یواخیم فرانک

یواخیم فرانک
متولد	۱۲ سپتامبر ۱۹۴۰
محل زندگی	نیویورک، ایالات متحدهٔ آمریکا
ملیت	آلمانی-آمریکایی
جوایز	جایزهٔ نوبل شیمی ۲۰۱۷؛ جایزهٔ وایلِی؛ جایزهٔ بنیامین فرانکلین
والدین	ویلهلم فرانک و شارلوت مانسکف
فرزندان	دو فرزند

یواخیم فرانک (Joachim Frank؛ زادهٔ ۱۲ سپتامبر ۱۹۴۰) بیوشیمی‌دان، زیست‌فیزیک‌دان و زیست‌شناس ساختاری آلمانی-آمریکایی است. او استاد بیوشیمی و زیست‌شناسی مولکولی و استاد علوم زیستی در دانشگاه کلمبیا است.

فرانک در سال ۲۰۱۷، به‌طور مشترک با ژاک دوبوشه 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.

سهم اصلی فرانک در این دستاورد، توسعهٔ روش «بازسازی تک‌ذره‌ای» است. در این روش، از هزاران نسخهٔ مشابه یک مولکول زیستی تصویرهای دوبعدی گرفته می‌شود. این تصاویر، که هرکدام ممکن است مبهم و دارای جهت‌گیری متفاوت باشند، با روش‌های محاسباتی دسته‌بندی و با یکدیگر ترکیب می‌شوند تا نقشه‌ای سه‌بعدی از مولکول به دست آید. این روش امکان مطالعهٔ ساختار پروتئین‌ها، ریبوزوم‌ها و دیگر مجموعه‌های مولکولی را فراهم کرد.

زندگی و تحصیلات

یواخیم فرانک در سال ۱۹۴۰ در شهر زیگن آلمان به دنیا آمد. او دوران کودکی خود را در سال‌های جنگ جهانی دوم و سال‌های دشوار پس از آن گذراند. در نوجوانی به فیزیک و وسایل فنی علاقه داشت و به ساخت و بازسازی رادیوها می‌پرداخت. علاقهٔ او به آزمایش و کار با ابزار، بعدها در مسیر پژوهشی‌اش در تصویربرداری علمی و پردازش داده‌ها نقش پیدا کرد.

فرانک پس از پایان دبیرستان در دانشگاه‌های فرایبورگ و مونیخ به تحصیل پرداخت. او در سال ۱۹۷۰ دکترای فیزیک خود را از دانشگاه فنی مونیخ دریافت کرد. آموزش او در فیزیک، پایهٔ ریاضی و محاسباتی لازم را برای مطالعهٔ تصاویر میکروسکوپی فراهم کرد. با این حال، موضوع پژوهش‌هایش به‌تدریج از فیزیک ماده به سمت زیست‌فیزیک و ساختار مولکول‌های زیستی رفت.

پس از دریافت دکترا، فرانک در چند مرکز پژوهشی در اروپا و ایالات متحده فعالیت کرد. او در مرکز وادزورث در آلبانی نیویورک، دانشگاه ایالتی نیویورک در آلبانی، مؤسسهٔ پزشکی هاوارد هیوز و چند مرکز دیگر کار کرد.

فرانک از سال ۲۰۰۸ به دانشگاه کلمبیا پیوست و در آن‌جا به پژوهش و آموزش ادامه داد.

مسئلهٔ تصویربرداری از مولکول‌های زیستی

بسیاری از فرایندهای حیات به مولکول‌هایی مانند پروتئین‌ها، RNA و ریبوزوم‌ها وابسته‌اند. شکل سه‌بعدی هر مولکول با عملکرد آن ارتباط دارد. برای نمونه، تغییر کوچک در شکل یک پروتئین می‌تواند بر توانایی آن برای اتصال به مولکول دیگر یا انجام واکنش شیمیایی اثر بگذارد.

میکروسکوپ الکترونی از پرتو الکترونی استفاده می‌کند و در مقایسه با میکروسکوپ نوری می‌تواند جزئیات بسیار کوچک‌تری را نشان دهد. اما پرتو الکترونی به نمونه‌های زیستی آسیب می‌زند. افزون بر آن، یک مولکول منفرد بسیار کوچک است و تصویر به‌دست‌آمده از آن معمولاً نویزدار و مبهم است. بنابراین، یک تصویر منفرد برای تعیین ساختار کامل مولکول کافی نیست.

راه‌حل فرانک این بود که به جای تلاش برای تفسیر یک تصویر منفرد، از مجموعهٔ بزرگی از تصاویر مولکول‌های مشابه استفاده کند. هر ذره در یک جهت متفاوت قرار می‌گیرد و تصویری دوبعدی از همان ساختار سه‌بعدی ایجاد می‌کند. اگر این تصاویر به‌درستی مرتب و میانگین‌گیری شوند، اطلاعات مشترک آن‌ها می‌تواند ساختار اصلی مولکول را آشکار کند.

بازسازی تک‌ذره‌ای

فرانک از سال ۱۹۷۵ تا ۱۹۸۶ روش‌های محاسباتی بازسازی تک‌ذره‌ای را توسعه داد. نخست، تصاویر دوبعدی بر اساس شباهت‌هایشان با یکدیگر مقایسه می‌شوند. سپس تصاویر مشابه در گروه‌های جداگانه قرار می‌گیرند و نویزهای تصادفی تا حد امکان کاهش می‌یابند. در مرحلهٔ بعد، الگوریتم‌ها از این گروه‌ها اطلاعات سه‌بعدی استخراج می‌کنند.

این فرایند به پژوهشگر اجازه می‌دهد از تعداد زیادی تصویر کم‌کیفیت، یک مدل سه‌بعدی با وضوح بسیار بهتر بسازد. روش فرانک برای نمونه‌هایی اهمیت داشت که نمی‌توانستند به‌سادگی بلور تشکیل دهند. در روش‌های بلورنگاری پرتو ایکس، بسیاری از مولکول‌ها باید در یک آرایش منظم بلوری قرار بگیرند؛ اما در بازسازی تک‌ذره‌ای، مولکول‌ها می‌توانند جدا از هم و در وضعیت‌های گوناگون بررسی شوند.

این روش بعدها با پیشرفت رایانه‌ها، آشکارسازهای الکترونی و نرم‌افزارهای پردازش تصویر دقیق‌تر شد. امروز نرم‌افزارهای تخصصی می‌توانند میلیون‌ها تصویر را پردازش کنند و از آن‌ها نقشه‌های سه‌بعدی برای ساخت مدل اتمی به دست آورند.

همکاری در توسعهٔ cryo-EM

جایزهٔ نوبل شیمی ۲۰۱۷ به سه بخش مکمل از توسعهٔ میکروسکوپی الکترونی برودتی مربوط بود. ژاک دوبوشه روش شیشه‌ای‌سازی آب را توسعه داد تا مولکول‌های زیستی در یخ شیشه‌ای و نزدیک به شکل طبیعی خود حفظ شوند. ریچارد هندرسون نشان داد که می‌توان از پروتئین‌ها با میکروسکوپ الکترونی تصاویر سه‌بعدی با وضوح بالا تهیه کرد. یواخیم فرانک روش محاسباتی لازم برای ترکیب تصاویر دوبعدی و بازسازی ساختار سه‌بعدی را فراهم کرد.

در این روش، نمونهٔ زیستی در لایه‌ای نازک از یخ شیشه‌ای قرار می‌گیرد و در معرض پرتو الکترونی تصویربرداری می‌شود. به‌دلیل آسیب‌پذیری نمونه، از هر ذره تصویر محدودی به دست می‌آید. اما تعداد زیادی ذرهٔ مشابه در تصویر وجود دارد و با روش فرانک می‌توان تصاویر آن‌ها را دسته‌بندی و ترکیب کرد. نتیجه، نقشه‌ای سه‌بعدی از مجموعهٔ مولکولی است.

کمیتهٔ نوبل اعلام کرد که این فناوری زیست‌شیمی را وارد دوره‌ای تازه کرده است. پژوهشگران با cryo-EM می‌توانند مولکول‌ها را در وضعیت‌های مختلف مشاهده کنند و حتی برخی مراحل حرکت یا تغییر شکل آن‌ها را بازسازی کنند.

پژوهش دربارهٔ ریبوزوم و ترجمهٔ پروتئین

یکی از حوزه‌های اصلی پژوهش فرانک، مطالعهٔ ریبوزوم است. ریبوزوم دستگاه مولکولی سلول برای ساخت پروتئین است. این مجموعه، اطلاعات موجود در RNA پیام‌رسان را می‌خواند و بر اساس آن زنجیرهٔ پروتئینی می‌سازد.

آزمایشگاه فرانک با استفاده از cryo-EM و بازسازی تک‌ذره‌ای، مراحل گوناگون ترجمهٔ پروتئین را بررسی می‌کند. پژوهشگران این گروه به چگونگی اتصال RNA، حرکت ریبوزوم و نقش عوامل کمکی در آغاز، ادامه و پایان ترجمه می‌پردازند. این مطالعات به شناخت سازوکار مولکولی سلول و طراحی داروهایی که ریبوزوم یا فرایند ترجمه را هدف قرار می‌دهند، کمک می‌کند.

پژوهش‌های فرانک برای مطالعهٔ پروتئین‌ها و مجموعه‌های مولکولیِ مرتبط با بیماری‌ها نیز کاربرد دارد. دانشگاه کلمبیا اعلام کرده است که آزمایشگاه او از روش‌های cryo-EM زمان‌مند و تراشه‌های میکروسیالی برای دنبال‌کردن واکنش‌های زیست‌مولکولی در بازه‌های زمانی کوتاه استفاده می‌کند. این روش‌ها می‌توانند حالت‌های میانی واکنش‌ها را آشکار کنند؛ حالت‌هایی که با تصویربرداری معمولی به‌سادگی دیده نمی‌شوند.

کاربردهای علمی و پزشکی

بازسازی تک‌ذره‌ای در مطالعهٔ ویروس‌ها، پروتئین‌های غشایی، کانال‌های یونی و مجموعه‌های بزرگ سلولی کاربرد دارد. ساختار دقیق یک ویروس می‌تواند به پژوهشگران در شناخت راه ورود آن به سلول و طراحی دارو یا واکسن کمک کند. همچنین، مشاهدهٔ محل اتصال دارو به پروتئین هدف می‌تواند اطلاعاتی برای بهبود داروهای موجود فراهم کند.

این روش در بررسی پروتئین‌های مرتبط با مقاومت آنتی‌بیوتیکی و شیمی‌درمانی نیز اهمیت دارد. پژوهشگران می‌توانند ببینند یک پروتئین چگونه دارو را تغییر می‌دهد یا مانع اثر آن می‌شود. در نتیجه، cryo-EM نه‌تنها ابزار مشاهدهٔ ساختار، بلکه وسیله‌ای برای ارتباط‌دادن ساختار مولکولی با عملکرد و بیماری است.

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.

فرانک در زمان دریافت جایزه، استاد دانشگاه کلمبیا و عضو آکادمی ملی علوم ایالات متحده و آکادمی هنر و علوم آمریکا بود.

او این جایزه را نتیجهٔ کار گروهی چندین نسل از دانشجویان، پژوهشگران پسادکترا و همکاران دانست. روش او از یک ایدهٔ محاسباتی به فناوری گسترده‌ای تبدیل شد که اکنون در آزمایشگاه‌های زیست‌شناسی ساختاری در سراسر جهان به کار می‌رود.

حمایت از مقاومت ایران

شورای ملی مقاومت ایران در ۲۲ مارس ۲۰۲۳ گزارش کرد که یواخیم فرانک 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 ایالات متحده، 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.

همچنین، شورای ملی مقاومت در ۲۹ اوت ۲۰۲۲ گزارش کرد که فرانک در میان امضاکنندگان بیانیهٔ ۵۶ برندهٔ نوبل در حمایت از اجلاس ایران آزاد و نقشهٔ راه این شورا برای ایرانی آزاد، دموکراتیک و غیراتمی بوده است. این گزارش، حمایت امضاکنندگان از آزادی، انتخابات آزاد، برابری جنسیتی و جدایی دین از دولت را مطرح می‌کند.