Жизнь замечательных устройств

Чуть позже Глейзер и Кеннет Тейлор показали, что при быстрой заморозке электронная микроскопия позволяет изучить кристаллы каталазы, получая картинку с разрешением в 3 Å, не прибегая при этом к контрастированию. Доступная в то время технология заморозки позволяла проводить исследования при температуре выше -120 °C, при которой уже наблюдается переход от аморфного к кристаллическому льду. Тем не менее, в условиях эксперимента кристаллики льда не образовывались, причиной чего исследователи предположили взаимодействие молекул воды с поверхностью белка (Nature 271, 1978, 659–660; DOI:10.1038/271659a0). Тейлор и Глейзер также разработали методы, позволяющие хранить биологические образцы при криогенных температурах, показав, что охлаждение образца позволяет использовать зондирование с помощью электронных пучков большей интенсивности, говоря другими словами — охлаждение образца увеличивает его информационную ёмкость. На какое-то время развитие методов, эксплуатировавших электронную микроскопию в биохимии, прекратилось — до 1990-х годов существенных модификаций методов не предпринималось, казалось, что электронный микроскоп позволяет биохимикам узнать если не всё про биомолекулы, а хотя бы всё то, что позволяла существующая в то время техника.

Однако человек устроен так, что ему всегда хочется большего, и желание получить больше информации об объекте с помощью электронной микроскопии не было исключением. Начало 1990-х годов вполне можно считать вехой в развитии криоэлектронной микроскопии: в 1990 году первый из Нобелиатов по химии 2017 года — Хендерсон — с коллегами впервые продемонстрировал возможность практического применения криоэлектронной микроскопии для получения высококачественных изображений биологических объектов за счет совмещения и усреднения копий изображений, полученных для одного и того же объекта, организованного в двумерный кристалл.

Для своей пионерской работы Хендерсон с коллегами смогли получить качественную информацию о строении бактериородопсина, используя для его исследования сразу несколько электронных микроскопов, расположенных в различных научных центрах и оптимизируя информацию, полученную с каждого устройства (J. Mol. Biol., 1990, 213, 899–929; DOI: 10.1016/S0022-2836(05)80271-2). В ходе исследования был обнаружен ряд технических ограничений, свойственных этим микроскопам, а также обозначены проблемы, связанные с приготовлением образцов. Хендерсон сделал вывод о том, что ни один из электронных микроскопов, использованных в исследовании, не был идеален, предположив тем не менее, что ряд модификаций как принципиального устройства электронных микроскопов, так и подготовки образца для исследования в конечном итоге может превратить криоэлектронную микроскопию в быстрый и обычный метод определения строения биологических препаратов, который, в конечном итоге, может оказаться способным изучать в том числе и ассоциаты биологически активных молекул, не обладающие кристаллической и симметричной структурой. Главной проблемой изучения асимметрических частиц, располагающихся без формирования дальнего порядка, было определение положения и ориентации каждой частицы в исследуемом образце на основании генерируемого этой частицей слабого сигнала по измерению соотношения сигнал-шум, однако решение этой задачи силами компьютерной техники, доступной исследователям в 1990 году, было просто невозможно (J. Struct. Biol. 128, 3-14; DOI: 10.1006/jsbi.1999.4172). За последующее десятилетие подходы, похожие на подходы Хендерсона, были использованы другими группами для получения качественных изображений целого ряда биомолекул, среди которых были светопоглощающий комплекс хлорофилл-белок, тубулиновый димер и аквапорин.