Revolusjonerende mikroskopi Teknikknett Mest lukrative pris i vitenskap


Gjennombruddspremie-grunnleggerne Mark Zuckerberg ( venstre ) og Yuri Milner snakker på scenen i 2017 gjennombruddsprisen på NASAs Ames Research Center den 4. desember 2016 i Mountain View, California. Getty Images Et bilde kan være verdt tusen ord - men å finne en måte å ta nanoskala bilder på er verdt USD 3 millioner. Oppfi

Gjennombruddspremie-grunnleggerne Mark Zuckerberg ( venstre ) og Yuri Milner snakker på scenen i 2017 gjennombruddsprisen på NASAs Ames Research Center den 4. desember 2016 i Mountain View, California. Getty Images

Et bilde kan være verdt tusen ord - men å finne en måte å ta nanoskala bilder på er verdt USD 3 millioner. Oppfinner av en "superoppløselig" mikroskopi teknikk som biologer bruker for å avsløre cellens skjulte molekylære strukturer, er en av seks store vinnere av årets gjennombruddspremier - de mest lukrative prisene i vitenskap og matematikk. Vinnerne ble annonsert 17. oktober.

Mikroskopimetodenes ledende oppfinner, Xiaowei Zhuang, er biofysiker ved Harvard University i Cambridge, Massachusetts, og en undersøker ved Howard Hughes Medical Institute (HHMI) i Chevy Chase, Maryland. Hun ble tildelt en av fire premier i biovitenskap for å utvikle stokastisk optisk rekonstruksjonsmikroskopi, kjent som STORM, for litt over et tiår siden. Teknikken var en av de første til å bryte en grunnleggende oppløsningsgrense for konvensjonell lysmiscroskopi og brukes nå mye i biologi-samfunnet.

"Å motta denne store prisen er en svært givende følelse, " sier Zhuang. "Jeg var begeistret for å motta telefonsamtalen."

"Dette er fantastisk forskning, " sier Allard Mosk, en optisk fysiker og spesialist i mikroskopi ved Utrecht Universitet i Nederland. "Zhuang bidro med flere resultater som virkelig fikk superoppløsningsrevolusjonen startet i biologisk mikroskopi." (Nobelprisen i 2014 i kjemi ble tildelt utviklere av andre superoppløsningsmetoder.)

Konvensjonell lysmikroskopiets oppløsningsgrense - som er proporsjonal med bølgelengden av det optiske lyset som ble brukt - ble først identifisert i det nittende århundre og gjør det tilsynelatende umulig å skille objekter som er mindre enn 200 nanometer fra hverandre. "Bildene av to objekter som overlapper romlig vil bløde sammen i en blokk, så hvordan separerer du disse ut?" Sier Zhuang. "Vårt svar med STORM var å skille dem i tidsdimensjonen."

Trikset innebærer å merke overlappende molekyler med "fotoswitchable" fluorescerende forbindelser som kan eller ikke kan glø seg når de er badet med lys. Biologer kan ikke kontrollere hvilke spesielle molekyler som vil fluoresce-forskjellige lyser tilfeldig hver gang.

Når en merket biologisk prøve lyser under en lavintensitetslaser, vil bare en liten, tilfeldig del av molekylene lyse, slik at forskere får skarpe bilder av den delmengden av molekyler, som igjen gjør at molekylernes posisjoner kan bestemmes nøyaktig . Prosessen blir deretter gjentatt flere ganger, hver runde fokuserer på en annen tilfeldig delmengde. Biologer kan da lagre øyeblikksbildene for å bygge et komplett bilde.

Teknikken har ført til en rekke funn. Blant dem har Zhuangs lag brukt STORM til å peer på molekylene like under nevronmembranen, og oppdaget at cytoskelettet-en celles strukturelle rammeverk består av repeterende elementer. "Det er en vakker og overraskende struktur, " sier Zhuang, "nesten som ribbenene i et bokstavelig skjelett du ser på Halloween."

Hun har siden utviklet en annen bildebehandlingsteknikk, og tar sikte på å opprette en "Google Map of Every Cell i vår kropp - spesielt i hjernen".

Fysikk og matematikk

Gjennombruddspremien for grunnleggende fysikk ble tildelt Charles Kane og Eugene Mele ved University of Pennsylvania i Philadelphia for deres arbeid forutsi eksistensen av en type eksotisk materiale kjent som en topologisk isolator. Interiøret av disse materialene er elektriske isolatorer, men deres overflater utfører elektrisitet. De kunne en dag bli brukt til å lage mer energieffektive elektroniske enheter og å lage kvante datamaskiner.

Kane minner om å forsøke å beregne de mulige egenskapene til atomtykkelsen av karbonmaterialet grafen i 2005, og forutsi teoretisk at den counterintuitive effekten kunne oppstå. Den forutsagte effekten var imidlertid så liten at den ikke kunne bekreftes eksperimentelt i grafen, og Kane innrømmer nesten å gi opp ideen. "Det var en stemme i hodet mitt og sa:" Dette er dumt, "minnes han. Men effekten ble senere bekreftet av andre forskere i kvikksølv telluride i 2007, og har siden blitt sett i andre materialer. "Jeg antar jeg er glad jeg stakk med det, " sier Kane.

"Kane og Mele rewrote kondensert materie fysikk fra grunnleggende opp, " sier Judy Cha, som studerer topologiske isolatorer ved Yale University i New Haven, Connecticut. Hun husker at når materialene ble oppdaget, var "spenningen i atmosfæren palpabel", i fysikksamfunnet. Forskere i år fant også at overraskende, så mange som en fjerdedel av materialene kunne ha potensial til å vise topologiske egenskaper.

Kromosomer og immunologi

Tre andre biovitenskapspriser ble også annonsert. C. Frank Bennett fra Ionis Pharmaceuticals i Carlsbad, California, og Adrian Krainer på Cold Spring Harbor Laboratory i New York ble anerkjent for å utvikle en effektiv terapi for å tavle genet som forårsaker neurodegenerativ spinal muskelatrofi hos barn.

Angelika Amon fra Massachusetts Institute of Technology i Cambridge og HHMI vant for å bestemme hvordan et unormalt antall kromosomer kan forstyrre cellereparasjon, noe som fører til konsekvenser som Downs syndrom eller abort. Og HHMI-undersøker Zhijian Chen ved University of Texas Southwestern Medical Center i Dallas ble tildelt en premie for å oppdage det DNA-sensing enzymet cGAS, som er involvert i utløsende immun- og autoimmune responser.

Vincent Lafforgue fra det franske nasjonale forskningsrådet, CNRS, i Grenoble, Frankrike, mottok gjennombruddsmatematikkprisen for hans bidrag til Langlands-programmet. Ofte referert til som en "grand enhetlig teori for matematikk", programmet, involverer programmet å utlede et sett med formodninger som forbinder de vidtgående feltene i algebra, tallteori og analyse.

Gjennombruddspremiene, som ble tildelt hvert år av en komité, ble lansert i 2012 og finansieres av gründere, inkludert Internett-entreprenør Yuri Milner og Facebooks øverste Mark Zuckerberg. Kunngjøringen av årets årlige priser følger en spesiell premie som ble utlyst av komiteen i september for astrofysiker Jocelyn Bell Burnell fra University of Oxford og Durham University i Storbritannia for å oppdage pulsarer.

Denne artikkelen er reprodusert med tillatelse og ble først publisert 17. oktober 2018.

Biospheric Bartering: Debtor Nations Betal regningene og bevare sine ressurserKlimaendring Remobiliserer Long Buried Pollution som arktiske ismelterKeystone XL Oljepipeline forverrer klimaendringKjør ned: Dammer, forurensning Reduser vestkystslaksnummerHøye IQ kan bidra til å redusere posttraumatisk stressFacet-Lift: Selvmonterende nanopartikler kan gi nøkkel til nye materialerTilbake til startHaig Donabedian: Finne en medisinsk nisje