Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 05:22 • sest 21:31 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 23:11 • Sest 05:11 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 06:38 • Síðdegis: 18:56 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 00:39 • Síðdegis: 12:46 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Náttúruvísindi og verkfræði Orkumál
Náttúruvísindi og verkfræði Lífvísindi: almennt
Náttúruvísindi og verkfræði Efnafræði
Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: fræðileg

Hverjir fengu Nóbelsverðlaunin í efnafræði 2014 og fyrir hvað voru verðlaunin veitt?

Kesara Anamthawat-Jónsson

Nóbelsverðlaunin í efnafræði (eðlisefnafræði) árið 2014 féllu í skaut þriggja vísindamanna. Þeir eru Eric Betzig vísindamaður við Janelia-rannsóknastöð Howard Hughes-stofnunarinnar fyrir læknisfræði í Virginíufylki í Bandaríkjunum, Stefan W. Hell vísindamaður og forstöðumaður Max Planck-stofnunarinnar fyrir lífeðlis- og efnafræði í Göttingen, Þýskalandi og William E. Moerner prófessor í efna- og eðlisfræði við Stanfordháskóla í Kaliforníufylki í Bandaríkjunum. Þeir hlutu verðlaunin fyrir ljóssmásjártækni sem gefur miklu meiri upplausn umfram það sem áður var talið mögulegt og gerir vísindamönnum meðal annars kleift að kafa inn í frumur, fylgjast með prótínum og öðrum sameindum og hreyfingum fruma og innviða þeirra.

Með notkun fyrstu ljóssmásjáa uppgötvaði Robert Hooke (1635-1703) að korkur og aðrir plöntuvefir eru samsettir úr litlum holrýmum með veggjum á milli sem hann nefndi “cells” (cytos) sem þýðir “lítil rými“.

Í smásjártækni er talað um upplausn (e. resolution) en það er greiningarhæfni til að greina sundur nálægar línur eða punkta. Árið 1873 hélt þýski eðlisfræðingurinn Ernst Karl Abbe (1840–1905) því fram að upplausn ljóssmásjár geti ekki orðið meiri en 200 nanómetrar (1 nm = 10-7 sm) vegna eðliseiginleika ljóss. Samkvæmt því getur hefðbundin ljóssmásjá gefið okkur möguleika á að sjá hluti sem eru stærri en 200 nm, ekki smærri. Þessi upplausn hefur þó opnað dyr að áður óþekktri veröld og gert okkur kleift að sjá miklu smærri hluti en hægt er að sjá með berum augum; hægt er að sjá lifandi frumverur í vatni, æxlisfrumur í krabbameinsvef, litningagalla sem orsaka Downs-heilkenni og óteljandi margt annað. Flestar frumur manna, spendýra og blómplantna eru 100 míkrómetrar (1 µm = 10-4 sm) að stærð. Við getum einnig greint sundur smærri hluti í frumunni eins og hvatbera og grænukorn en slík frumulíffæri eru yfirleitt stærri en 200 nm. Flestar bakteríur eru sjáanlegar undir ljóssmásjá en ekki veirur. Ljóssmásjártækni, eins góð og hún er, var orðin takmarkandi fyrir vísindastörf, menn vilja sjá enn smærri hluti. Með uppgötvunum þessara Nóbelsverðlaunahafa má segja að orðið hafi bylting en þeir eru verðlaunaðir fyrir þróun á smásjátækni (ljós-, laser- og flúrsmásjártækni) sem fer fram úr þeim mörkunum sem áður voru talin mesta mögulega upplausn. Þessi nýja tækni gefur möguleika á að sjá langt niður á upplaunsnarskala, til dæmis niður í 10-20 nm, og gefur möguleika á að rannsaka meðal annars flókið eðli sjúkdóma. Tæknin getur því orðið til mikilla hagsbóta fyrir mannkynið.

STED-tæknin byggist á því að nota tvo leysigeisla til að afmarka svæði flúrljómunar sem myndast af flúrmerktum sameindum á mjög litlu svæði, minna en 200 nm að stærð, síðan skanna yfir frumulíffæri sem verið er að skoða og þannig næst heildar mynd með mikilli upplausn. Á þessari mynd sést greining hvatbera (e. mitochondrion), en það er frumulíffæri sem gegnir mikilvægu hlutverki í frumuöndun heilkjörnunga.

Tvenns konar ljóssmásjártækni hefur verið þróuð, annars vegar STED og hins vegar STORM. STED-smásjártæknin (e. stimulated emission depletion) var þróuð af Nóbelsverðlaunahafanum Stefan Hell. Árið 1994 birti hann grein sem útskýrði hugmynd og undirstöðuatriði STED-smásjártækninnar[1] og 1999 birti hann fyrstu líffræðilegu tilraunirnar sem framkvæmdar voru með notkun STED-tækninnar.[2] STED-tæknin (mynd 2) virkar eins og staðsetningartæki, en tæknin er einungis möguleg með notkun sérhannaðrar smásjár, svokallaðrar STED-smásjár. STED-tæknin nýtist í fjölmörgum líffræðilegum og læknisfræðilegum rannsóknum, til dæmis í rannsóknum á sviði taugalíffræði.[3] Þess má geta að árið 2009 bauð höfundur þessa svars Hell að koma til Íslands og halda erindi um þessa byltingarkenndu smásjártækni á norrænni ráðstefnu um smásjártækni sem haldin var við Háskóla íslands, en ferðakostnaður var greiddur af Norræna smásjártæknifélagi SCANDEM, Evrópsku smásjársamtök EMS og stofnun hans Max Planck í Göttingen.

Hin tegundin, sem einnig voru veitt Nóbelsverðlaun fyrir, er tækni til greiningar einstakra sameinda (e. single-molecule microscopy). Um er að ræða aðferð við ljósgeislun sem getur breytt flúrljómun einstakra sameinda að vild. Árið 1989 tókst W. E. Moerner að mæla ljósgleypni einstakra sameinda í fyrsta sinn.[4] Árið 1997 fann hann, ásamt félögum sínum, meðal annars Roger Y. Tsien Nóbelsverðlaunahafa í efnafræði 2008, stökkbrigði af flúrljómandi prótíni, GFP (e. green fluorescent protein), sem gat gefið blikkandi flúrljómun á sekúndna millibili og einnig mátti kveikja og slökkva á fljúrljómunni að vild.[5] Þetta fyrirbæri er hér kallað flúrljómunarrofi (e. molecular photonic switch). Þeir lögðu til að þessi gerð prótína sé nothæf sem merki fyrir greiningu einstakra sameinda í lifandi frumum og líffræðilegum ferlum.

Undirstöðuatriði smásjártækninnar sem hönnuð er til að mynda einstakar sameinda (e. single-molecule imaging). Þessi mynd sýnir hugmyndafræðina á bak við tæknina með því að nota útlínur fuglsins “La Paloma de la Paz” eftir Picasso sem viðfangsefni sem er verið að skoða undir smásjá.

Eric Betzig var fyrstur manna til að nýta sér fljúrljómunarrofann við smásjártækni (mynd 3). Hann setti fram hugmyndir sínar árið 1995[6] og árið 2006 tókst honum að greina í sundur einstakar sameindir í líffræðilegum tilgangi.[7] Hann kallaði aðferðina PALM (photoactivated localization microscopy). Hugmyndafræði Betzig er einnig grunnur að þróun á öflugari smásjátækni og meðal annarra útgáfa er tæknin STORM (e. stochastic optical reconstruction microscopy) best þekkt og auðfæranleg fyrir rannsóknastofur víða um heim. Sú sem leiddi þróun STORM-tækninnar árið 2006[8], samhliða PALM-tækninni, er Xiaowei Zhang, prófessor í efnafræði, lífefnafræði og eðlisfræði við Harvardháskóla í Massachusettsfylki í Bandaríkjunum. Hún hefur útvíkkað tæknina frekar og í dag er svokölluð 3D-STORM, þrívíddartækni öflugust fyrir erfðafræðilegar og læknisfræðilegar rannsóknir.[9][10]

Tilvísanir:
  1. ^ Hell SW & Wichmann J (1994) Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission: stimulated-emission-depletion (STED) fluorescence microscopy. Optics Letters 19: 780-782.
  2. ^ Klar TA & Hell SW (1999) Subdiffraction resolution in far-field fluorescence microscopy. Optics Letters 24: 954-956.
  3. ^ Loew LM & Hell SW (2013) Superresolving Dendritic Spines. Biophysical Journal 104: 741-743.
  4. ^ Moerner WE & Kador L (1989) Optical detection and spectroscopy of single molecules in a solid. Physical Review Letters 62: 2535-38.
  5. ^ Dickson RM, Cubitt AB, Tsien RY & Moerner WE (1997) On/off blinking and switching behaviour of single molecules of green fluorescent protein. Nature 388: 355-358.
  6. ^ Betzig E (1995) Proposed method for molecular optical imaging. Optics Letters 20: 237-239.
  7. ^ Betzig E et al. (2006) Imaging Intracellular Fluorescent Protein at Nanometer Resolution. Science 313: 1641-1645.
  8. ^ Rust MJ, Bates M & Zhuang X (2006) Subdiffraction-limited imaging by stochastic optical reconstruction micrsocopy (STORM). Nature Methods 3: 793-795.
  9. ^ Xu K, Zhong G & Zhuang X (2013) Actin, spectrin and associated proteins form a periodic cytoskeleton structure in axons. Science 339: 452-456.
  10. ^ Hwang WL, Deindl S, Harada BT & Zhuang X (2014) Histone H4 tail mediates allosteric regulation of nucleosome remodelling by linker DNA. Nature 512: 213-217.

Myndir:

Höfundur

Kesara Anamthawat-Jónsson

Kesara Anamthawat-Jónsson

prófessor í grasafræði og plöntuerfðafræði við HÍ

Útgáfudagur

20.11.2014

Spyrjandi

Ritstjórn

Efnisorð

Tilvísun

Kesara Anamthawat-Jónsson. „Hverjir fengu Nóbelsverðlaunin í efnafræði 2014 og fyrir hvað voru verðlaunin veitt?“ Vísindavefurinn, 20. nóvember 2014. Sótt 24. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=68578.

Kesara Anamthawat-Jónsson. (2014, 20. nóvember). Hverjir fengu Nóbelsverðlaunin í efnafræði 2014 og fyrir hvað voru verðlaunin veitt? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=68578

Kesara Anamthawat-Jónsson. „Hverjir fengu Nóbelsverðlaunin í efnafræði 2014 og fyrir hvað voru verðlaunin veitt?“ Vísindavefurinn. 20. nóv. 2014. Vefsíða. 24. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=68578>.

Chicago | APA | MLA

Tengd svör

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki
Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hverjir fengu Nóbelsverðlaunin í efnafræði 2014 og fyrir hvað voru verðlaunin veitt?
Nóbelsverðlaunin í efnafræði (eðlisefnafræði) árið 2014 féllu í skaut þriggja vísindamanna. Þeir eru Eric Betzig vísindamaður við Janelia-rannsóknastöð Howard Hughes-stofnunarinnar fyrir læknisfræði í Virginíufylki í Bandaríkjunum, Stefan W. Hell vísindamaður og forstöðumaður Max Planck-stofnunarinnar fyrir lífeðlis- og efnafræði í Göttingen, Þýskalandi og William E. Moerner prófessor í efna- og eðlisfræði við Stanfordháskóla í Kaliforníufylki í Bandaríkjunum. Þeir hlutu verðlaunin fyrir ljóssmásjártækni sem gefur miklu meiri upplausn umfram það sem áður var talið mögulegt og gerir vísindamönnum meðal annars kleift að kafa inn í frumur, fylgjast með prótínum og öðrum sameindum og hreyfingum fruma og innviða þeirra.

Með notkun fyrstu ljóssmásjáa uppgötvaði Robert Hooke (1635-1703) að korkur og aðrir plöntuvefir eru samsettir úr litlum holrýmum með veggjum á milli sem hann nefndi “cells” (cytos) sem þýðir “lítil rými“.

Í smásjártækni er talað um upplausn (e. resolution) en það er greiningarhæfni til að greina sundur nálægar línur eða punkta. Árið 1873 hélt þýski eðlisfræðingurinn Ernst Karl Abbe (1840–1905) því fram að upplausn ljóssmásjár geti ekki orðið meiri en 200 nanómetrar (1 nm = 10-7 sm) vegna eðliseiginleika ljóss. Samkvæmt því getur hefðbundin ljóssmásjá gefið okkur möguleika á að sjá hluti sem eru stærri en 200 nm, ekki smærri. Þessi upplausn hefur þó opnað dyr að áður óþekktri veröld og gert okkur kleift að sjá miklu smærri hluti en hægt er að sjá með berum augum; hægt er að sjá lifandi frumverur í vatni, æxlisfrumur í krabbameinsvef, litningagalla sem orsaka Downs-heilkenni og óteljandi margt annað. Flestar frumur manna, spendýra og blómplantna eru 100 míkrómetrar (1 µm = 10-4 sm) að stærð. Við getum einnig greint sundur smærri hluti í frumunni eins og hvatbera og grænukorn en slík frumulíffæri eru yfirleitt stærri en 200 nm. Flestar bakteríur eru sjáanlegar undir ljóssmásjá en ekki veirur. Ljóssmásjártækni, eins góð og hún er, var orðin takmarkandi fyrir vísindastörf, menn vilja sjá enn smærri hluti. Með uppgötvunum þessara Nóbelsverðlaunahafa má segja að orðið hafi bylting en þeir eru verðlaunaðir fyrir þróun á smásjátækni (ljós-, laser- og flúrsmásjártækni) sem fer fram úr þeim mörkunum sem áður voru talin mesta mögulega upplausn. Þessi nýja tækni gefur möguleika á að sjá langt niður á upplaunsnarskala, til dæmis niður í 10-20 nm, og gefur möguleika á að rannsaka meðal annars flókið eðli sjúkdóma. Tæknin getur því orðið til mikilla hagsbóta fyrir mannkynið.

STED-tæknin byggist á því að nota tvo leysigeisla til að afmarka svæði flúrljómunar sem myndast af flúrmerktum sameindum á mjög litlu svæði, minna en 200 nm að stærð, síðan skanna yfir frumulíffæri sem verið er að skoða og þannig næst heildar mynd með mikilli upplausn. Á þessari mynd sést greining hvatbera (e. mitochondrion), en það er frumulíffæri sem gegnir mikilvægu hlutverki í frumuöndun heilkjörnunga.

Tvenns konar ljóssmásjártækni hefur verið þróuð, annars vegar STED og hins vegar STORM. STED-smásjártæknin (e. stimulated emission depletion) var þróuð af Nóbelsverðlaunahafanum Stefan Hell. Árið 1994 birti hann grein sem útskýrði hugmynd og undirstöðuatriði STED-smásjártækninnar[1] og 1999 birti hann fyrstu líffræðilegu tilraunirnar sem framkvæmdar voru með notkun STED-tækninnar.[2] STED-tæknin (mynd 2) virkar eins og staðsetningartæki, en tæknin er einungis möguleg með notkun sérhannaðrar smásjár, svokallaðrar STED-smásjár. STED-tæknin nýtist í fjölmörgum líffræðilegum og læknisfræðilegum rannsóknum, til dæmis í rannsóknum á sviði taugalíffræði.[3] Þess má geta að árið 2009 bauð höfundur þessa svars Hell að koma til Íslands og halda erindi um þessa byltingarkenndu smásjártækni á norrænni ráðstefnu um smásjártækni sem haldin var við Háskóla íslands, en ferðakostnaður var greiddur af Norræna smásjártæknifélagi SCANDEM, Evrópsku smásjársamtök EMS og stofnun hans Max Planck í Göttingen.

Hin tegundin, sem einnig voru veitt Nóbelsverðlaun fyrir, er tækni til greiningar einstakra sameinda (e. single-molecule microscopy). Um er að ræða aðferð við ljósgeislun sem getur breytt flúrljómun einstakra sameinda að vild. Árið 1989 tókst W. E. Moerner að mæla ljósgleypni einstakra sameinda í fyrsta sinn.[4] Árið 1997 fann hann, ásamt félögum sínum, meðal annars Roger Y. Tsien Nóbelsverðlaunahafa í efnafræði 2008, stökkbrigði af flúrljómandi prótíni, GFP (e. green fluorescent protein), sem gat gefið blikkandi flúrljómun á sekúndna millibili og einnig mátti kveikja og slökkva á fljúrljómunni að vild.[5] Þetta fyrirbæri er hér kallað flúrljómunarrofi (e. molecular photonic switch). Þeir lögðu til að þessi gerð prótína sé nothæf sem merki fyrir greiningu einstakra sameinda í lifandi frumum og líffræðilegum ferlum.

Undirstöðuatriði smásjártækninnar sem hönnuð er til að mynda einstakar sameinda (e. single-molecule imaging). Þessi mynd sýnir hugmyndafræðina á bak við tæknina með því að nota útlínur fuglsins “La Paloma de la Paz” eftir Picasso sem viðfangsefni sem er verið að skoða undir smásjá.

Eric Betzig var fyrstur manna til að nýta sér fljúrljómunarrofann við smásjártækni (mynd 3). Hann setti fram hugmyndir sínar árið 1995[6] og árið 2006 tókst honum að greina í sundur einstakar sameindir í líffræðilegum tilgangi.[7] Hann kallaði aðferðina PALM (photoactivated localization microscopy). Hugmyndafræði Betzig er einnig grunnur að þróun á öflugari smásjátækni og meðal annarra útgáfa er tæknin STORM (e. stochastic optical reconstruction microscopy) best þekkt og auðfæranleg fyrir rannsóknastofur víða um heim. Sú sem leiddi þróun STORM-tækninnar árið 2006[8], samhliða PALM-tækninni, er Xiaowei Zhang, prófessor í efnafræði, lífefnafræði og eðlisfræði við Harvardháskóla í Massachusettsfylki í Bandaríkjunum. Hún hefur útvíkkað tæknina frekar og í dag er svokölluð 3D-STORM, þrívíddartækni öflugust fyrir erfðafræðilegar og læknisfræðilegar rannsóknir.[9][10]

Tilvísanir:
  1. ^ Hell SW & Wichmann J (1994) Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission: stimulated-emission-depletion (STED) fluorescence microscopy. Optics Letters 19: 780-782.
  2. ^ Klar TA & Hell SW (1999) Subdiffraction resolution in far-field fluorescence microscopy. Optics Letters 24: 954-956.
  3. ^ Loew LM & Hell SW (2013) Superresolving Dendritic Spines. Biophysical Journal 104: 741-743.
  4. ^ Moerner WE & Kador L (1989) Optical detection and spectroscopy of single molecules in a solid. Physical Review Letters 62: 2535-38.
  5. ^ Dickson RM, Cubitt AB, Tsien RY & Moerner WE (1997) On/off blinking and switching behaviour of single molecules of green fluorescent protein. Nature 388: 355-358.
  6. ^ Betzig E (1995) Proposed method for molecular optical imaging. Optics Letters 20: 237-239.
  7. ^ Betzig E et al. (2006) Imaging Intracellular Fluorescent Protein at Nanometer Resolution. Science 313: 1641-1645.
  8. ^ Rust MJ, Bates M & Zhuang X (2006) Subdiffraction-limited imaging by stochastic optical reconstruction micrsocopy (STORM). Nature Methods 3: 793-795.
  9. ^ Xu K, Zhong G & Zhuang X (2013) Actin, spectrin and associated proteins form a periodic cytoskeleton structure in axons. Science 339: 452-456.
  10. ^ Hwang WL, Deindl S, Harada BT & Zhuang X (2014) Histone H4 tail mediates allosteric regulation of nucleosome remodelling by linker DNA. Nature 512: 213-217.

Myndir:

...