Hadiah Nobel Kimia tahun 2017 baru saja diberikan kepada Jacques Dubochet, Joachim Frank, dan Richard Henderson atas kontribusi mereka dalam mengembangkan teknik mikroskopi elektron suhu rendah (kriogenik) untuk menentukan struktur molekul biologis dalam larutan.
Penentuan struktur biomolekul seperti protein, DNA, dan RNA memang menantang. Dengan ukuran hanya berkisar dalam skala nanometer, penentuan struktur tersebut membutuhkan gelombang yang lebih pendek daripada jarak antar atom pada molekul tersebut untuk menghasilkan struktur resolusi tinggi. Artinya, atom-atom pada molekul dapat terlihat secara individual.
Selama puluhan tahun, metode difraksi sinar-x menjadi teknik utama dalam menentukan struktur biomolekul. Alasannya sederhana, panjang gelombang sinar-x berada pada rentang yang sama dengan jarak antar-atom sehingga dapat menentukan struktur secara akurat. Hanya saja, keberadaan molekul lain selain biomolekul yang ingin dipelajari, seperti molekul pelarut misalnya, membuat sinar-x terhambur dan menghasilkan sinyal pengganggu. Walhasil, metode ini membutuhkan sampel dalam kemurnian tingkat tinggi tanpa pelarut, sehingga kristal menjadi sampel yang ideal untuk teknik ini.
Berbeda dengan difraksi sinar-x (atau kristalografi sinar-x, karena metode ini membutuhkan sampel dalam bentuk kristal), mikroskopi elektron kriogenik tidak membutuhkan kristal dan hanya memerlukan sampel murni dalam larutan. Bagi yang merasa asing dengan metode ini, pada dasarnya teknik ini serupa dengan mikroskop cahaya. Hanya saja, sumber gelombang elektromagnetik yang digunakan adalah elektron ketimbang cahaya tampak.
Salah satu kelebihan utama elektron adalah ia dapat dipercepat. Percepatan elektron akan meningkatkan energi dan frekuensi gelombang yang dihasilkan (sifat gelombang pada materi seperti elektron dapat diamati pada pada massa dan kecepatan relatif tertentu). Frekuensi gelombang yang meningkat akan mengurangi panjang gelombang. Hasilnya, panjang gelombang elektron dapat diatur hingga lebih pendek daripada jarak antar-atom pada suatu molekul. Berdasarkan prinsip inilah, elektron dapat digunakan untuk menentukan struktur suatu makromolekul (molekul yang terdiri dari ribuan atom yang saling terikat).
Namun, penggunaan elektron berenergi tinggi menimbulkan masalah baru. Apabila elektron bertumbukan dengan atom-atom pada sampel biomolekul, ikatan kimia di antaranya dapat putus dan merusak struktur yang tentu tidak diinginkan. Hal ini kemudian ini diatasi dengan menyiapkan sampel dalam kondisi kriogenik, yaitu pada temperatur pada puluhan hingga ratusan derajat Celsius di bawah nol.
Pada awal pengembangan metode ini terdapat masalah utama. Biomolekul di antara larutan memiliki tingkat kontras yang kecil sehingga sulit untuk dideteksi di antara gangguan (noise) dari pelarut. Akibatnya, struktur dengan resolusi tinggi sulit didapat dengan kondisi ini. Masalah lain lebih kepada kendala perangkat, antara lain sensitivitas sensor dalam menangkap sinyal hamburan elektron.
Inovasi yang dimotori oleh Dubochet, Frank, dan Henderson pada grup riset mereka masing-masing telah membuka kemungkinan penggunaan metode mikroskopi elektron kriogenik untuk karakterisasi biomolekul dengan resolusi atomik.
Dubochet dan kolega berkontribusi mengembangkan teknik preparasi sampel di dalam larutan berair dengan menggunakan etana cair pada suhu hingga -190C. Melalui teknik ini, sampel berada pada kondisi yang mirip dengan kondisi biologis, namun pada suhu kriogenik yang mampu melindunginya dari radiasi elektron dan kondisi vakum pada mikroskop elektron. Sementara itu, Frank dan grupnya berkontribusi untuk teknik ini dari segi pendekatan geometris untuk menjawab pertanyaan bagaimana membangun suatu struktur yang utuh dari ribuan hasil pencitraan elektron dengan beragam orientasi. Sedangkan Henderson dan timnya berhasil mendemonstrasikan bahwa teknik ini dapat digunakan untuk menentukan struktur biomolekul dengan ukuran relatif kecil dan resolusi tinggi.
Kontribusi mereka berhasil membawa mikroskopi elektron ke tingkatan yang sama sekali baru. Jika sebelumnya mikroskop elektron hanya digunakan untuk menentukan struktur non-biologis seperti kristal mineral, kini teknik yang serupa dapat digunakan untuk molekul biologis yang "hidup". Hingga saat ini, mikroskopi elektron kriogenik telah digunakan untuk menentukan berbagai struktur biologis mulai dari virus utuh hingga hemoglobin.
Penentuan struktur biomolekul membawa banyak kemungkinan untuk aplikasi di berbagai area. Bukan tidak mungkin, teknik ini menjadi metode utama dalam menentukan struktur molekul biologis dan memberi pengetahuan baru akan fungsi dan interaksi molekul-molekul pada makhluk hidup.