, казалось шагнуть было невозможно, так как в подсветке молекул или объектов меньшего диаметра световые волны начинали процесс дифракции и разглядеть что-либо не было возможности.

Ученые посчитали, что обойти этот световой предел невозможно. И оптики сосредоточились на электронных методах исследования микромира. Тем более, что электронные микроскопы давали разделительную способность в 10000 раз больше, чем в традиционном световом микроскопе, даже несмотря на то что мощные микроскопы требуют для подсветительного импульса больше 1 мегавата напряжения. Но в медицине использование этих приборов было невозможным.

Но к 2000 году немецкий физик и химик Стефан Хель предложил новый метод микроскопии. Он базировался на создании специального светового пучка, который направлялся в живую молекулу и заставлял ее светиться. Микроскоп даже без электронного усиления мог зафиксировать этот феномен, и потому пределы неэлектронной микроскопии сразу раздвинулись до 20 нанометров. Проще говоря, электронный импульс заставлял молекулы светиться с помощью эффекта флюоресценции. Молекулы, которые становились светлыми, можно было легко описать. Это было прорывом в мире медицины.

Одновременно Вильям Мернер и Эрик Бейтциг также исследовали способность коротких импульсов переводить молекулы в "светлое" состояние. Они также открыли способность избирательной флюоресценции. То есть, когда молекулы могут переставать светиться, но передают энергию своим "соседям", и светятся уже они. Это позволило сделать шаг к формированию трехмерных моделей живых тканей. Вместе со Стефаном Хелем эти ученые создали новый раздел оптики и впервые показали, что разрешительная способность светового микроскопа не зависит от длинны световой волны.

В целом для науки и бизнеса этот метод означал прорыв в сторону исследования заболеваний на микроуровне. Особенно это сказалось на лечении заболеваний мозга, так как до этого деградация клеток мозгового вещества до этого была непонятной. Теперь же было доказано дегенеративное состояние нейронов в случае болезней Альцгеймера, Хантингтона или Паркинсона. В этом году Нобелевский комитет вообще много внимания уделил исследованию мозга и его заболеваний. Так, премия по медицине досталась ученым, которые изучали особенности лимбической системы мозга. Видимо, эти проблемы и затраты на борьбу с ними начали все больше волновать западный мир.

Кроме того, сейчас все больше ученых работают над усилением разрешительной способности световых микроскопов в медицине. И главные производители этих приборов — а в основном это европейские компании — готовы инвестировать в разработки до 140 млн евро за ближайшие 10 лет. Это не такой большой показатель, но при этом десять лет назад он был намного меньше. Наконец, усиления способности обычных микроскопов, возможно, приведет к новому прорыву в исследовании микромира, так как использование электронных микроскопов имеет свои ограничения, на которых построена квантовая механика.

Сейчас Стефан Хель работает над усилением обычного микроскопа до уровня в 10-5 нанометров. И его работы, названные наноскопией, сейчас привлекают все большее внимания бизнеса, особенно медицинского, который готов инвестировать в эту технологию значительные средства.

Иван Морозовицкий

Инф.