२०१७ नोबेल प्राइज़ रसायन -क्रायो -इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप्स (तीसरी और अंतिम क़िस्त समाप्त ): शिक्षकों एवं छात्रावृन्द के लिए विशेष सरल सहज प्रांजल भाषा में लिखी गई विशेष सामिग्री अंग्रेजी में भी पढ़िए

Chemistry Nobel for Cryo-Electron Microscopes, Machines That Can ‘See’ the Atoms of Life(Hindi Part lll)

वर्ष २०१७ के रसायन विज्ञान के लिए घोषित नोबेल पुरूस्कार का सारा श्रेय क्रायो -इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी में की गई अभिनव पहल को जाता है।इसी पहल ने इलेक्ट्रॉन बीम जिस अध्ययन के लिए लाये गए साम्पिल को ही क्षति ग्रस्त कर डालती थी ,यानी अन्वेषी ही अन्वेषित को खा जाता था ,उस समस्या से हमेशा हमेशा के लिए छुटकारा दिलवाया है। इसी तकनीक की नै परवाज़ ने हमारे अपने जीवन के रसायनशास्त्र हमारी तमाम कोशिकाओं के भेद खोल के रख दिए हैं वह भी परमाणुविक  स्तर की सूक्ष्म  विभेदन -क्षमता(Resolving Power या Resolution ) के साथ। 

इस असम्भव को सम्भव बनाने में इलेक्ट्रॉन -टोही- प्रौद्योगिकी (Electron detector technology )का भी बड़ा हाथ रहा है। 

इस बहु -चर्चित और पुरुस्कृत प्रौद्योगिकी (Cryo -TEM) के तहत अब एक इलेक्ट्रॉन पुंज सूक्ष्म अध्ययन के लिए लाये गए साम्पिल पर ड़ाला जाता है लेकिन ऐसा करने के ठीक पहले इस साम्पिल को द्रुत गति से प्रशीतित (हिमीकृत )कर लिया जाता है ताकि इसकी फेब्रिक ,स्ट्रक्चर या  संरचना में सामान्य फ्रीजिंग के मुकाबले  कोई बदलाव न आने पाए  . इसके लिए द्रव इथेन का इस्तेमाल किया गया। 
यह विशेष तौर पर इस प्रकार रचा गया साम्पिल इलेक्ट्रॉन पुंज को अपने मार्ग से इस प्रकार विचलित (diflect )करता है जिससे इस जैव अणु की संरचना का खुलासा बेहतरीन रेजोलुशन ,एवं विभेदन सुनिश्चित  हो जाता है। परमाणुविक स्तर पर जैव -अणुओं के भीतर झाँक कर देख लिया जाता है। 

यहां एक पंथ दो काज सधते हैं :

(१ )प्रशीतित साम्पिल इलेक्ट्रॉन बीम के प्रहार से झुलसने से बच जाता है।

(२ ) इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के निर्वात कक्ष में बने रहने वाले वेक्यूम से साम्पिल जल -विनियोजित होने ,डीहाड्रेट होने या आम भाषा  में कहें तो सूखने बिखरने से भी बचा रहता है। 

क्रायो -ट्रॅन्समिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के परवान चढ़ने से अब न सिर्फ जीवन के रसायन शाश्त्र की समझ बूझ बढ़ेगी ,यह भी दर्ज़ किया जा सकेगा ,कैसे जैव -सक्रीय अभिकर्मक (बायो -एक्टिव -एजेंट्स )जैव अणुओं के साथ इंटरेक्ट करते हैं क्रिया -प्रति-क्रिया  करते है। अभिनव दवाओं के निर्माण की ओर  यह एक कदम और आगे की और रखने जैसा ही होगा। 

क्या पादप क्या वनस्पतियां ,पशु-पक्षी और स्वयं हम ,तमाम किस्म के रोगकारक जैव -आवयविक संगठन ,जीवाणु ,विषाणु और परजीवी ,प्रोटीने  प्राणी मात्र के जीवन के आधार का एक आवश्यक अंग बनी रहतीं हैं। 

पादप प्रोटीनें हों या जीवाणु प्रोटीन ,इनकी गहन बूझ इनका रसायन शास्त्र हमारे लिए बड़ा महत्वपूर्ण हैं दवाओं से लेकर इलाज़ तक इनके गहरे अर्थ हैं हमारे लिए हैं। 

एक्सरे क्रिस्टलोग्रेफी तथा न्यूक्लीयर मेग्नेटिक रेज़ोनेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी जैव -अणुओं की हमारी संरचनात्मक समझ को बढ़ाती आईं हैं। इन दोनों ही प्रौद्योगिकियों की तकनीकों से आगे निकलकर Cryo-Transmission Elctron -Microscopy (Cryo-TEM)कई चीज़ों अब तक पेश आई समस्याओं का उन्मूलन कर देती है मसलन एक्सरे -क्रिस्टलोग्रेफी में साम्पिल का क्रिस्टलीकरण करना ज़रूरी होता है जो कई मामलों में बड़ा दुष्कर साबित होता है। इस प्राविधि में  अध्ययन के लिए लाये गए कई जैव -अणुओं को संरचनात्मक क्षति भी पहुँच सकती है। 

अब समूचे विषाणुओं ,जमी हुई हिमीकृत कोशिकाओं की परतें भी Cryo-TEM खोलके दिखला देती है। एक्स रे क्रिस्टलोग्रेफी तथा न्यूक्लीयर मेग्नेटिक रेज़ोनेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी के बरक्स (की तुलना में )सौ -गुना बड़े साम्पिल्स की  ये विस्तृत झांकी दिखला सकती है। इस प्रकार इसके प्रयोग और परिस्थिति के अनुरूप अनुकूलन का दायरा उल्लेखित दोनों प्राविधियों की बनस्पित बड़ा हो जाता है। 

यह सारा हासिल एक दिन की बात नहीं आ रही है। रिचर्ड हेंडरसन ,जो-आकिम फ्रेंक एवं जेक्स डुबोशे के तीन से ज्यादा दशकों के निरंतर और अनथक प्रयासों का सुफल है। और इसी समर्पण भाव ने इन्हें आज ये रसायन विज्ञान  का सर्वोच्च पुरुस्कार नोबेल २०१७ के लिए हासिल करवाया है। अखिलभारतीय विज्ञान ब्लॉगर संघ इनके मेधा और विज्ञान के प्रति इनके समर्पण भाव को प्रणाम करता है। 

२०१७ नोबेल प्राइज़ रसायन -क्रायो -इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप्स (तीसरी और अंतिम क़िस्त समाप्त )  

विशेष :अंग्रेजी की बेहतर समझ रखने वाले ,इस भाषा में खुद को सहज समझने वाले हमारे आदरणीय पाठकों के लिए उल्लेखित विस्तृत ब्योरा आंग्ल भाषा में भी दिया जा रहा है। 
 शीर्षक :हिमीकृत -इलेक्ट्रॉन सूक्ष्म दर्शन (समापन किश्त )Cryo -elctron microscopy lll

सन्दर्भ -सामिग्री :

https://thewire.in/184432/nobel-chemistry-cryo-electron-microscopy-dubochet-henderson-proteins-biology/

शिक्षकों एवं छात्रावृन्द के लिए विशेष सरल सहज प्रांजल भाषा में लिखी गई विशेष सामिग्री अंग्रेजी में भी पढ़िए :

Chemistry Nobel for Cryo-Electron Microscopes, Machines That Can ‘See’ the Atoms of Life

Jacquet Dubochet, Joachim Frank and Richard Henderson optimised the electron microscope through simple workarounds, preserving it as the instrument of choice among structural biologists.

The electron microscope’s resolution has radically improved in the last few years, from mostly showing shapeless blobs (before 2013) to now being able to visualise proteins at atomic resolution

This year’s Nobel Prize for chemistry has been awarded to Jacques Dubochet, Joachim Frank and Richard Henderson for “developing cryo-electron microscopy for the high-resolution structure determination of biomolecules in solution”.

Cryo-electron microscopy is an optimised form of electron microscopy. In our daily lives, our eyes use photons, the particles of light, to ‘see’ objects around us when they reflect those photons. This is because the wavelength of visible light is comparable in length to that of the smallest deformations we need to be able to see. However, objects that are less wide than this distance are not visible to us because the photons won’t be reflected by them. This is also why radio telescopes are so big: their antennae, or receiver dishes, have to have width comparable to the wavelengths of electromagnetic radiation they’re trying to intercept.

Electrons have a lower wavelength when imagined as a wave than do photons, so they can resolve smaller objects. An electron microscope is a machine that ‘sees’ objects using electrons, and then magnifies those images so humans can study them. It was first invented in the 1930s. However, the beam of electrons produced by the machine is bad for biological tissues it is studying.

The beam is produced and applied to the tissue in a vacuum because, otherwise, molecules in the air would scatter the beam. But in a vacuum, all the water in the tissue evaporates, causing the tissue’s biochemical infrastructure to physically collapse, disrupting what scientists are actually trying to ‘see’. Moreover, the beam also damages the tissue and breaks chemical bonds (especially if it’s of a few hundred kilovolts).

This year’s chemistry laureates fixed these issues by finding simple workarounds, restoring the electron microscope as the instrument of choice among structural biologists.

In the early 1980s, Jacques Dubochet found a way to freeze samples so rapidly that they froze at exactly the moment scientists wanted to look at through a microscope. Dubochet achieved this by transferring the sample onto a metallic mesh using something like a water-dropper. There, parts of the sample would form meniscuses across the mesh. Suddenly, the mesh would be shot into liquid ethane at -90º C, flash-freezing the meniscuses. This prevented the water in tissues from evaporating.

The abstract for a March 2009 paper coauthored by Dubochet read, “Water, which was once the arch enemy of all electron-microscopists, became what it always was in nature – an integral part of biological matter and a beautiful substance.”

Second: in the decade since 1975, Joachim Frank developed a way for the multiple two-dimensional images produced by an electron microscope to be combined into a three-dimensional image – more useful for scientists. In 1990, Richard Henderson used these techniques, and his own improvisations, to produce a three-dimensional image of a protein (called bacteriorhodopsin) down to its atoms.

Atomic resolution typically means a distance of 3.3 angstrom (Å) – more than 250-times smaller than the HIV virus (1 Å is one-tenth of a nanometre). In 2015, a group of biologists from the US pushed the laureate trio’s techniques to the hilt, determining the arrangement of a biochemical structure at a resolution of 2.8 Å. They wrote in their paper, “Reaching resolutions higher than 3 Å is a prerequisite for structure-based drug design and for cryoEM to become widely interesting to pharmaceutical industries. … The results described in this manuscript demonstrate that single particle cryoEM is capable of competing with X-ray crystallography for determination of protein structures of suitable quality for rational drug design.”

Two months later, another group hit 2.2 Å.

Sub-3 Å was a resolution previously reserved only for X-ray crystallography, which made the achievement doubly important. X-ray crystallography requires specimens under study to be crystallised, which is often not possible, and studied in environments inimical to the specimen’s natural ones.

Frank’s contribution is particularly interesting because it augured two prevalent, and convergent, trends in modern chemistry – and in modern science for that matter: machine-learning and computational studies. By 1981, he had developed a computer algorithm that could look at thousands of images of the same proteins generated by an electron microscope and identify similarities. Next, it could produce high-resolution 2D images of the proteins: if one part of one image was fuzzy, the algorithm would identify the same part from another image and fill in the blanks.

While the data-processing machines and algorithms powering 21st century science are far more sophisticated, they are essentially equivalent to what Frank did in the 1970s. His method allows scientists to ‘sample’ specimens with small doses of electron radiation over and over – which means even sensitive matter could be studied – and piece all the images together to get a high-resolution version.

(However, it must be noted that Frank did not pioneer the use of computers to enhance current knowledge. In fact, the ability to assemble a reliable 3D image of a specimen from 2D images was first demonstrated in the 1970s by Anthony Crowther and David DeRosier.)

Since 2010, newer techniques have continued to optimise cryo-electron microscopy. Case in point: when the electrons are shot at the frozen meniscuses, the latter assume a more curved shape because they’re accumulating negative charge. This problem was solved in 2012 with the advent of direct electron detectors, which ‘image’ the doming effect at about 400 frames per second.

But we’re not done yet. Just like powerful telescopes have been able to work together to identify features of the cosmos they could not have seen by themselves, advancements in electronics and chemical engineering are keeping cryo-electron microscopy up to date as well as easily usable. For example, the technique is best suited for meniscuses 1 micrometer thick or less, and can’t achieve high contrasts. To solve these problems, engineers invented ion-beam milling and, subsequently, cryo-electron tomography: an imaging technique where samples are simply tilted or shifted while being studied.