Frank nabs the Nobel
Frank premiado con el Nobel

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Frank nabs the Nobel

Story by Sherry Mazzocchi

Nobel Prize winner Joachim Frank poses with a Lego electron microscope replica in his office.

Nobel Prize winner Joachim Frank poses with a Lego electron microscope replica in his office.

Joachim Frank has a new dog, Daisy, who wakes him up early.

But on a recent morning, it wasn’t Daisy who got him out of bed. The Columbia University scientist got an early morning phone call on October 4th telling him he’d won the 2017 Nobel Prize in Chemistry.

Frank, along with Jacques Dubochet (University of Lausanne, Switzerland) and Richard Henderson (MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, UK) won “for developing cryo-electron microscopy for the high-resolution structure determination of biomolecules solution.”

“This year’s prize is a testament to the excellence of our biomedical research,” said Columbia University President Lee Bollinger.

The Swedish Academy said cryo-electron microscopes—or cryo-EM—vaulted biochemistry into a new era. In very simple terms, it freezes biomolecules—proteins, RNA and DNA—in the middle of chemical processes, which allows the observation of complex biochemical processes at a molecular level.

Daisy usually issues the wake-up call. Photo: J. Frank

Daisy usually issues the wake-up call.
Photo: J. Frank

Henderson used electron microscopes to obtain atomic level resolutions of proteins. But it was Frank who developed a way to create three-dimensional structures from the electron microscope’s two dimensional images. Dubochet found a way to cool water so quickly that biomolecules could freeze and still retain their shape.

The resulting frozen biomolecules can studied in a more or less natural state and scientists can watch the processes unfold with each image—sort of like looking at a succession of freeze frames of a motion picture.

When he’s not developing major scientific breakthroughs, Frank is a photographer. He told NobelPrize.org that he is very visually oriented and sees patterns and structures.

That ability helped him figure out how to arrange two-dimensional images into three-dimensional structures. Frank had an “a-ha moment” in 1977 and developed the random conical tilt method, which allowed him to put together images by using the known angles and orientations of bio-molecules.

The electron microscope.

The electron microscope.

At Columbia, Frank studies ribosomes, which link amino acids together in a way dictated by RNA. They are roughly 20 nanometers in size, and very difficult to see. But cryo-EM blows up the images 50,000 times. Frank takes many images, and averages them together to create a narrative of what is happening at the molecular level.

Frank was born in Germany before the end of World War II. He showed an early aptitude for science and chemistry—and he loved taking things apart and putting them back together. Currently, he’s working on 20 different amino acid and ribosome projects.

At a press conference at Butler Library just hours after he learned of his prize, Frank said, “This is an extraordinary day for me; a touching and humbling experience because I know that some other new things have been discovered. The odds of anybody winning are very long.”

The Nobel Prize.

The Nobel Prize.

He also thanked his students.

“I wouldn’t be here without the incredible support of the very gifted students I have had the privilege to have with me and be able to train,” he said. “My research associates have all contributed pieces of this immense puzzle.”

When not working, Frank likes to take photos and walk with Daisy in Central Park. In one image, he captured Daisy in both the foreground and background and himself taking the picture. It was nearly a 2D, 3D and projected image all in one—just like his Nobel Prize-winning work.

Frank premiado con el Nobel

Historia por Sherry Mazzocchi

Columbia University members celebrate.

Miembros de la Universidad Columbia celebran.

Joachim Frank tiene una nueva perra, Daisy, quien lo despierta temprano.

Pero una reciente mañana, no fue Daisy quien lo sacó de la cama. El científico de la Universidad Columbia recibió una llamada telefónica temprano la mañana del 4 de octubre diciéndole que había ganado el Premio Nobel de Química 2017.

Frank, junto con Jacques Dubochet (Universidad de Lausanne, Suiza) y Richard Henderson (Laboratorio MRC de Biología Molecular, Cambridge, Reino Unido) ganaron “por desarrollar microscopía crioelectrónica para la determinación de alta resolución de la estructura de la solución de biomoléculas”.

“El premio de este año es un testimonio de la excelencia de nuestra investigación biomédica”, dijo el presidente de la Universidad Columbia, Lee Bollinger.

La Academia Sueca dijo que los microscopios crio-electrónicos o la bioquímica crio-EM llevaron a la bioquímica a una nueva era. En términos muy simples, congela las biomoléculas -proteínas, ARN y ADN- en medio de procesos químicos, lo que permite la observación de procesos bioquímicos complejos a nivel molecular.

“This year's prize is a testament to the excellence of our biomedical research,” said Columbia University President Lee Bollinger.

“El premio de este año es un testimonio de la excelencia de nuestra investigación biomédica”, dijo el presidente de la Universidad Columbia, Lee Bollinger.

Henderson usó microscopios electrónicos para obtener resoluciones de proteínas a nivel atómico. Pero fue Frank quien desarrolló una forma de crear estructuras tridimensionales a partir de las imágenes bidimensionales del microscopio electrónico. Dubochet encontró una manera de enfriar el agua tan rápidamente que las biomoléculas podrían congelarse y conservar su forma.

Las biomoléculas congeladas resultantes pueden estudiarse en un estado más o menos natural y los científicos pueden ver cómo se desarrollan los procesos con cada imagen, como mirando una sucesión de cuadros congelados de una película.

Cuando no está desarrollando grandes descubrimientos científicos, Frank es fotógrafo. Le dijo a NobelPrize.org que está muy orientado visualmente y ve patrones y estructuras.

En Columbia, Frank estudia los ribosomas, que unen a los aminoácidos de una manera dictada por el ARN. Son aproximadamente de 20 nanómetros de tamaño y muy difíciles de ver. Pero la crio-EM agranda las imágenes 50,000 veces. Frank toma muchas imágenes y las promedia para crear una narración de lo que está sucediendo a nivel molecular.Esa habilidad le ayudó a descubrir cómo organizar imágenes bidimensionales en estructuras tridimensionales. Frank tuvo un “momento a-ha” en 1977 y desarrolló el método de inclinación cónica aleatoria, el cual le permitió armar imágenes utilizando las orientaciones y los ángulos conocidos de las biomoléculas.

The Nobel Prize.

El Premio Nobel.

Frank nació en Alemania antes del final de la Segunda Guerra Mundial. Mostró una aptitud temprana para la ciencia y la química, y le encantaba desmontar cosas y reconstruirlas. Actualmente trabaja en 20 proyectos diferentes de aminoácidos y ribosomas.

En una conferencia de prensa en la Biblioteca Butler horas después de que se enteró de su premio, Frank dijo: “Este es un día extraordinario para mí; una experiencia conmovedora y humilde porque sé que se han descubierto algunas otras cosas nuevas. Las probabilidades de que gane cualquiera son muy lejanas”.

También agradeció a sus estudiantes.

“No estaría aquí sin el apoyo increíble de los muy dotados estudiantes que he tenido el privilegio de tener conmigo y poder entrenar”, dijo. “Mis colegas de investigación han contribuido con piezas de este inmenso rompecabezas”.

Cuando no trabaja, a Frank le gusta tomar fotos y caminar con Daisy en Central Park. En una imagen, capturó a Daisy tanto en el primer plano como en el fondo, y él mismo tomó la foto. Era casi una imagen 2D, 3D y proyectada, todo en uno, al igual que su obra ganadora del Premio Nobel.