ژاک دوبوشه

ژاک دوبوشه
متولد	۸ ژوئن ۱۹۴۲
محل زندگی	لوزان، سوئیس
ملیت	سوئیسی
جوایز	جایزهٔ نوبل شیمی ۲۰۱۷

ژاک دوبوشه (Jacques Dubochet؛ زادهٔ ۸ ژوئن ۱۹۴۲) زیست‌فیزیک‌دان سوئیسی و استاد افتخاری دانشگاه لوزان است. او در سال ۲۰۱۷، به‌طور مشترک با یواخیم فرانک و ریچارد هندرسون، جایزهٔ نوبل شیمی را دریافت کرد. انگیزهٔ رسمی جایزه «برای توسعهٔ میکروسکوپی الکترونی برودتی جهت تعیین ساختار مولکول‌های زیستی در محلول با وضوح بالا» اعلام شد.

مهم‌ترین سهم دوبوشه، حل مشکل آب در میکروسکوپی الکترونی بود. مولکول‌های زیستی برای حفظ شکل طبیعی خود به آب نیاز دارند، اما آب در خلأ میکروسکوپ الکترونی تبخیر می‌شود. دوبوشه در اوایل دههٔ ۱۹۸۰ نشان داد که می‌توان آب را آن‌قدر سریع سرد کرد که بدون تشکیل بلورهای یخِ مخرب، به حالت «یخ شیشه‌ای» درآید. در این حالت، مولکول‌های زیستی در محیطی شفاف و نزدیک به شرایط طبیعی حفظ می‌شوند و می‌توان آن‌ها را با پرتو الکترونی تصویربرداری کرد.

زندگی و تحصیلات

ژاک دوبوشه در شهر ایگل در سوئیس به دنیا آمد. او دوران کودکی و نوجوانی خود را در بخش فرانسوی‌زبان سوئیس گذراند. دوبوشه در زندگی‌نامهٔ خود نوشته است که از کودکی به شناخت جهان زنده و سازوکارهای طبیعت علاقه داشت، اما مسیر تحصیلی‌اش ابتدا از فیزیک آغاز شد.

او در مدرسهٔ پلی‌تکنیک دانشگاه لوزان، که بعدها به مدرسهٔ پلی‌تکنیک فدرال لوزان تبدیل شد، فیزیک خواند. هدف او این بود که با استفاده از ابزارهای فیزیک به مطالعهٔ زیست‌شناسی بپردازد. در آن زمان، روش‌های فیزیکی به‌سرعت در زیست‌شناسی مولکولی وارد می‌شدند و ساختار DNA و پروتئین‌ها به موضوع اصلی پژوهش‌های علمی تبدیل شده بود.

پس از تحصیل در فیزیک، دوبوشه در دانشگاه ژنو به زیست‌شناسی مولکولی روی آورد. او دورهٔ دکترای زیست‌فیزیک خود را در دانشگاه ژنو و دانشگاه بازل تکمیل کرد و در سال ۱۹۷۳ دکترای خود را دریافت کرد. آموزش هم‌زمان او در فیزیک، زیست‌شناسی مولکولی و میکروسکوپی، زمینهٔ میان‌رشته‌ای لازم برای پژوهش‌های بعدی‌اش را فراهم کرد.

آغاز فعالیت علمی

دوبوشه در سال‌های نخست فعالیت خود به مطالعهٔ ساختار و رفتار مولکول‌های زیستی با ابزارهای فیزیکی پرداخت. در دههٔ ۱۹۷۰، در آزمایشگاه زیست‌شناسی مولکولی اروپا در هایدلبرگ کار کرد. او از سال ۱۹۷۸ تا ۱۹۸۷ در این مؤسسه فعالیت داشت و سپس به دانشگاه لوزان بازگشت. بخش مهمی از فعالیت دانشگاهی او در لوزان به توسعهٔ زیست‌فیزیک و آموزش پژوهشگران جوان اختصاص یافت.

پژوهشگران برای شناخت پروتئین‌ها و ویروس‌ها باید شکل سه‌بعدی آن‌ها را ببینند. میکروسکوپ نوری برای بسیاری از این ساختارها وضوح کافی ندارد، زیرا طول موج نور مرئی اجازه نمی‌دهد جزئیات بسیار کوچک مولکول‌ها آشکار شود. میکروسکوپ الکترونی از پرتوهای الکترونی استفاده می‌کند و از نظر نظری می‌تواند وضوح بسیار بیشتری ایجاد کند، اما برای تصویربرداری از مواد زیستی با دشواری‌های جدی روبه‌رو است.

مشکل آب و خلأ

مولکول‌های زیستی در محیط آبی شکل و عملکرد طبیعی خود را حفظ می‌کنند. اگر آب از اطراف آن‌ها حذف شود، بسیاری از پروتئین‌ها تغییر شکل می‌دهند یا فرو می‌ریزند. از سوی دیگر، محفظهٔ میکروسکوپ الکترونی باید خلأ باشد تا پرتو الکترونی بتواند به‌درستی حرکت کند. آب مایع در چنین شرایطی تبخیر می‌شود و نمونهٔ زیستی را از بین می‌برد.

مشکل دیگر، تشکیل بلورهای یخ است. هنگامی که آب به‌آرامی منجمد می‌شود، مولکول‌های آب در شبکه‌های منظم بلوری قرار می‌گیرند. این بلورها می‌توانند نمونهٔ زیستی را جابه‌جا یا تخریب کنند و تصویر به‌دست‌آمده را تغییر دهند. بنابراین، برای تصویربرداری دقیق، باید آب به‌گونه‌ای منجمد شود که بلورهای معمولی تشکیل نشوند.

شیشه‌ای‌ کردن آب یا ویتریفی کردن آب

فرایند شیشه‌ای کردن آب

دوبوشه و همکارانش راهی برای سردکردن بسیار سریع آب پیدا کردند. در این فرایند، نمونهٔ زیستی در لایه‌ای بسیار نازک از آب قرار می‌گیرد و با سرعت زیاد سرد می‌شود. سرعت سردشدن آن‌قدر است که مولکول‌های آب فرصت سازمان‌یافتن در شبکهٔ بلوری را پیدا نمی‌کنند. آب به حالت جامد نامنظمی درمی‌آید که «یخ شیشه‌ای» یا یخ آمورف نامیده می‌شود.

در این حالت، آب به‌صورت بلورهای بزرگ و مزاحم منجمد نمی‌شود و مولکول‌های زیستی در جای خود باقی می‌مانند. نمونه را می‌توان در خلأ میکروسکوپ الکترونی قرار داد و با پرتو الکترونی مشاهده کرد. این روش، که به «شیشه‌ای‌سازی» یا «ویتریفی‌کردن» آب معروف است، پایهٔ میکروسکوپی الکترونی برودتی یا cryo-EM شد.

اهمیت کار دوبوشه فقط در سردکردن نمونه نبود. او نشان داد که می‌توان شرایطی ایجاد کرد که در آن مولکول‌های زیستی هم در وضعیت نزدیک به حالت طبیعی باقی بمانند و هم برای تصویربرداری الکترونی مناسب باشند. این دستاورد، مرز میان زیست‌شناسی و فیزیک ابزارها را جابه‌جا کرد.

شیشه‌ای‌سازی آب (ویتریفیکاسیون) فرایندی است که در آن آب با سرعت بسیار زیاد سرد می‌شود و بدون تشکیل بلورهای منظم یخ، به حالت جامد آمورف یا «یخ شیشه‌ای» درمی‌آید.

میکروسکوپی الکترونی برودتی

میکروسکوپی الکترونی برودتی روشی برای تصویربرداری از نمونه‌های زیستی در دماهای بسیار پایین است. در این روش، پرتو الکترونی از نمونهٔ منجمد عبور می‌کند و اطلاعاتی دربارهٔ چگالی و آرایش مولکول‌ها به دست می‌دهد. از آنجا که پرتوهای الکترونی می‌توانند به نمونه آسیب بزنند، پژوهشگران معمولاً تصاویر زیادی از ذرات مشابه تهیه می‌کنند و از هر تصویر اطلاعات محدودی به دست می‌آورند.

کار دوبوشه یکی از سه مرحلهٔ اصلی توسعهٔ cryo-EM بود. او امکان حفظ نمونه در یخ شیشه‌ای را فراهم کرد. یواخیم فرانک روش‌های محاسباتی را برای هم‌تراز کردن و ترکیب تصاویر دو بعدی توسعه داد و ریچارد هندرسون نشان داد که می‌توان از پروتئین‌ها تصاویر سه‌بعدی با وضوح بالا تهیه کرد. همکاری این دستاوردها باعث شد cryo-EM از یک روش تخصصی به ابزاری مهم در زیست‌شناسی ساختاری تبدیل شود.

کاربردهای علمی و پزشکی

با پیشرفت cryo-EM، پژوهشگران توانستند ساختار بسیاری از پروتئین‌ها، ویروس‌ها و مجموعه‌های مولکولی را بررسی کنند. این روش برای مطالعهٔ پروتئین‌هایی که در غشاهای سلولی قرار دارند اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا بررسی آن‌ها با روش‌های دیگر دشوار است.

تصاویر به‌دست‌آمده از cryo-EM به پژوهشگران کمک می‌کند بفهمند داروها چگونه به پروتئین‌های هدف متصل می‌شوند. از این اطلاعات می‌توان در طراحی دارو، مطالعهٔ پروتئین‌های عامل بیماری و بررسی سازوکار مقاومت میکروبی استفاده کرد. تصویربرداری از ویروس‌ها، از جمله ساختار سطحی آن‌ها، نیز به شناخت بهتر عفونت و پاسخ ایمنی کمک می‌کند.

این روش همچنین امکان مشاهدهٔ مولکول‌ها در حالت‌های گوناگون را فراهم می‌کند. بسیاری از پروتئین‌ها ثابت نیستند و هنگام انجام وظیفه تغییر شکل می‌دهند. پژوهشگر می‌تواند با ثبت تعداد زیادی مولکول در وضعیت‌های متفاوت، مراحل حرکت و عملکرد آن‌ها را بازسازی کند.

جایزهٔ نوبل شیمی ۲۰۱۷

ژاک دوبوشه - ریچارد هندرسون - یواخیم فرانک

آکادمی سلطنتی علوم سوئد در ۴ اکتبر ۲۰۱۷ اعلام کرد که جایزهٔ نوبل شیمی به ژاک دوبوشه، یواخیم فرانک و ریچارد هندرسون تعلق می‌گیرد. جایزه به‌طور مساوی میان سه دانشمند تقسیم شد و انگیزهٔ رسمی آن «برای توسعهٔ میکروسکوپی الکترونی برودتی جهت تعیین ساختار مولکول‌های زیستی در محلول با وضوح بالا» بود.

بیانیهٔ نوبل، روش آن‌ها را عاملی برای ورود زیست‌شیمی به دوره‌ای تازه دانست. با این روش می‌توان مولکول‌های زیستی را در میانهٔ حرکت منجمد کرد و فرایندهایی را مشاهده کرد که پیش‌تر دیده نمی‌شدند. این اطلاعات هم برای فهم بنیادی شیمی حیات و هم برای توسعهٔ داروها اهمیت دارد.

دوبوشه در زمان دریافت جایزه، استاد افتخاری زیست‌فیزیک در دانشگاه لوزان بود. دانشگاه لوزان او را افزون بر فعالیت علمی، به دلیل تعهد اجتماعی و توجه به منافع عمومی علم نیز می‌شناسد.

دیدگاه دربارهٔ علم و جامعه

دوبوشه در سخنرانی‌ها و گفت‌وگوهای خود بر نقش عمومی علم تأکید کرده است. از دیدگاه او، دانش فقط ابزار رقابت فردی یا تجاری نیست و باید به‌عنوان بخشی از میراث مشترک جامعه در دسترس مردم قرار گیرد. او همچنین دربارهٔ آموزش، محیط زیست و مسئولیت اجتماعی دانشمندان اظهارنظر کرده است.

این نگاه در ادامهٔ مسیر میان‌رشته‌ای او نیز دیده می‌شود. دوبوشه فیزیک را برای فهم زیست‌شناسی به کار گرفت و سپس ابزاری را توسعه داد که در شیمی، پزشکی، زیست‌شناسی و علوم مواد کاربرد پیدا کرد. روش او نشان می‌دهد که پیشرفت علمی گاهی از پیوند چند حوزه و حل یک مشکل فنی مشخص پدید می‌آید.

حمایت از مقاومت ایران

شورای ملی مقاومت ایران در ۲۲ مارس ۲۰۲۳ گزارش کرد که ژاک دوبوشه یکی از امضاکنندگان نامهٔ مشترک برندگان نوبل در حمایت از خیزش سراسری ایران بوده است. نام او در فهرست امضاکنندگان با عنوان برندهٔ نوبل شیمی ۲۰۱۷، از سوئیس، آمده است. بنا بر گزارش مذکور، امضاکنندگان خواستار حمایت بین‌المللی از مردم ایران و مقابله با سرکوب شده و از طرح ده‌ماده‌ای مریم رجوی برای آیندهٔ ایران پشتیبانی کرده‌اند.