На что способна одна молекула?

Одна молекула примерно в 100 000 раз меньше диаметра человеческого волоса, но, несмотря на её размеры, от одной-единственной молекулы может зависеть активность и структура живой клетки.  О молекулярных супер-способностях рассказал профессор химии Стэнфорского университета Уильям Мёрнер. Он получил докторскую степень по химии в Корнеллском университете в 1982 году, а в 2014 году совместно с Эриком Бетцигом и Штефаном Хеллем был удостоен Нобелевской премии по химии за «разработку суперфлуоресцентной микроскопии».

«В начале 80-х годов XX века Эрвин Шредингер, один из основателей квантовой механики, в своей публикации сказал, что мы никогда не сможем увидеть одну молекулу или один атом», - говорит учёный.  Уже на ранних этапах карьеры У. Мёрнер заявил, что необходимо осторожно относиться к этому высказыванию.

«Мы стали изучать структуры, которые определялись индивидуальной спецификой молекулы. Мы двигались к тому, чтобы увидеть отдельные молекулы. В 1989 году мы выявили, что одна молекула пентацина имеет конкретные показатели абсорбции. Мы их изучали при низких температурах в модулировании. Год спустя мы также показали вам, что смогли изучить абсорбцию конкретной молекулы, изучая свет, который испускает одна молекула. Этот эксперимент проводился при низких температурах, он положил начало отдельному научному знанию», - говорит У. Мёрнер.

Люди часто спрашивают учёного,  что может дать изучение отдельной молекулы? На что учёный им отвечает, что даже в научных исследованиях в области производства, мы всё равно можем сделать значительное открытие. Для этого он показывает наглядный пример на небольшой пробирке с водой и с зелёной лазерной указкой. Луч лазера проходит через воду беспрепятственно, потому что она чиста. Но как только он погрузил на секунду в воду самый обыкновенный оранжевый маркер, потом немного перемешал воду, она всё так же для невооружённого глаза осталась прозрачной, но после повторного включения лазерной указки стала видна прямая линия зелёной полосы лазера с небольшим оттенком желтизны маркера. Так он продемонстрировал флуоресцентный эффект свойств всего нескольких молекул.

«В современных микроскопах вы можете увидеть лучи света, которые испускают маленькие молекулы. Чтобы этот эффект сработал на уровне одной молекулы нужно сделать так, чтобы энергией накачивалась только одна молекула, и свет, который от неё исходит, чтобы он доминировал в окружающем пространстве», - рассказал У. Мёрнер. Учёные смогли снять в реальном времени свечение молекул. Некоторые из них величиной всего в 1 нанометр, но выглядят они в несколько сот нанометров больше, по сравнению с клетками. Этот эффект появляется из-за эффекта дифракции, когда добавляется отдельная клетка, появляются очень интересные сюрпризы, считает учёный. Один из таких - некоторые из этих молекул начинают мерцать.

«Если посмотреть на видео, мы видим великолепное мерцание света. Отдельные молекулы испускают периодическое мерцание, мы с удивлением это обнаружили в 1997 году. Этот эффект мерцания – один из ключевых элементов в микроскопии сверхвысокого разрешения», - говорит У. Мёрнер.

«Давайте отметим, что когда наука упирается в новый рубеж, мы не можем этого предвосхитить. Есть элемент неожиданности. Некоторые люди считают, что этот эффект мерцания бесполезен, но на самом деле, он может многое вам дать. Благодаря этому эффекту мы визуализируем вещи новым образом, поскольку во всём мире учёные хотят получить возможность наблюдать за живой клеткой».

Для иллюстрации значимости эффекта он показывает на слайде бактериальную клетку, которая наполнена ДНК, РНК, белками: "Внутри неё множество органелл, немного модификации и мы видим, что внутри неё происходит множество процессов в масштабах нескольких нанометров. Конечно же, хотелось бы за этим наблюдать с высоким пространственным разрешением и точностью. Высокое пространственное разрешение означает способность различать различные органеллы и структуры внутри клетки. Проблема в том, что если пытаться сфокусировать лазер в оптическом диапазоне на клетке, то самый большой объект, который можно так наблюдать слишком велик по сравнению с этими нано-структурами. Именно поэтому требуется сверхразрешение. В 2014 году была присуждена Нобелевская премия за изобретение флуоресцентного микроскопа мне и моим коллегам Штефану Хеллу и Эрику Бетцигу. Тем самым мы обходим предел дифракции».

Как дальше пояснил учёный, то, чем занимаются в изучении свечения молекул очень похоже на процесс фотографирования листьев деревьев в ночи, когда единственная подсветка – светлячки. Для того, чтобы сделать желаемый кадр, можно разместить «светлячков» на нужные участки. А сверхвысокое разрешение камеры позволит видеть сверхмалые объекты.

 Нобелевский лауреат дал несколько напутственных и вдохновляющих слов слушателям-студентам с пометкой, что если вы не студент, никогда не поздно им стать. По его рекомендации, если вы хотите достигнуть успехов в науке, нужно быть ей увлечённым. Это может быть тяжело, нужно быть настойчивым, быть готовым к неудачам и ошибкам, потому что вы «не всё знаете, чего ещё не делалось», к тому же, это часть обучения, необходимо воспринимать ошибки как ступени на пути. Нужно чётко знать, чего хотите достигнуть и иметь методический подход. Одновременно нужно задаваться глубинным вопросом «Как всё это работает», например мобильный телефон есть почти у каждого, но многие не задумываются о принципах его работы. «Мы должны воодушевлять всех в нашем обществе задумываться над тем, как работают вещи, почему небо голубое, почему деревья зелёные. Нам необходимо продвинуться за пределы обыденного знания и для того, чтобы глубоко изучить, как работают вещи, чтобы можно было делать предположения на эту тему. Я также хотел бы вас воодушевить, чтобы ваши глаза были открытыми и замечали сюрпризы, замечали неожиданности…».

Посмотреть полную запись лекции: