Перейти к основному контенту
Технологии и медиа ,  
221 

От микроскопа к наноскопу: за что дали Нобелевскую премию по химии

Нобелевская премия по химии присуждена немцу Штефану Хеллю и американцам Эрику Бетцигу и Уильяму Мернеру, которые обошли ограничения световых микроскопов, десятилетиями казавшиеся непреодолимыми. Созданные ими методы позволяют ученым наблюдать за внутриклеточными процессами с точностью до нанометров.
Штефан Хелль позирует рядом с микроскопом
Штефан Хелль позирует рядом с микроскопом (Фото: REUTERS 2014)

Нобелевские лауреаты совершили прорыв в технологии микроскопических исследований, перешагнув границы традиционной оптической микроскопии. Еще в 1873 году немецкий физик Эрнст Аббе сформулировал естественный предел разрешающей способности микроскопа, обусловленный волновой природой света. Этот предел равен примерно половине длины световой волны, или 0,2 микрометра (200 нанометров). На протяжении большей части XX века ученые были уверены, что никогда не смогут наблюдать через оптический микроскоп объекты меньше 0,2 мкм, например, отдельные молекулы в составе клетки. Правда, в 1930-х годах были разработаны электронные микроскопы, разрешение которых в тысячи раз больше, чем у традиционного светового микроскопа. Но для микробиологов они были мало пригодны: высокоэнергетический электронный пучок убивает все живое.

Бетциг, Хелль и Мернер не поколебали формулу дифракционного предела, но придумали, как его обойти. В этом будущим лауреатам помогли флуоресцентные ("светящиеся") молекулы, или флуорофоры. Немец Штефан Хелль, с 1990 года искавший способы преодолеть ограничение Аббе, разработал так называемый метод подавления индуцированного излучения (STED). В 1994 году он опубликовал статью с изложением сути метода: нужно сначала использовать возбуждающий лазерный импульс, активирующий свечение молекул, а затем - гасящий импульс кольцевой формы, способный "вырезать" флуоресцентную область размером меньше пресловутого дифракционного барьера (см. картинку). Но реализовать свои идеи на практике Хеллю удалось только через несколько лет. В 2000 году, уже работая в Институте биофизической химии Макса Планка в Геттингене, куда он перешел из Университета Турку, Хелль сумел получить изображения бактерии E.coli (кишечная палочка) в недостижимом прежде разрешении.

Остальные лауреаты - американцы Эрик Бетциг и Уильям Мернер - независимо друг от друга создавали другой метод современной микроскопии - одномолекулярную микроскопию. Мернер в 1989 году стал первым в мире ученым, которому удалось задетектировать единичную флуоресцентную молекулу. В это время он работал в исследовательском центре IBM в Сан-Хосе. Спустя восемь лет Мернер, перешедший в Калифорнийский университет в Сан-Диего, сделал еще один важный шаг на пути к Нобелевской премии. Он работал над так называемым зеленым флуоресцентным белком (GFP), открытие и изучение которого уже было удостоено Нобелевской премии в 2008 году (одним из трех лауреатов тогда стал коллега Мернера по университету Сан-Диего Роджер Тсин). Мернер обнаружил, что у одного из вариантов GFP свечение может "включаться" и "выключаться" по воле исследователя. Для этого нужно было воздействовать на белок электромагнитными волнами определенной длины. Ученый сумел рассеять эти молекулы таким образом, что расстояния между ними превышали 0,2 мкм, то есть обычный световой микроскоп мог их различить и "увидеть" благодаря флуоресценции.

Бетциг, как и Хелль, был одержим идеей преодоления дифракционного барьера в оптической микроскопии. В начале 90-х он безуспешно экспериментировал с так называемой ближнепольной микроскопией в лабораториях Белла (Bell Labs) в Нью-Джерси. В 1995 году он опубликовал в журнале Optics Letter теоретические принципы, как можно было бы обойти дифракционный барьер за счет манипуляций с молекулами разных цветов под микроскопом и наложения соответствующих изображений друг на друга. Но затем Бетциг почти на десять лет выпал из научной жизни и вернулся к активным исследованиям только в 2000-х годах, когда наткнулся на работы по флуоресцентным белкам, свечением которых можно управлять (как в экспериментах Мернера). В 2006 году Бетциг вместе с группой коллег использовал рассеянные группы отдельных молекул, расстояние между которыми превышало предел Аббе (это позволяло их точно локализовать), и за счет совмещения большого количества снимков добился изображения мембраны лизосомы сверхвысокого разрешения. Соответствующая статья, зафиксировавшая этот результат, была опубликована в журнале Science в 2006 году.

 

  

Визионерский взгляд

1 из 6

Особый взгляд

Герои проекта «РБК Визионеры» рассказывают, как связаны современные инновации и визионерство

2 из 6

Кристина Судеревская

О том, как вырастить из хобби бизнес-империю и почему самое
важное — это атмосфера

3 из 6

VOYAH DREAM

Узнайте о комфортабельном пространстве премиального гибридного минивэна, где ваши переговоры или отдых никто не потревожит

4 из 6

Алексей Буров

Об особенностях создания концепций, философии ресторанов и премиализации бизнеса 

5 из 6

VOYAH FREE

Узнайте о преимуществах гибридного кроссовера премиум-класса с дерзким характером, увеличенным запасом хода и господдержкой

6 из 6

Айрат Багаутдинов

О том, как малое становится большим, о сложностях делегирования и высокой планке качества

Перейти
Авторы
Лента новостей
Медведев предупредил о последствиях ударов немецкими ракетами по России Политика, 22:41
Умеров заявил о передаче России украинского варианта меморандума Политика, 22:15
Пять стратегий инвестора в недвижимость: как устроены и какую выбрать РБК и ПИК, 22:12
В центре Москвы напали на философа игумена Евмения Общество, 22:04
Путин поручил разобраться с «врачами-шаманами» в сборных России Спорт, 21:57
Зеленский заявил о нежелании Украины воевать до 2026 года Политика, 21:45
«Сочи» проиграл «Пари НН» в первом стыковом матче за место в РПЛ Спорт, 21:37
Прокачайте когнитивные способности
Тренируем мозг с интенсивом
Подробнее
Поселиться насовсем: как выглядит премиальный жилой квартал от Pioneer РБК и Pioneer, 21:33
Лавров обсудил с Рубио новый раунд переговоров с Украиной Политика, 21:33
Первая россиянка пробилась в третий круг «Ролан Гаррос» Спорт, 21:08
Минск опроверг заявления Киева о «блефе» с «Орешником» в Белоруссии Политика, 21:08
Особенности национальной еды: как возникло разнообразие российской кухни РБК и Перекёсток, 20:52
На Кубани замминистра задержали по подозрению в мошенничестве Общество, 20:42
Курс евро на 29 мая
EUR ЦБ: 90,34 (-0,56)
Инвестиции, 20:19
Курс доллара на 29 мая
USD ЦБ: 79,6 (-0,01)
Инвестиции, 20:19
Военная операция на Украине. Онлайн Политика, 20:18