2017-ci il kimya üzrə nobel mükafatı üç şəxsə verilib: jacques dubochet, richard henderson, joachim frank. krio-elektron mikroskopiyanın kəşfi səbəbilə.
struktur biologiyasının məqsədi tək molekul və atom səviyyəsində baş verən prosesləri öyrənmək olub, inkişafı gələcəkdə farmakologiyanın, tibbin inkişafına əsas təşkil edəcək. bunu bacarmaq üçün bioloji makromolekulları təşkil edən minlərlə atomun hər birinin mövqeyini yüksək həssaslıqla təyin etmək lazımdır. ancaq ən güclü optik mikroskoplarla belə görməyin mümkün olmadığı kiçik molekulların quruluşunu hansı vasitə ilə öyrənmək olar?
molekuldakı hər bir atomun mövqeyini təyin etməyimizə kömək olan ilk texnologiya x-şüaları kristalloqrafiyasıdır. 60 ilə yaxındır bu texnologiya struktur biologiyası tədqiqatlarında əsas yer tutub və bütün bioloji molekulların strukturlarının saxlanıldığı əsas məlumat bazası olan protein məlumat bazası x-şüaları kristalloqrafiyası sayəsində formalaşıb.
kimyaçılar hələ 1934-cü illərdə dna tərəfindən formalaşdırılan proteinin öz bioloji funksiyasını anlamaq üçün üç ölçülü strukturunu öyrənməyə çalışırdılar. beləki jd bernal və dorothy hodgkin proteinləri kristallaşdıraraq x-şüaları bombardımanına tutmuş və bu şüaların diffraksiyası nəticəsində diffraksiya modeli (diffraction pattern) yaratdığını müəyyənləşdirmişdi.
bu modellərin kristallaşdırılmış protein haqqında bütün məlumatları daşıdığını ancaq izah etməyin çətin olduğunu bilirdilər. ağır metal atomlarından ibarət kristalların və protein kristallarının yaratdığı diffraksiya modellərini qarşılaşdıraraq bu problemin həllinə yaxınlaşan ilk elm adamı max peruzt olmuşdu ancaq təəssüf ki, o da proteinlərin strukturunu öyrənə bilməmişdi. nəhayət ki, 1958-ci ildə john kendrew eyni strategiyadan istifadə edərək oksigen toplamaq üçün əzələlər tərəfindən istifadə olunan miyoglabin adlı proteinin strukturunu kəşf edir və 1962-cı ildə kimya üzrə nobel mükafatı qazanır. qısa olaraq proteinlərin kristallaşdırılma səbəbi x-şüaları tərəfindən bombardıman edilərək diffraksiya yaratmalarına və bu diffraksiya sayəsində proteinin strukturunu öyrənməyə çalışmaqdır.
ancaq bu metodun avantajları (ucuz, əlverişli və ən çox istifadə olunan olması) olduğu kimi bəzi dezavatanjları da (yüngül elementlərlə qarşılıqlı əlaqəyə girməmələri) var. bu səbəblə molekulların strukturunu öyrənmək üçün başqa metodlardan da istifadə olunur. məsələn: neytron diffraksiya metodu.
neytron diffraksiyası metodundan istifadə edərək bütün amino asidlərin strukturunu siyahılaşdırmaq üçün edgard meyer, gerson coheon və helen berman kimi gənc kristalloqraflar tərəfindən 1971-ci ildə protein məlumat bazası yaradılıb. bugün məlumat bazası daxilində 80 mindən çox struktur var və bunlardan 77 mini proteinlərin payına düşür. bu məlumat bazasının mühüm funksiyası bütün orqanizmlərin protein və nukleotid asid kimi böyük bioloji molekullarının üç ölçülü struktur məlumatlarını toplamaqdır. yeri gəlmişkən məlumat bazası hər kəs tərəfindən istifadə oluna bilər. buyurun: https://www.rcsb.org/pdb/home/home.do
protein məlumat bazasının yaradılmasında və protein, nukleotid asid kimi molekulların strukturlarını öyrənmək üçün istifadə olunan metod olan neytron diffraksiya metodu əslində x-şüaları və elektron diffraksiya metodunun oxşarıdır. ancaq bir neçə fərq var; birincisi neytronlar elektronlardan fərqli olaraq nüvə ilə qarşılıqlı təsirə girir, daha vacibi isə neytronlar hidrogen atomuna qarşı olduqca həssasdır. bəs bu niyə vacibdir? x-şüalarının diffraksiyası molekulların strukturlarını öyrənmək üçün kifayət qədər uğurlu olsa belə hidrogen atomları çox çətin hallarda bu şüalar tərəfindən görülə bilir. hidrogenin protein atomlarının 50% ni təşkil etdiyini və neytronların hidrogen atomu həssaslığını nəzərə alsaq, neytron diffraksiya metodu üstünlük qazanır. ancaq bu metodun ən böyük dezavantajı çox xərci olmasıdır.
digər bir metod isə elektron diffraksiya metodudur. elektronların maddə ilə güclü qarşılıqlı əlaqəyə girməsi (avantaj) və radiasiya zərəri (dezavantaj) elektron diffraksiya metodunu digərlərindən ayıran əsas fərqlərdir. üç ölçülü kristallar üçün əlverişsiz olmasına baxmayaraq incə təbəqəli iki ölçülü kristallar üçün uyğun metoddur və zər proteinlərinin araşdırılması üçün istifadə olunur. ancaq elektron bombardımanının təcrübə nümunələrinə verdiyi radiasiya zərəri görüntü imkanını azaldır.
x-şüaları kristalloqrafiyası və digər spektroskopiya metodlarının məhdudiyyətlərini aşmaq üçün 1930-cu illərdə ernst ruska tərəfindən elektron mikroskopiya yaradılır. əsas məhdudiyyət təbii ki x-şüaları kristalloqrafiyasının ancaq kristallarla işləməsi və bunun yetərli olmaması idi. elektron mikroskopiya ilə tədqiqat üçün isə kristallar faydalı olsa belə zəruri deyil, tədqiq edilən strukturlar üçün hər hansı üst limit yoxdur, lazım olan nümunə miqdarı nisbətən daha azdır və s. elektron mikroskopiyanın ilk növü tem-dir (transmission electron microscopy). tem molekulların strukturlarını öyrənmək üçün elektron dəstəsindən istifadə edir. elektron dəstəsi incə tədqiqat nümunəsindən keçirilir və detektorlar tərəfindən nümunənin görüntüsü floresan ekrana ötürülür; prinsip etibarilə optik teleskoplardan fərqlənmir. sadəcə işıq əvəzinə elektron dəstəsi istifadə edilir. ancaq 30-cu illərdə elektron mikroskopiyanın doğuşu ilə daha fərqli iki problem ortaya çıxır; birincisi viruslar, bakteriyalar, proteinlər və s. zəif elektron səpələmə gücünə sahibdir və bu nümunələri tədqiq etmək çox çətindir. ikincisi isə radiasiyadır. bu problemləri həll etmək üçün 1940-cı ildə mənfi ləkə/boyama (negative stain) metodu yaradılır. ağır metal duzları tərəfindən arxaplanı "boyanan" nümunə hər iki problemin öhdəsindən gəlir. 1968-ci illərdə derosier və krug tərəfindən təcrübə nümunələrinin əvvəlcə iki ölçülü, daha sonra isə üç ölçülü strukturlarını rekonstruksiya edilir. (bu detallara girməyəcəm ancaq derosier bunu etmək üçün fourier çevrilmələrindən istifadə edir. ümumiyyətlə üç ölçülü strukturlar tem tərəfindən birbaşa müşahidə edilə bilmir, hesablamalar yolu ilə rekonstruksiya olunur)
#makromolekulların üç ölçülü rekonstruksiyası aşağıda göstərilən iki ölçülü və "noisy image" adlanan təsvirdən çıxır.
və ən son gəlib çıxdıq molekulların strukturunu öyrənmək üçün yaradılan son mikroskobik texnikaya: krio-elektron mikroskobiya
bu texnikanın fərqliliyi tədqiqat nümunəsinin çox soyuq maye azotda dondurulmasıdır. ideya 1950-ci illərə uzanır. o illərdə fernandez və moran adlı iki tədqiqatçı eyni şeyi etməyə çalışır ancaq soyudulma ilə birlikdə buz kristallarının yaranması və bunun nümunənin strukturunu dəyişəcəyi səbəbi ilə uğursuz olurlar. taylor və glaeser nümunənin soyudulmasının radiasiya zərərindən qoruyacağını, beləliklə nümunə strukturu haqqında daha çox məlumata sahib olacağını göstərir. nəhayət ki, krio-elektron mikroskopiya sayəsində tədqiqat nümunəsi məhlulda sürətlə dondurulur. bəs niyə nümunənin soyudulması bu qədər vacibdir? birincisi donma radiasiyanın zərərini azaldır. ikincisi bu daha yaxşı signal-to-noise (snr) nisbəti əldə edilməsinə imkan verir. ümid edirəm ki, snr haqqında aşağıdakı şəkil hər şeyi izah edəcək.
bir sözlə bu ilki üç nobel kimya mükafatçısının inkişaf etdirdikləri cryo-mikroskopiya molekulların, atomlarının üç ölçülü, dəqiq və hətta deyərdim qüsursuz təsvirini verir.
#istinadlar:
[1]: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26913146
[2]: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2917260/
[3]: http://bioc.rice.edu/~ytao/pdfs/em_review_taoetal.pdf
[4]: https://www.st-andrews.ac.uk/~glt2/BL3301/cryo-EM.pdf
[5]: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/advanced-chemistryprize2017.pdf
[6]: http://www.sdsc.edu/pb/edu/pharm201/06/c06.pdf
[7]: https://biology.stackexchange.com/questions/13523/why-are-transmembrane-proteins-difficult-to-crystallise
[8]: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4748974/
[9]: http://bitesizebio.com/29197/introduction-electron-microscopy-biologists/
[10]: http://www.cell.com/structure/fulltext/S0969-2126(17)30246-0
[11]: wikipedia