Nobelprijs voor scheikunde naar ijskoude elektronenmicroscopie

Net als bij de andere Nobelprijzen van deze week wordt met de Scheikundeprijs voor cryo-elektronenmicrosopie een reeks ontdekkingen beloond die een heel nieuw onderzoeksveld hebben geopend. De moleculaire machientjes van de cel kunnen nu in beeld worden gebracht.

Twee voorbeelden van de details die met de ultrakoude elektronenmicroscopie in beeld kunnen worden gebracht. Links een moleculaire druksensor uit het menselijke oor, rechts het Zikavirus. Nobelcomité Zweden

De Nobelprijs voor Scheikunde gaat dit jaar naar de Zwitser Jacques Dubochet (1942) van de Universiteit van Lausanne, de Duitser Joachim Frank (1940) van de Columbia University, New York en de Brit Richard Henderson (1945) van de Univeriteit van Cambridge, voor de ontwikkeling van cryomicroscopie. Cryo-elektronenmicroscopie is een methode om moleculaire onderdelen van de cel goed en scherp in beeld te krijgen.
Dit is woensdagochtend bekendgemaakt door het Nobelcomité van de Zweedse Academie van Wetenschappen.

Nieuw veld

Net als eerder deze week voor medicijnen (biologische klok) en natuurkunde (zwaartekrachtgolven) wordt nu met de scheikundeprijs een ontwikkeling beloond die een heel nieuw veld van onderzoek heeft opengelegd. De cryo-elektronenmicroscoop, die cellen bevriest om ze beter te kunnen bekijken, jaagt de laatste jaren een ware revolutie aan in de biologie. Verborgen details zijn ineens te zien en vage plaatjes worden haarscherp. De cel blijkt een oerwoud.
De microscooptechniek stamt uit de jaren 70 en 80, maar is de afgelopen vijf jaar technisch sterk verbeterd. Wereldwijd schaffen biologen nu cryo-elektronenmicroscopen aan – ze kosten 2 tot 8 miljoen euro per stuk – en leggen hun cellen erin.

Eenvoudig principe

Zoals wetenschapsredacteur Hester van Santen onlangs beschreef in NRC is het principe van cryo-elektronenmicroscopie nogal eenvoudig. “Het preparaat – een dun plakje cel of een verzameling losse eiwitten – wordt pijlsnel diepgevroren. Vervolgens wordt het ‘doorgelicht’ met de elektronenmicroscoop, die van binnen wordt gekoeld met vloeibare stikstof (–196 °C). Zulke koude preparaten zijn bestand tegen het elektronenbombardement van de microscoop. Als de atomen door de lage temperatuur nauwelijks bewegen, maakt het niet zoveel uit als er een atoombinding kapot gaat.”

Kijk hier naar een video waar Rchard Henderson uitlegt wat cryo-elektronenmicroscopie is

Lees ook: alles over de kracht van cryo-elektronenmicroscopie: Eindelijk kunnen we écht binnenin de cel kijken

Het eerste model van het eiwit bacteriorhodopsine van Henderson, uit 1975. Nature

Het betekent een forse verbetering in scherpte, detail en snelheid ten opzichte van de traditionele elektronenmicroscopie. Preparaten van cellen die in de traditionele elektronenmicroscoop bekeken konden worden, moesten eerst een forse chemische bewerking en kleuring ondergaan om een duidelijk beeld te krijgen. Maar dat gaf een forse vertekening van de werkelijkheid. Cryo-elektronenmicroscopie maakt die bewerking overbodig en geeft daardoor zuiverder details. Biologen die ermee werken ontdekken de laatste jaren de ene na de andere microstructuur in de cel, die zo nieuw zijn dat er soms nog geen functie van bekend is.

Gekookte eiwitten

De Brit Richard Henderson is de praktische pionier van het trio die in de jaren zeventig en tachtig begon met het met veel moeite in beeld brengen van het paarse kleurstofeiwit bacteriorhodopsine. Eerst door te werken met zwakke elektronenstralen in zijn microscoop, die het eiwit niet direct kookten en later met scanning van diepgevroren eiwitten.

De eerste cryo-elektronenmicroscopische foto van virussen, door Dubochet, 1984. Nature

Verglaasd ijs

Jacques Dubochet loste rond 1980 het centrale praktische probleem op: dat het diepgevroren ijs waterijs met daarin de af te beelden eiwitstructuren kristaliseren en dat zo beeldvorming feitelijk onmogelijk wordt. Hij wist het water zo snel te laten bevriezen dat het water een soort glas vormde. Ondertussen werkte Joachim Frank in New York aan een theoretisch model om met de tweedimensionale plaatjes van een elektronenmicroscoop een driedimensionaal beeld te vormen. Samen vormen deze ontdekkingen de basis voor de huidige bloei van de cryo-elektronenmicroscopie.

900.000 euro

De prijs wordt sinds 1901 jaarlijks toegekend aan wetenschappers die een ‘opmerkelijke prestatie’ in het onderzoek hebben geleverd en geldt als de belangrijkste wetenschappelijke prijs ter wereld. Het prijzengeld is ruim 900.000 euro (te besteden naar eigen goeddunken) en een medaille met een afbeelding van Alfred Nobel. De Nobelprijs voor Scheikunde is meer dan de helft van de keren naar één persoon gegaan. Vier Nederlanders kregen ’m tot nog toe. Meestal worden de prijzen pas jaren na de ontdekking toegekend om te voorkomen dat de prijs gaat naar een ontdekking die later niet blijkt te kloppen. Donderdagmiddag is de Literatuurprijs aan de beurt, vrijdag de Vredesprijs.

De laatste decennia is vooral gewerkt aan verbetering van de resolutie. Een grote doorbraak was in 2013, door de toepassing van een nieuw type elektronendetector. Links het beeld voor 2013, rechts de gebruikelijke resolutie na 2013. Nobel.se