Forskarna som utvecklat förmågan att se några av livets byggstenar under elektronmikroskopet har tilldelats Nobelpriset i kemi 2017.

Jacques Dubochet, Joachim Frank och Richard Henderson var pionjärer inom kryo-elektronmikroskopi, som Kungliga Vetenskapsakademien sa både förenklar och förbättrar avbildningen av biologiska molekyler, känd som biomolekyler.

Priset på 9 miljoner svenska kronor (A $ 1,4 miljoner) delas lika mellan Dubochet, vid Schweiz universitet i Lausanne, Frank, vid Columbia University i New York, och Henderson, vid MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge i Storbritannien.

Akademin sa att metoden som utvecklats av de tre forskarna hade flyttat biokemin till en ny era. Tekniken gör det nu möjligt för forskare att generera en högupplöst bild av biomolekyler medan de existerar i sitt naturliga tillstånd.

Det biologiska låset och nyckeln

Människokroppen är otroligt komplex och kräver samarbete mellan en rad biokemiska mekanismer, såsom matsmältning och energiproduktion, för att fungera bra. Dessa invecklade processer involverar användning av biomolekyler, vanligtvis stora enheter gjorda av aminosyror - livets byggstenar.

Viktigt, precis som byggandet av alla tegelbyggda hus, blockens konfiguration eller placering är avgörande för hur väl vår konstruktion står upp, eller hur väl våra biomolekyler fungerar.

Vidare, biomolekyler presenterar sin förmåga att utföra uppgifter genom att interagera med andra enheter, sådana enzymer, i kroppen. Dessa är baserade på en specifik konfiguration, ungefär hur bara en nyckel kan öppna ett visst lås.

Den betydande utmaningen som det prisbelönta teamet övervann var att utveckla förmågan att observera biomolekylerna i sitt naturliga tillstånd. Före tillkomsten av kryo-elektronmikroskopi, de visualiserades med röntgenkristallografi.

Man trodde också att elektronmikroskop endast var lämpliga för avbildning av död materia, eftersom den kraftfulla elektronstrålen förstör biologiskt material.

Det viktigaste genombrottet kom med utvecklingen av en process för att snabbt frysa ett prov. Detta gjorde det möjligt att fånga biomolekylerna i sin skräddarsydda konfiguration.

Teamet identifierade tidigt i sitt arbete att frysning av ett prov före visualisering kan ge den förbättring som krävs för att helt förhöra biomolekylerna.

Frusen i tiden

Här börjar det roliga. Även om det låter i sig enkelt, att snabbt frysa ett prov är särskilt utmanande.

Om processen tar bort vattnet från provet kollapsar biomolekylen, förlorar den naturliga konfiguration som forskarna önskar. Om provet fryses för långsamt bildas iskristaller, som också stör biomolekylens konfiguration.

Teamet utvecklade en process som kallas vitrifiering. Detta fryser provet vid -190 ℃ medan det placeras på ett trådnät, ett elegant enkelt sätt att lösa ett svårt problem.

Liksom de flesta nobelprisvinnande vetenskapliga prestationer, utvecklingen var stegvis. Teamets förändringar under många år möjliggjorde kombinationen av frysprocessen (utvecklad 1978) och mikroskopitekniken som först realiserades 2013.

Denna kombination och tekniska framsteg möjliggjorde högupplöst avbildning av biomolekyler.

Låser upp ett virus

Så vad betyder allt detta? Väl, att förstå låskonfigurationen gör det möjligt för forskare att klippa en viss nyckel.

Virus är stora biomolekyler. När den väl visualiserats, forskare kan identifiera molekyler eller utveckla farmaceutiska nycklar som kan passa in i deras struktur för att bryta isär dem eller störa deras funktion.

Ett exempel på kraften i kryo-elektronmikroskopi ses genom den snabba karakteriseringen av Zika-viruset strax efter att det först identifierades som en stor global hälsorisk.

Identifieringen av virusets konfiguration och fickan i biomolekylen som ansluter sig till dess värd kommer att utgöra grunden för pågående studier om hur man bäst bekämpar detta virus.

Tekniken har också påverkat vid middagsbordet. Ett amerikanskt forskargrupp har undersökt den värmekänsliga komponenten i tungan, markera wasabi -sensorn. Detta kan ge möjlighet att bättre förstå nya metoder för smärtlindring.

I Australien, ett konsortium utnyttjar kraften i denna teknik för att undersöka sjukdomar relaterade till immunsystemet för att utveckla bättre behandlingsprotokoll.

Kryo-elektronmikroskopi kommer att bli ett spännande område att titta på inom en snar framtid, för låssmeder och vetenskapsentusiaster.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.