การผสมผสานระหว่างฟิสิกส์ ชีววิทยา และเคมี ชีววิทยาเชิงโครงสร้างจะตรวจสอบกายวิภาคของโมเลกุลขนาดใหญ่ทางชีวภาพและโปรตีนโดยเฉพาะ ปรับปรุงความเข้าใจเกี่ยวกับโรคและช่วยให้สามารถค้นพบยาได้ กล่าวในการประชุมผู้ได้รับรางวัลโนเบลลินเดาครั้งที่ 68ในเยอรมนีเมื่อสัปดาห์ที่แล้วนักชีวฟิสิกส์ กล่าวว่าสาขานี้กำลังเข้าสู่ยุคใหม่ด้วยอนาคตที่สดใสด้วย
ความก้าวหน้า
ของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบแช่แข็งแฟรงก์ ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีชาวเยอรมัน-อเมริกัน ประจำอยู่ที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย รัฐนิวยอร์ก ได้ย้อนรอยประวัติศาสตร์ของไครโอ-อีเอ็มจนถึงปัจจุบันในการบรรยายที่ลินเดาของเขา ผู้บุกเบิกเทคนิค Frank แบ่งปันรางวัลปี 2017นักชีวฟิสิกส์คนอื่นๆ
สำหรับผลงานสำคัญที่เขาสร้างเพื่อความก้าวหน้าแช่แข็งตัวอย่างโมเลกุลในสารละลายอย่างรวดเร็ว แล้วถ่ายภาพด้วยลำแสงอิเล็กตรอนเพื่อเผยให้เห็นโครงสร้างโมเลกุล ทุกวันนี้ ความละเอียด 3-4 Å สามารถทำได้เป็นประจำ ในขณะที่ขีดจำกัดสูงสุด เทคนิคนี้สามารถบรรลุความละเอียดระดับ
อะตอมที่ 2 Å จุดแข็งโดยเฉพาะอย่างยิ่งของเทคนิคนี้คือความสามารถในการสร้างแบบจำลองของโมเลกุลเดี่ยวที่ไม่ได้ยึดติดจากภาพของโมเลกุลในสภาพธรรมชาติ ซึ่งครอบคลุมช่วงของการจัดเรียงตัวและสถานะการจับกับโมเลกุลอื่นๆ แกนหลักสำหรับการกำหนดโครงสร้าง X-ray ตรงกันข้าม
ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 นักวิจัยเห็นว่าการตรวจเอกซเรย์อิเล็กตรอนของโมเลกุลแต่ละตัวเป็นวิธีแก้ปัญหา อย่างไรก็ตาม ในข้อเสียเปรียบที่สำคัญ คือ ไม่สามารถถ่ายภาพของโมเลกุลที่ไม่บุบสลายได้ เนื่องจากปริมาณที่ต้องการสร้างความเสียหายอย่างมากต่อตัวอย่าง
ในช่วงเวลาเดียวกัน ระหว่างที่เขาเรียนปริญญาเอก แฟรงค์ก็มีความคิดใหม่ ต้องใช้เทคนิคการคำนวณและคณิตศาสตร์ในการโต้แย้งภาพ 2 มิติของโมเลกุลหลายแสนตัวในตัวอย่าง เขาเสนอโดยการจัดตำแหน่งและหาค่าเฉลี่ยเพื่อสร้างภาพ 3 มิติที่ชัดเจนขึ้นของโมเลกุล ไรโบโซมซึ่งเป็น
เครื่องจักร
ระดับโมเลกุลที่พบในไซโตซอลของเซลล์ที่สร้างโปรตีนในปริมาณมาก ได้กลายเป็นวัตถุทดสอบในการพัฒนาเทคนิคของเขา โต๊ะทำงานสำหรับการสร้างโมเลกุลใหม่ในการประมวลผลและสร้างอิมเมจ ซึ่งเป็นโปรแกรมประมวลผลภาพแบบโมดูลาร์และเป็นครั้งแรกในประเภทดังกล่าวในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
ในช่วงเปลี่ยนของทศวรรษ 1980 เทียบเท่าการคำนวณของโต๊ะทำงาน ประกอบด้วยการดำเนินการหลายร้อยรายการ เทคนิคสำคัญที่พัฒนาขึ้นในห้องทดลองของแฟรงก์ ได้แก่ เทคนิคการหาค่าเฉลี่ยสหสัมพันธ์เพื่อระบุและหาค่าเฉลี่ยของไรโบโซมที่หันไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งในโครงสร้างเดียว
ในอีกทางหนึ่ง การวิเคราะห์ทางสถิติหลายตัวแปรถูกนำมาใช้เพื่อจัดการกับความแตกต่างของโครงสร้างที่เกิดขึ้นทั่วทั้งประชากรของโมเลกุลในตัวอย่าง โดยจำแนกประเภทและจัดกลุ่มโครงสร้างที่คล้ายกันเข้าด้วยกัน นำเทคนิคทั้งหมดมารวมกันและนักโพสต์เอกสาร เสร็จสิ้นการสร้างโมเลกุลขึ้นใหม่
เป็นครั้งแรก ซึ่งเป็นหน่วยย่อยขนาดใหญ่ของไรโบโซมในปี 1986 ในช่วงเวลาเดียวกัน และเพื่อนร่วมงาน ได้ทำความก้าวหน้าครั้งสำคัญ เป็นครั้งแรกที่ ทำให้สารละลายตัวอย่างกลายเป็นของเหลวคล้ายแก้วโดยการแช่แข็งอย่างรวดเร็วโดยใช้อีเทนเหลวที่เย็นลงถึง -196°C เทคนิคนี้ป้องกัน
การก่อตัว
ของผลึกน้ำแข็งที่มิฉะนั้นจะทำลายโมเลกุลและทำให้ลำแสงอิเลคตรอนเบี่ยงเบน ทำให้ได้ภาพที่ไม่สามารถใช้การได้ “ตอนนี้วิธีนี้ทำให้วิธีการที่ฉันพัฒนาขึ้นได้ผลดีมาก เพราะตอนนี้เราสามารถดูโมเลกุลในสถานะดั้งเดิมของพวกมันได้” แฟรงก์กล่าว ใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้
แฟรงก์และผู้ทำงานร่วมกันได้สร้างโครงสร้างหลายแห่งขึ้นใหม่เป็นครั้งแรกในช่วงกลางทศวรรษที่ 1990 พวกเขารวมถึงช่องปล่อยแคลเซียม, ปลาหมึกยักษ์เฮโมไซยานินและไรโบโซม“ทั้งหมดนี้เป็นผลงานการบุกเบิกในเวลานั้น” เผยให้เห็นการเคลื่อนไหวของไรโบโซมการค้นพบจุดสังเกตอีกครั้งตามมา
ในปี 2000 นักโพสต์เอกสารใช้ประโยชน์จากการปรับปรุงความละเอียดเพิ่มเติมเพื่อเปิดเผยโครงสร้างของ ไรโบโซม ในรายละเอียดที่ไม่เคยมีมาก่อน การวิเคราะห์ของพวกเขาเผยให้เห็นการเคลื่อนไหวคล้ายวงล้อของสองหน่วยย่อยของไรโบโซมที่สัมพันธ์กันระหว่างการแปล ซึ่งเป็นกระบวนการที่ใช้ RNA
ของผู้ส่งสารในการสังเคราะห์โปรตีน การเคลื่อนไหวดังกล่าวมีความสำคัญต่อการทำงานของไรโบโซม
แม้จะมีการค้นพบใหม่ แต่แฟรงก์ยังคงเห็นความละเอียดเป็นปัจจัยจำกัดในการวิจัยของห้องปฏิบัติการ ในปี พ.ศ. 2556 พวกเขาประสบความสำเร็จในการถ่ายภาพที่ดีที่สุดบนแผ่นฟิล์มหลังจากผ่านไปสองปี
โดยถ่ายภาพไรโบโซมของเชื้อ ได้ถึง 260,000 ภาพ ซึ่งเป็นปรสิตที่ทำให้เกิดโรคนอนหลับในแอฟริกา “เราติดอยู่ที่ความละเอียด 5.5 Å โดยพื้นฐานแล้วมันเป็นกำแพง” ด้วยความละเอียดนี้ จึงไม่สามารถอนุมานโครงสร้างที่มีความแม่นยำสูงได้ ตัวอย่างเช่น สายด้านข้างของโมเลกุลต้องการความละเอียด
ประมาณ 3 Å กล้องนำการแช่แข็ง EM ไปสู่อีกระดับ อย่างไรก็ตาม การมาถึงของกล้องตรวจจับอิเล็กตรอนเดี่ยวเชิงพาณิชย์ตัวแรกในปี 2555 ส่งผลกระทบอย่างมาก ประสิทธิภาพควอนตัมนักสืบ สูงกว่าฟิล์มอย่างมาก ห้องทดลอง ใช้พวกมันในปี 2559 เพื่อแก้ไขโครงสร้าง
ของไรโบโซมในซึ่งเป็นปรสิตที่ก่อให้เกิดโรค ที่ความละเอียด 2.5 Å เทคนิคของเขาด้วยความช่วยเหลือของกล้องยังช่วยให้น้ำโมเลกุลเดียวสามารถแก้ไขได้ “ฉันไม่อยากเชื่อเลยเมื่อเห็นครั้งแรก” แฟรงก์กล่าว
โมเลกุลของอุปสงค์จะถูกเตรียมเป็นผลึก ซึ่งเป็นรูปแบบที่สารชีวโมเลกุลมักไม่นำมา อย่างไรก็ตาม ผลึกศาสตร์สามารถใช้ประโยชน์จากโมเลกุลที่ได้รับคำสั่งอย่างสม่ำเสมอเพื่อให้ได้รูปแบบการเลี้ยวเบน
credit : สล็อตเว็บตรง100 / ดูหนังฟรี / 50รับ100
