Kémiai Nobel-díj – 2014

Stefan W. Hell, Eric Betzig, William E. Moerner

Fotó: nobelprize.org

Napjainkban a nanoszkópiai módszereket világszerte alkalmazzák. Az eljárás lehetővé teszi az élő sejteken belül az egyes molekulák valós idejű megfigyelését, látható az idegsejtek közötti szinapszisok képződése, vagy hogy miként alakulnak ki a patológiás fehérjeelváltozások olyan betegségekben, mint az Alzheimer-, a Parkinson- vagy a Huntington-kór.

A sejtek vizsgálatában, hosszú időn át korlátot jelentett az optikai mikroszkópok felbontóképességének határa, az úgynevezett diffrakciós limit.  „A fényelhajlás jelensége ugyanis határt szab annak, hogy egymástól milyen távolságban lévő két pontot tudunk a mikroszkóp alatt megkülönböztetni. Ez a fény hullámhosszának körülbelül a fele, a milliméter kétezred-ötezred része, ennél kisebb mérettartományban lévő struktúrákat már nem lehet optikai mikroszkóppal vizsgálni” – magyarázta Homolya László, az MTA TTK Enzimológiai Intézetének tudományos tanácsadója.

Ismertetése szerint nagyon sokan dolgoztak azon, hogy túllépjék a diffrakciós limitet, amit már 1873-ban meghatározott Ernst Abbe német matematikus és fizikus. A sejteket ugyan lehet vizsgálni optikai mikroszkóppal, hiszen átmérőjük körülbelül 10-30 mikrométer (mikrométer a milliméter ezredrésze), a sejteken belüli struktúrákat azonban már nem. Az évek során több lehetséges megoldás is született, ezek közé tartozik az elektronmikroszkóp, az eljárás azonban speciális technikát igényel, a képek vákuumban készülnek, így az élő sejtek működésének vizsgálatára csak korlátozottan alkalmasak.

„Stefan Hell, Eric Betzig és William E. Moerner munkásságát azért ismerték el Nobel-díjjal, mert trükkös optikai megközelítésekkel át tudták lépni az Abbe-törvény által meghatározott felbontási határt. Így született a szuperrezolúciós mikroszkópos technológia” – emelte ki Homolya László.

A szuperrezolúciós (nanométeres mérettartomány) mikroszkópiának több technikai megoldása is van. Az egyiket, a STED-eljárást, a stimulált emissziós kioltást az aradi születésű Stefan W. Hell dolgozta ki.

„A fluoreszcens mikroszkópiában a fényelhajlás miatt egy pontnak kiterjedése van. A STED-módszer lényege, hogy két lézerimpulzust alkalmaz: az első gerjeszti a molekulát, a másik alapállapotba juttatja vissza, így az eredeti gerjesztés helyét sokkal pontosabban meg lehet határozni” – magyarázta Homolya László.

Eric Betzig és William E. Moerner a szuperrezolúció elérésének más megközelítését választotta.

„Nagyon érdekes a Janelia Farm Research Campus kutatóintézetben dolgozó Eric Betzig története, aki a PALM-eljárást, a fotoaktiválható lokalizációs mikroszkópia módszerét dolgozta ki. 2005-ben állástalan fizikusként saját háza nappalijában barkácsolta barátjával azt a berendezést, amelyre felfigyeltek az az amerikai Nemzeti Egészségügyi Intézetben és Kaliforniából a keleti partra hívták a kutatót, hogy dolgozza ki az eljárást. A technológia lényege, hogy kisenergiájú lézerimpulzusokkal gerjesztik a molekulákat, s ezek véletlenszerű felvillanásairól rengeteg képet készít az automatizált számítógépes rendszer. A felvételek alapján pontosan azonosítani lehet a molekulák helyét, gyakorlatilag egyes molekulák szintjén lehet végezni a meghatározásokat. Hasonló elven alapul a harmadik Nobel-díjas, William E. Moerner eljárása is, amely szintén a lokalizációs mikroszkópia egy válfaja” – részletezte a kutató.

A szuperrezolúciós mikroszkópia jelentőségét taglalva Homolya László rámutatott, hogy nagyon sok betegség köthető a sejteken belüli struktúrákhoz, például a mitokondriumokhoz. Számos kóros folyamat során a sejteken lerakódások keletkeznek. Ilyen például az Alzheimer-kór, ennél egy kóros fehérje, a béta-amiloid lerakódásai jelennek meg az agy meghatározott részein. A Nobel-díjat eredményező eljárásokkal nyomon követhető az is, hogy miként viselkednek a sejteken belül a vírusok.

Fotó: MTI

Eric Betzig 1960-ban született a Michigan állambeli Ann Arborban. A Kaliforniai Műszaki Egyetemen (Caltech) és a Cornell Egyetemen tanult, fizikusként végzett. Diplomamunkáját a fénymikroszkópiában áttörést jelentő közeli téroptika nevű módszer kifejlesztéséről írta. A technológia gyakorlati felhasználási lehetőségeit kutatta, köztük az adattárolást, a félvezetős spektroszkópiát és a szuperrezolúciós fluoreszcens képalkotást a sejtekről. A Howard Hughes Orvosi Kutatóintézet vezető munkatársa, biológiai célú optikai képalkotási technológiák kifejlesztésével foglalkozik.

Fotó: MTI/EPA/Howard Hughes Orvosi Intézet

William E. Moerner 1953-ban született a kaliforniai Pleasantonben. A Cornell Egyetemen szerzett Ph.D. fokozatot, előtte a St. Louis-i Washington Egyetemen tanult. Matematikus és fizikus, 1981 és 1995 között az IBM kutatási részlegének volt a tagja. 1998 óta a Stanford Egyetem kutatója, fizikai kémiával/kémiai fizikával, többek közt a sejteken belüli molekulák távoli és közeli téroptikai képalkotásával és spektroszkópiával, a sejtek háromdimenziós szuperrezolúciós képalkotását szolgáló módszerekkel, valamint a fény és az anyag közötti fokozott interakciókat előidéző nanoantennák kifejlesztésével foglalkozik. 

Fotó: MTI/EPA/Ulrich Perrey

Stefan W. Hell 1962-ben született Aradon. 1990-ben a Heidelbergi Egyetemen szerzett Ph.D. fokozatot. 1991 és 1993 között Heidelbergben, az Európai Molekuláris Biológiai Laboratóriumban dolgozott, majd kutatott a  finnországi Turku Egyetemen és Oxfordban. 1997-ben került a göttingeni Max Planck Biofizikai Kémiai Intézethez. 2002 óta az intézmény igazgatója, a nanobiofotonikai részleg létrehozója. Kísérleti fizikát tanít a Göttingeni Egyetemen, elméleti fizikát a Heidelbergi Egyetemen. 2003 óta ő vezeti a német rákkutatási központ nagyfelbontású optikai mikroszkópiával foglalkozó részlegét Heidelbergben.

Forrás: MTI