Pionierzy nanoskopii optycznej tegorocznymi laureatami w dziedzinie chemii

Trzech uczonych otrzymało nagrodę za opracowanie mikroskopu fluorescencyjnego o bardzo wysokiej rozdzielczości i rozwój tej techniki badawczej. Amerykanie Eric Betzig i William E. Moerner oraz Niemiec Stefan W. Hell podzielą się równo 8 milionami koron szwedzkich (równowartość około 3,7 mln zł) – postanowiła Szwedzka Królewska Akademia Nauk. Uroczyste wręczenie tegorocznych nagród (laureaci otrzymują także złote medale i dyplomy) nastąpi 10 grudnia w Sztokholmie.

Sylwetki laureatów

Eric Betzig pracuje w Howard Hughes Medical Institute w Ashburn, William E. Moerner jest profesorem na Stanford University, a Stefan W. Hell jest dyrektorem Max-Planck fur biophysikalische Chemie w Monachium.

W gronie laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie chemii znalazło się dotychczas 166 osób, wśród nich tylko 63 otrzymały wyróżnienie za pracę indywidualną.

Prekursorzy

Niemiecki naukowiec w roku 2000 opracował pierwszy mikroskop fluorescencyjny STED (Stimulated Emission Depletion) o wyjątkowo wysokiej rozdzielczości. Natomiast dwaj Amerykanie, pracując niezależnie, stworzyli podstawy metody określanej jako mikroskopia pojedynczych cząsteczek. Eric Betzig zastosował ją po raz pierwszy w 2006 roku.

Komitet Noblowski uzasadnił werdykt: „Dzięki opracowaniu mikroskopii fluorescencyjnej można badać żywe komórki na poziomie najdrobniejszych cząsteczek. Prace noblistów sprowadziły mikroskopię optyczną do nanowymiarów".

Tegoroczni laureaci przełamali dotychczasowe ograniczenia mikroskopii optycznej, które nie pozwalały obserwować struktur mniejszych niż 0,2 mikrometra (jeden mikrometr to jedna milionowa metra). Natomiast dzięki ich dokonaniom obecnie można zgłębiać nanoświat (jeden nanometr to jedna miliardowa metra).

– Przez długi czas mikroskopia optyczna była ograniczona przez przypuszczenie, że nigdy nie będziemy w stanie osiągnąć lepszej rozdzielczości niż połowa długości fali światła. Jest to tzw. granica Abbego, wyznaczona jeszcze w 1873 roku.

Dzięki molekułom fluorescencyjnym laureaci Nagrody Nobla 2014 w dziedzinie chemii w genialny sposób ominęli te ograniczenia. Ich przełomowa praca wyniosła mikroskopię optyczną w nanowymiar – stwierdził Komitet Noblowski. W odróżnieniu od klasycznego mikroskopu optycznego, wykorzystującego zjawisko pochłaniania i odbijania światła, mikroskop fluorescencyjny jest takim mikroskopem świetlnym, którego działanie oparte jest na zjawisku fluorescencji i fosforescencji.

Fluorescencja badanej pod mikroskopem próbki może być pochodzenia naturalnego (na przykład fluorescencja chlorofilu) lub powstawać w wyniku dołączenia do badanej próbki substancji chemicznych fluoryzujących po wzbudzeniu ich światłem o określonej długości.

Inne światło w laboratorium

Ten drugi sposób jest szczególnie często wykorzystywany w biologii molekularnej. Umożliwia oznakowanie wybranych elementów komórek (na przykład organelli czy białek biorących udział w rozwoju chorób uszkadzających mózg, np. parkinsona czy alzheimera) fluoroforami o określonych właściwościach – barwie emisji ustalonej przez badacza.

Większość mikroskopów fluorescencyjnych używanych obecnie w biologii molekularnej to takie urządzenia, w których wzbudzenie próbki falą świetlną o określonej barwie oraz jej obserwowanie odbywają się po tej samej stronie próbki.

Przyznanie Nagrody Nobla za prace nad tego rodzaju aparaturą jest przykładem zacierania granic między dyscyplinami, w tym przypadku między chemią i fizyką.

Każdy z tegorocznych noblistów posługuje się w swoich badaniach mikroskopem fluorescencyjnym STED. Stefan W. Hell bada nim komórki nerwowe, aby lepiej poznać połączenia w mózgu, William E. Moerner zajmuje się białkami typowymi dla choroby Huntingtona (choroba genetyczna ośrodkowego układu nerwowego), Erica Betziga interesują podziały komórek wewnątrz rozwijającego się zarodka.

Uniwersalne narzędzie

Dziś trudno sobie wyobrazić laboratorium diagnostyczne czy naukowe bez mikroskopu fluorescencyjnego. Jest wykorzystywany do prowadzenia badań i diagnostyki chorób, a także bardzo przydatny do analizy struktury materiałów w przemyśle. Umożliwia obrazowanie z bardzo dużą dokładnością struktur w komórce, oglądanie jądra komórkowego, pojedynczych białek czy kwasu nukleinowego. Za jego pomocą można zobaczyć przepływy jonów i przemieszczanie się komórek.

Sylwetki laureatów

Prof. Stefan Hell

Instytut Maxa Plancka, Niemcy

Kiedy dotarła do niego wiadomość o tym, że otrzymał Nagrodę Nobla, prof. Stefan W. Hell czytał poranną gazetę. – Byłem całkowicie zaskoczony, nie mogłem w to uwierzyć – powiedział laureat. Dokończył czytanie artykułu i zadzwonił z tą wiadomością do żony. Stefan Hell urodził się w 1962 roku w mieście Arad w Rumunii. Czasy dzieciństwa i wczesnej młodości dzisiejszy noblista w swych biografiach skwapliwie pomija. Pierwsza informacja dotyczy studiów na Uniwersytecie w Haidelbergu, które rozpoczął w roku 1981. Już na studiach zainteresował się mikroskopią świetlną. Po zakończeniu studiów doktoranckich w 1990 r. przez trzy lata pracował w Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej. W 1993 w Turku w Finlandii prowadził prace w Instytucie Medycyny Fizycznej. Tam opracował zasady, na których opiera się mikroskop STED, za który został uhonorowany Nagrodą Nobla. – Byłem znudzony, czułem, że jesteśmy w XIX-wiecznej fizyce – powiedział laureat w telefonicznej rozmowie podczas konferencji prasowej w Sztokholmie. – Zastanawiałem się, czy nie można by głębiej sięgnąć i wyciągnąć coś więcej z tradycyjnego mikroskopu. W 2002 roku uczonemu powierzono kierowanie Max-Plack-Institut für Biophysykalische Chemie, gdzie jest dyrektorem do dzisiaj. Hell jest autorem ok. 200 publikacji i laureatem wielu prestiżowych nagród naukowych. Ma żonę Annę, dwóch synów, Sebastiana i Jonathana, oraz córkę Charlotte.

kru

Prof?. William ?E. Moerner

Uniwersytet ?Stanforda, USA

Amerykanin, prof. William E. Moerner, zawsze był ambitny i bez reszty oddany nauce. Ale prywatnie jest żartownisiem i duszą towarzystwa. – Jestem niesamowicie podekscytowany i szczęśliwy, że zostałem wytypowany do nagrody – powiedział Moerner, gdy dowiedział się o decyzji Komitetu Noblowskiego. Tę wiadomość przekazała mu telefonicznie żona Sharon, gdy przebywał na konferencji w Brazylii. Pewnie dlatego przedstawiciel komitetu nie mógł go znaleźć. Stąd kilkunastominutowe opóźnienie w ogłoszeniu nazwisk laureatów z dziedziny chemii. William Moerner urodził się w 1953 r. w Kalifornii, lecz dorastał w Teksasie. Był bardzo aktywnym młodzieńcem – w publicznym liceum im. Thomasa Jeffersona należał do skautów i i m.in. klubu matematycznego, chemicznego, fizycznego, rosyjskiego czy teatralnego. Był też członkiem ekipy amatorskiego radia i zespołu muzycznego. Wszechstronne zainteresowania zaprowadziły go na Uniwersytet Waszyngtoński w St. Louis. Tam uzyskał stopień licencjata z fizyki, inżynierii elektrycznej i matematyki. Naukę kontynuował na Uniwersytecie Cornella, gdzie został magistrem, a potem doktorem fizyki w 1982 r. ?Oferta pracy z IBM zmusiła go do przeprowadzki do Kalifornii. Z firmą był związany przez 13 lat. W międzyczasie zdobył też tytuł profesora chemii na Uniwersytecie Stanforda, gdzie pracuje do dzisiaj.

kru, pap

Prof.?Eric Betzig

Howard Hughes ?Medical Institute, Ashburn, USA

Wiadomość o przyznaniu Nagrody Nobla zastała ?Erica Betziga w podróży. – Przez ostatnią godzinę chodziłem oszołomiony po ulicach Monachium w tak miły dzień i byłem przerażony, że moje życie się zmieniło – powiedział laureat agencji Reuters. Fizyk przyleciał do Monachium, aby wziąć udział w seminarium. Betzig przez długi czas nie miał nic wspólnego z nauką. Pracował w firmie ojca wytwarzającej maszyny do produkcji części samochodowych. Dopiero bankructwo firmy i widmo bezrobocia zadecydowały o wybraniu kariery naukowca. A ta decyzja zaowocowała wynalazkiem na miarę Nobla – urządzeniem zwanym nanoskopem. Betzig, urodzony w 1960 r. w Ann Arbor w stanie Michigan w USA, zdobył licencjat z fizyki w California Institute of Technology w Pasadenie w 1983 r., a następnie przeniósł się na Cornell University w Ithaca w stanie Nowy Jork. Tam w 1985 r. uzyskał tytuł magistra. Jego praca magisterska dotyczyła rozwoju optyki bliskiego pola – metody, która miała przełamać barierę rozdzielczości mikroskopii optycznej. Trzy lata później uzyskał tytuł doktora na tej samej uczelni. Przez następnie sześć lat pracował w Bell Laboratories w Murray Hill w New Jersey, gdzie rozwijał metodę optyki bliskiego pola. Zajął się m.in. obrazowaniem pojedynczych cząsteczek z wykorzystaniem zjawiska fluorescencji.