Микромир под прицелом: нобелевские методы исследования, когда объект изучения не виден
Исследователю нередко приходится изучать то, что не видно его глазу. Это могут быть отдельные молекулы (ДНК или любой белок), внутриклеточные структуры (ядро или органеллы) или микроорганизмы вроде бактерий или вирусов. В этой статье представлены Нобелевские открытия по физиологии и медицине, которые позволили исследователям преодолеть этот барьер и увидеть то, что раньше было скрыто.
Представьте, что вы пытаетесь изучить нечто, чего не видите. Это может быть крошечная молекула, сложная внутриклеточная структура или даже целый микроорганизм. Как доказать их существование, измерить, описать и понять, если глаз — даже вооруженный микроскопом — бессилен?
С такой проблемой сталкивались многие исследователи, и некоторые из них нашли способы «увидеть» невидимое. Их открытия не просто помогли продвинуть науку вперед, но и были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.
В этой статье я, как медик, проанализировал Нобелевские исследования с 1901 по 2023 годы, в которых ученые решали именно эту задачу. Вы узнаете, какие методы позволили заглянуть за пределы человеческого зрения и как эти решения могут помочь вам в собственных научных поисках.
Статья будет особенно полезна молодым исследователям: студентам, аспирантам и тем, кто только начинает свой путь в науке. Ведь понимание этих подходов не только облегчит их работу, но и сделает их конкурентоспособнее в мире исследований.
Прежде чем перейти к основным методам, важно сделать две оговорки.
1. В статье собраны лишь некоторые способы «увидеть невидимое», и эта задача – одна из многих, возникающих в исследованиях. Это своего рода «джентльменский набор» исследователя, практические приемы, которые могут помочь в работе. Да, они использовались нобелевскими лауреатами, но это, скорее, типовые решения.
2. Каждое Нобелевское открытие — результат многолетнего труда, иногда – множества ученых, коллективов, лабораторий. Методы, о которых пойдет речь, — лишь часть сложных исследований, но именно эти шаги оказались настолько значимыми, что навсегда изменили науку.
Итак, что мы имеем:
Задача: Сделать изучаемый объект видимым, то есть, наглядным, оцениваемым
Решение 1. Присвоить метку
На схеме ниже нарисован «пустой» овал. Он символизирует объект, который мы изучаем. Он прозрачный, видно его в силу его прозрачности не очень хорошо. Изучать его трудно. Трудно и наблюдать напрямую, но если мы добавим к нему метку, ситуация меняется. Метка обладает свойствами, позволяющими ее обнаруживать, отслеживать и получать информацию об объекте. Таким образом, анализируя метку, мы можем определить местоположение, преобразования и происхождение объекта.
Примеры использования меток в исследованиях
1. Определение происхождения объекта. В ряде исследований метки помогли установить, из каких веществ образуется изучаемый объект и какими путями происходит его синтез.
Так, лауреаты Нобелевской премии 1982 года — Суне К. Бергстрем, Бенгт И. Самуэльссон и Джон Р. Вейн — выяснили, что простагландины синтезируются из ненасыщенных жирных кислот, в первую очередь из арахидоновой. Для подтверждения этого использовали изотоп кислорода-18: его вводили в молекулу кислоты, а затем с помощью масс-спектрометрии обнаруживали в составе простагландинов. Это доказало, что простагландины действительно образуются из жирных кислот.
Подобным образом поступили авторы работы, удостоенной премии в 1964 году. Они добавили радиоактивную метку в молекулы уксусной кислоты и проследили, в какие участки молекулы холестерина она встраивается в процессе его синтеза. Это позволило подтвердить, что холестерин образуется из ацетата. Дальнейший анализ показал, какие именно части молекулы холестерина формируются из этого предшественника.
2. Отслеживание распределения вещества. В исследовании, за которое была присуждена Нобелевская премия в 1995 году, ученые использовали в качестве меток антитела к белку бикоиду. Они позволили отследить распределение этого белка в организме и выявить его градиент, который влияет на экспрессию генов сегментации. Эти данные помогли раскрыть функции белка и его роль в развитии организма.
3. Изучение динамики объекта. В работе, отмеченной Нобелевской премией 1977 года, использовались радиоизотопные метки для изучения скорости утилизации инсулина в организме. Это дало представление о метаболизме инсулина у пациентов, получавших его в ходе лечения. Исследование также внесло вклад в разработку радиоиммуноанализа пептидных гормонов.
Решение использовалось в следующих работах, получивших Нобелевскую премию по физиологии и медицине
1975 год. Дэвид Балтимор (David Baltimore), Ренато Дульбекко (Renato Dulbecco) и Ховард М. Темин (Howard M. Temin): «За открытия, касающиеся взаимодействия опухолевых вирусов с генетическим материалом клетки».
1977 год. Роджер Гиймен (Roger Guillemin) и Эндрю В. Шалли (Andrew V. Schally): «За открытия, касающиеся выработки пептидных гормонов в мозге»; Розалин Ялоу (Rosalyn Yalow): «За разработку радиоиммунологических методов определения пептидных гормонов».
1982 год. Суне К. Бергстрем (Sune K. Bergström), Бенгт И. Самуэльссон (Bengt I. Samuelsson) и Джон Р. Вейн (John R. Vane): «За открытия, касающиеся простагландинов и родственных им биологически активных веществ».
1985 год. Майкл С. Браун (Michael S. Brown) и Джозеф Л. Гольдштейн (Joseph L. Goldstein): «За открытия, касающиеся регуляции метаболизма холестерина».
1995 год. Эдвард Б. Льюис (Edward B. Lewis), Кристиан Нюсляйн-Фольхард (Christiane Nüsslein-Volhard) и Эрик Ф. Вишаус (Eric F. Wieschaus): «За открытия, касающиеся генетического контроля раннего эмбрионального развития».
2009 год. Элизабет Блэкберн (Elizabeth Blackburn), Кэрол Грейдер (Carol Greider) и Джек Шостак (Jack Szostak): «За открытие механизмов защиты хромосом теломерами и фермента теломеразы».
Решение 2. Окрасить объект
На схеме мы снова видим «прозрачный» овал – его трудно заметить и изучить. Но если его окрасить в яркий цвет, он становится видимым. Именно этот принцип использовался в некоторых нобелевских работах: невидимый объект становится доступным для анализа, когда взаимодействие с красителем делает его заметным.
Примеры использования окрашивания в исследованиях
1. Выявление структуры. В исследовании, удостоенном Нобелевской премии в 1906 году, Камилло Гольджи и Сантьяго Рамон-и-Кахаль использовали окрашивание нитратом серебра для изучения нервной ткани. Это позволило впервые увидеть, что нервные волокна не сливаются друг с другом, а представляют собой отдельные клетки с отростками. Таким образом, ученые доказали, что нервная система состоит из отдельных нейронов, а не представляет собой единую сеть, как считалось ранее.
2. Определение химического состава. В 1910 году Альбрехт Коссель применил окрашивание для выявления химического состава веществ в клеточном ядре. Если вещество вступало в реакцию с красителем, его наличие в ядре считалось подтвержденным. Этот метод позволил лучше понять состав нуклеиновых кислот и их роль в клетке.
3. Изучение зрительной системы. В работе, получившей Нобелевскую премию в 1981 году, Роджер В. Сперри, Дэвид Х. Хьюбель и Торстен Н. Визель использовали окрашивание для отслеживания зрительных проводящих путей. Они сопоставляли полученные данные с показателями электрической активности и реакцией на раздражители, что позволило пересмотреть прежние представления о зрительном анализаторе. В частности, ученые выделили функциональные единицы зрительной системы, что стало важным шагом в изучении механизмов зрения.
4. Обнаружение бактерий. В 2005 году Барри Дж. Маршалл и Дж. Робин Уоррен с помощью окрашивания смогли визуализировать бактерии Helicobacter pylori, которые стали различимыми даже при использовании менее мощных микроскопов. Это позволило снизить требования к оборудованию и упростило диагностику, что сыграло ключевую роль в подтверждении связи между H. pylori и развитием язвенной болезни.
Решение использовалось в следующих работах, получивших нобелевскую премию по физиологии и медицине
1906 год. Камилло Гольджи (Camillo Golgi) и Сантьяго Рамон-и-Кахаль (Santiago Ramón y Cajal): «В знак признания их работ по структуре нервной системы».
1910 год. Альбрехт Коссель (Albrecht Kossel): «В знак признания вклада в наши знания о химии клетки, внесенного его работами по белкам, включая нуклеиновые вещества».
1981 год. Роджер В. Сперри (Roger W. Sperry): «За открытия, касающиеся функциональной специализации полушарий головного мозга»; Дэвид Х. Хьюбель (David H. Hubel) и Торстен Н. Визель (Torsten N. Wiesel): «За открытия, касающиеся обработки информации в зрительной системе».
2005 год. Барри Дж. Маршалл (М) и Дж. Робин Уоррен (J. Robin Warren): «За открытие бактерии Helicobacter pylori и ее роли в развитии гастрита и язвенной болезни».
Решение 3. Увеличить количество и концентрацию
Иногда объект исследования настолько мал, что его невозможно изучить в единичном экземпляре. Решение этой проблемы — создать множество копий объекта или увеличить его концентрацию, чтобы он стал заметным и доступным для анализа.
Примеры использования метода
1. Концентрация генов в популяции. В исследовании, удостоенном Нобелевской премии в 1980 году (Барух Бенасерраф, Жан Доссе и Джордж Д. Снелл), ученые использовали метод инбридинга (скрещивания близкородственных особей) для создания популяции с высокой концентрацией определенных генов. Это позволило получить организмы с однородным генетическим составом, что значительно облегчило исследование иммунных реакций.
2. Создание гибридо́м — клеток, вырабатывающих антитела. В 1984 году Нильс К. Йерне, Жорж Ж. Ф. Кёлер и Сезар Мильштейн разработали технологию получения гибридом — клеточных культур, производящих антитела. Они объединили иммунные клетки, способные вырабатывать специфические антитела, с опухолевыми клетками, обладающими способностью к бесконечному делению. В результате был создан постоянный источник нужных антител, что стало основой для современных методов диагностики и терапии.
Решение использовалось в следующих работах, получивших нобелевскую премию по физиологии и медицине
1980 год. Барух Бенасерраф (Baruj Benacerraf), Жан Доссе (Jean Dausse) и Джордж Д. Снелл (George D. Snell): «За открытия, касающиеся генетически детерминированных структур на поверхности клеток, которые регулируют иммунологические реакции».
1984 год. Нильс К. Йерне (Niels K. Jerne), Жорж Дж. Ф. Кёлер (Georges J. F. Köhler) и Сезар Мильштейн (César Milstein): «За теории, касающиеся специфики развития и контроля иммунной системы, и открытие принципа производства моноклональных антител».
Решение 4. Обратный прием: уменьшить количество и концентрацию
Иногда проблема исследования заключается не в том, что объект слишком мал, а в том, что он «теряется» в массе подобных объектов. В таких случаях помогает обратный прием — снижение концентрации или выделение отдельных экземпляров, чтобы изучить их в изолированном виде.
Примеры использования метода
1. Разреженный слой клеток для изучения вирусов. В работе, удостоенной Нобелевской премии в 1975 году, исследователи изменили стандартный метод изучения вирусов, используя не плотный монослой клеток куриного эмбриона, а разреженный слой. Это позволило наблюдать отдельные очаги пораженных клеток и изучать их индивидуально, а не в общей массе.
2. Изучение нервных волокон. В 1944 году Джозеф Эрлангер и Герберт С. Гассер исследовали проводимость нервных импульсов, используя не целые нервы, а отдельные нервные волокна. Это позволило обнаружить, что разные типы волокон проводят импульсы с разной скоростью в зависимости от их толщины, что привело к пересмотру представлений о передаче сигналов в нервной системе.
3. Исследование электрического потенциала единичных волокон. В 1932 году сэр Чарльз Шеррингтон и Эдгар Адриан измерили потенциалы отдельных нервных волокон. Это позволило сделать ключевые выводы о том, что электрический сигнал в нервной системе имеет одинаковую амплитуду, независимо от силы раздражителя, что легло в основу принципа «всё или ничего» в нейрофизиологии.
Решение использовалось в следующих работах, получивших нобелевскую премию по физиологии и медицине
1932 год. Сэр Чарльз Шеррингтон (Sir Charles Sherrington) и Эдгар Адриан (Edgar Adrian): «За открытия, касающиеся функций нейронов».
1944 год. Джозеф Эрлангер (Joseph Erlanger) и Герберт С. Гассер (Herbert S. Gasser): «За открытия, касающиеся высокодифференцированных функций отдельных нервных волокон».
1975 год. Дэвид Балтимор (David Baltimore), Ренато Дульбекко (Renato Dulbecco) и Ховард Темин (Howard M. Temin): «За открытия, касающиеся взаимодействия опухолевых вирусов с генетическим материалом клетки».
Решение 5. Рассмотреть объект в аналогичных биологических системах
Взгляните на схему: нам нужно изучить красные овалы, а видим мы лишь черный непрозрачный прямоугольник. Объект изучения находится внутри него и пока нам недоступен. Иногда объект исследования невозможно изучить в привычной системе (например, в организме человека) из-за его недоступности. В таком случае можно выбрать аналогичную биологическую систему, где объект лучше виден или доступен для исследования.
Примеры использования метода
1. Наблюдение иммунных реакций у прозрачных организмов. В исследовании, удостоенном Нобелевской премии в 1906 году (Илья Мечников и Пауль Эрлих), Мечников изучал защитные реакции организма, наблюдая, как лейкоциты окружают инородное тело. Он использовал для этого низших животных, у которых тело было достаточно прозрачным, что позволяло визуально фиксировать скопление иммунных клеток вокруг заноз. В организме человека такое наблюдение невозможно, но изучение аналогичной системы позволило сделать важные выводы об иммунитете.
2. Изучение аутофагии на примере дрожжей. В 2016 году ученые исследовали механизмы аутофагии, используя дрожжи, в которых вакуоли крупные и хорошо видны в световой микроскоп. Дополнительно использовались штаммы, лишенные вакуольных протеаз, что позволяло наблюдать процесс накопления аутофагических тел внутри вакуолей. Такой подход обеспечил высокую наглядность процесса.
3. Исследование хромосомных разрывов на кукурузе. В 1983 году для изучения хромосом и их разрывов использовалась кукуруза. Хромосомы этого растения оказались удобными для наблюдения, так как разрывы были лучше видны, чем в других системах. Это позволило ученым подробно исследовать механизм перестройки хромосом.
Решение использовалось в следующих работах, получивших нобелевскую премию по физиологии и медицине
1908 год. Илья Мечников (Ilya Mechnikov) и Пауль Эрлих (Paul Ehrlich): «В знак признания их работ по иммунитету».
1983 год. Барбара МакКлинток (Barbara McClintock): «За открытие мобильных генетических элементов».
2016 год. Ёсинори Осуми (Yoshinori Ohsumi): «За открытие механизмов аутофагии».
Решение 6. Рассмотреть объект косвенно
Итак, на схеме мы снова видим прозрачный овал, изучать который затруднительно, собственно потому, что он прозрачный. Но, как мы видим, он может отбрасывать тень. Некоторые объекты трудно или невозможно увидеть напрямую, но они оставляют следы своего присутствия. В таких случаях исследование строится на анализе этих косвенных признаков — например, метаболитов, побочных продуктов или влияния на окружающую среду.
Примеры использования метода
1. Обнаружение Helicobacter pylori через уреазу. В исследовании, удостоенном Нобелевской премии в 2005 году (Барри Дж. Маршалл и Дж. Робин Уоррен), бактерия H. pylori была выявлена не напрямую, а по специфическому метаболиту — уреазе. Наличие уреазы в желудке служило доказательством присутствия бактерии, что позволило установить ее роль в развитии гастрита и язвенной болезни.
2. Измерение электрической активности сердца как индикатора его работы. В 1924 году Виллем Эйнтховен разработал метод регистрации электрической активности сердца. Он не наблюдал само сердце, но регистрировал его электрические импульсы с помощью электрокардиографа. Эти импульсы стали ключевыми индикаторами сердечной деятельности, а метод ЭКГ до сих пор используется в диагностике.
Решение использовалось в следующих работах, получивших нобелевскую премию по физиологии и медицине
1924 год. Виллем Эйнтховен (Willem Einthoven): «За открытие механизма электрокардиограммы».
2005 год. Барри Дж. Маршалл (Barry J. Marshall) и Дж. Робин Уоррен (J. Robin Warren): «За открытие бактерии Helicobacter pylori и ее роли в развитии гастрита и язвенной болезни».
Решение 7. Повышение чувствительности метода исследования и оборудования
Этот метод заключается в усовершенствовании методов исследования и приборов, что позволяет увидеть объекты и их характеристики, которые раньше были недоступны. Существует несколько способов повышения чувствительности исследования.
Вариант 1. Уменьшение объема анализируемого материала. Снижение объема исследуемой среды позволяет повысить точность измерений за счет уменьшения влияния посторонних факторов.
1920 год (Август Крог). Для исследования парциального давления газов в крови использовалась камера с минимальным объемом. Благодаря этому давление газа в камере и в образце крови быстро выравнивалось, что позволяло более точно измерять концентрацию кислорода и углекислого газа.
1982 год (Суне К. Бергстрем, Бенгт И. Самуэльссон, Джон Р. Вейн). В эксперименте использовали ограниченный объем жидкости, омывающей изолированную ткань. Это обеспечивало более высокую чувствительность анализа и специфичность результатов.
Решение использовалось в следующих работах, получивших нобелевскую премию по физиологии и медицине
1920 год. Август Крог (August Krogh): «За открытие механизма регуляции капиллярного мотора».
1982 год. Суне К. Бергстрем (Sune K. Bergström, Бенгт И. Самуэльссон (Bengt I. Samuelsson) и Джон Р. Вейн (John R. Vane): «За открытия, касающиеся простагландинов и родственных им биологически активных веществ».
Вариант 2. Увеличение точности локализации прибора. Размещение датчиков ближе к объекту исследования и повышение их точности позволяет получить более детальные данные.
1981 год (Роджер В. Сперри, Дэвид Х. Хьюбель, Торстен Н. Визель). В исследовании мозга применялись тонкие электроды, которые позволяли фиксировать электрические импульсы на уровне отдельных нейронов.
2014 год (Джон О’Киф, Мэй-Бритт Мозер, Эдвард И. Мозер). Использование тонких электродов позволило точнее регистрировать активность клеток мозга, что помогло изучить механизмы пространственного ориентирования.
Решение использовалось в следующих работах, получивших нобелевскую премию по физиологии и медицине
1981 год. Роджер В. Сперри (Roger W. Sperry): «За открытия, касающиеся функциональной специализации полушарий головного мозга»; Дэвид Х. Хьюбель (David H. Hubel) и Торстен Н. Визель (Torsten N. Wiesel): «За открытия, касающиеся обработки информации в зрительной системе».
2014 год. Джон О'Киф (John O'Keefe), Мэй-Бритт Мозер (May-Britt Moser),и Эдвард И. Мозер (Edvard I. Moser): «За открытия клеток, составляющих систему позиционирования в мозге».
Вариант 3. Снижение времени реакции прибора. Скоростное фиксирование изменений позволяет наблюдать процессы в реальном времени.
1924 год (Виллем Эйнтховен). В электрокардиографе использовалась тонкая кварцевая проволока, которая быстро реагировала на малейшие изменения электрического тока, что позволило отслеживать работу сердца в режиме реального времени.
Решение использовалось в следующих работах, получивших нобелевскую премию по физиологии и медицине
1924 год. Виллем Эйнтховен (Willem Einthoven): «За открытие механизма электрокардиограммы».
Вариант 4. Введение градиента по параметру. Создание градиента (изменение параметра в пределах образца) помогает выделить интересующие объекты и их свойства.
1974 год (Альбер Клод). В эксперименте применялось центрифугирование для разделения клеточных компонентов по плотности. Это позволило отделить тяжелые фракции от легких, что помогло изучить структуру клетки.
2003 год (Пол К. Лотербур, сэр Питер Мэнсфилд). В магнитно-резонансной томографии (МРТ) использовались градиенты магнитного поля, которые заставляли протоны водорода по-разному реагировать в зависимости от концентрации воды в тканях. Это позволило получать четкие изображения внутренних органов.
Решение использовалось в следующих работах, получивших нобелевскую премию по физиологии и медицине
1974 год. Альбер Клод (Albert Claude), Кристиан де Дюв (Christian de Duve) и Джордж Э. Палад (George E. Palade): «За открытия, касающиеся структурной и функциональной организации клетки».
2003 год. Пол К. Лотербур (Paul C. Lauterbur) и сэр Питер Мэнсфилд (sir Peter Mansfield): «За открытия в области магнитно-резонансной томографии».
Вариант 5. Использование усилителей. Применение усилителей позволяет регистрировать слабые сигналы, которые невозможно обнаружить напрямую.
1944 год (Джозеф Эрлангер и Герберт С. Гассер). Электрические сигналы нервных волокон усиливались с помощью вакуумных ламп, что позволило исследовать передачу нервных импульсов с высокой точностью.
Решение использовалось в следующих работах, получивших нобелевскую премию по физиологии и медицине
1944 год. Джозеф Эрлангер (Joseph Erlanger) и Герберт С. Гассер (Herbert S. Gasser): «За открытия, касающиеся высокодифференцированных функций отдельных нервных волокон».
1981 год. Роджер В. Сперри (Roger W. Sperry): «За открытия, касающиеся функциональной специализации полушарий головного мозга»; Дэвид Х. Хьюбель (David H. Hubel) и Торстен Н. Визель (Torsten N. Wiesel): «За открытия, касающиеся обработки информации в зрительной системе».
Отмечу, что в исследованиях с большой долей новизны доработка многих вещей: приборов, протоколов их использования, техник усиления – всё это ложится на плечи исследователей.
Заключение
Спасибо, что дочитали до конца! Надеюсь, что этот список методов поможет вам в исследованиях и откроет новые возможности для анализа сложных объектов.
- Решение 1. Присвоить объекту метку
- Решение 2. Окрасить объект
- Решение 3. Увеличить количество и концентрацию объектов
- Решение 4. Уменьшить количество и концентрацию объектов
- Решение 5. Рассмотреть объект в аналогичных биологических системах
- Решение 6. Рассмотреть объект
- Решение 7. Повышение чувствительности метода исследования и оборудования
Теперь, когда у вас есть набор инструментов для изучения невидимых объектов, важно попробовать применить их в реальных исследованиях. Предлагаю вам небольшой вызов: возьмите свою текущую задачу и попробуйте рассмотреть ее с позиции одного или нескольких методов, описанных в статье.
Наука – это всегда процесс поиска, проб и открытий. Возможно, у вас есть собственные методы, которые помогают находить невидимые объекты? Делитесь своими идеями! Обсуждения и коллективный разум нередко приводят к прорывным решениям.
Автор статьи: Фёдор Стенькин
Литературный редактор: Марат Каюмов
Обложка и иллюстрации – Максим Жильцов
Сильные разработки создаются не в одиночку, а в коллективе. LIVREZON CLUB объединяет более 50-ти коллективов в разных отраслях научного знания. В ежедневном режиме они делятся опытом, собирают новые данные, пишут книги и статьи, тестируют технологии и получают друг от друга полезную обратную связь.
Хотите присоединиться к коллективу разработчиков? Пишите на info@livrezon.com
ЧТО ТАКОЕ БАЗА ЗНАНИЙ?
Концентрированная книга издательства LIVREZON складывается из сотен и тысяч проанализированных источников литературы и масс-медиа. Авторы скрупулёзно изучают книги, статьи, видео, интервью и делятся полезными материалами, формируя коллективную Базу знаний.
Пример – это фактурная единица информации: небанальное воспроизводимое преобразование, которое используется в исследовании. Увы, найти его непросто. С 2017 года наш Клуб авторов собрал более 80 тысяч примеров. Часть из них мы ежедневно публикуем здесь.
Каждый фрагмент Базы знаний относится к одной или нескольким категориям и обладает точной ссылкой на первоисточник. Продолжите читать материалы по теме или найдите книгу, чтобы изучить её самостоятельно.
📎 База знаний издательства LIVREZON – только полезные материалы.