Эрик Бетциг отмечает получение Нобелевской премии по химии. Фото: REUTERS / Michaela Rehle

Нобелевская премия по химии присуждена Эрику Бетцигу, Стефану Хеллю, а также Вильяму Мернеру за исследования флуоресцентной микроскопии. Ученые награждены за решение одной задачи, но двумя разными методами: Хелль разработал так называемую STED-микроскопию, а Бетциг и Мернер – одномолекулярную микроскопию. Проще говоря, лауреаты продемонстрировали, как можно искусно обойти, казалось бы, нерушимые законы природы и использовать это в медицине и науке.
Появление микроскопа на рубеже XVI и XVII веков совершило революцию в биологии и медицине. Человек увидел мир бактерий и клеток и узнал, что он сам – многоклеточное создание. Ученые увидели, как живет клетка, и надеялись понять, что происходит в ней самой, почему она стареет и умирает. Казалось бы, впереди все новые и новые открытия, но уже в XIX веке возникла преграда дальнейшему прогрессу – физический предел разрешения оптических микроскопов.

В 1873 году оптик Эрнст Аббе вывел уравнение разрешающей способности микроскопа, согласно которому невозможно человеческим глазом увидеть объекты, размеры которых меньше половины длины волны видимого света, 0,2 мкм. То есть если бы мы видели в ультрафиолетовом диапазоне так же, как бабочки, то мы могли бы увидеть более мелкие объекты, поскольку длина ультрафиолетовой волны меньше, чем видимого света.

Ученые через оптические микроскопы могли видеть крупные объекты внутри клетки – ядро и митохондрии, но увидеть, что происходило внутри ядра, уже не представлялось возможным. Образно выражаясь, в лупу можно увидеть страны, в микроскоп – города, в самый хороший оптический микроскоп – здания, но невозможно увидеть людей и понять, кто все это строит.

Инженерная мысль создала в ХХ веке рентгеновские и электронные микроскопы, где используется излучение с длиной волны на много порядков меньше, чем видимый свет. И все было бы хорошо, если бы не одно «но»: это излучение буквально убивало живые биологические образцы. То есть ученые наконец-то увидели людей в городе, но для этого их надо было сначала облучить радиацией. В итоге они либо были мертвы, либо едва ползали, а не жили нормальной жизнью.

Для живых препаратов в ХХ веке стали использовать метод флуоресцентной микроскопии – окрашивание объектов специальными нетоксичными веществами, способными светиться при облучении ультрафиолетовыми лучами. Этот метод давал лучшее разрешение, чем визуальный, и не успевал убить препараты ни на стадии их подготовки, ни на стадии наблюдения. И все же качество исследований было недостаточным. Вновь замаячил впереди предел Аббе.

Слева – фото при обычной флуоресцентной микроскопии, справа – полученной методом STED, за который Стефан Хелль и получил Нобелевскую премию
В 1990 году молодой ученый Гейдельбергского университета Стефан Хелль был одержим идеей найти способ преодолеть предел Аббе. Однако его старшие наставники не поддерживали пыл молодого коллеги, и Хелль уехал работать в Финляндию, в университет города Турку, где в 1993 году начал заниматься флуоресцентной микроскопией. Именно там за учебником по квантовой оптике ему в голову пришла идея STED-микроскопии (от английского Stimulated Emission Depletion Microscopy – микроскопия снижения вынужденной эмиссии).

Идея Хелля основана на использовании двух лазеров, один из которых стимулирует свечение флуоресцентных молекул, нанесенных на биопрепараты, а другой, настроенный особым образом, своим свечением гасит любое свечение, кроме самого высокочастотного. Хеллю потребовалось шесть лет, чтобы от идеи, возникшей в комнатке общежития для молодых ученых, прийти к работающей системе с разрешением на порядок большей, чем ранее.

Эрик Бетциг и Вильям Мернер пошли несколько иным путем, но тоже используя методику флуоресцентной микроскопии. Их метод, называемый одномолекулярной микроскопией, основан на последовательном облучении лазером отдельных частей препаратов, то есть происходит его сканирование. Отдельные снимки одного и того же препарата суммируются, и в итоге получается качественное изображение со сверхчетким разрешением.

И теперь ученые с помощью методик новых нобелевских лауреатов изучают динамические процессы в клетках, их структуру, анализируют протеины (белки), что позволяет лучше понимать причины развития различных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера или болезнь Паркинсона.

Но есть и еще одно важное дело – по сути, и Хелль, и Бетциг с Мернером, основываясь на методике флуоресцентной микроскопии и совместив ее с новейшими техническими новшествами, смогли преодолеть «предел Аббе». Стену, которую нельзя перепрыгнуть, они просто обошли. И это вселяет надежду, что и другие «неразрешимые» преграды рано или поздно, но можно будет оставить позади.