fbpx

Каталог статей

Каталог статей для размещения статей информационного характера

Технології

Нобелівські премії 2017 року в області науки: біологічні годинники, гравітаційні хвилі і дослідження структури білка

Нобелівський тиждень (серія лекцій і церемоній, що проводяться кожного грудня в Стокгольмі, в кінці учасників чекає вручення власне премій і бенкет) — подія неквапливе.
Це добре, оскільки лауреати приїжджають зі всього світу. Вони мають час адаптуватися до зміни часових поясів перед зустріччю з королем Швеції і врученням медалей та чеків. В цьому році особливо це можуть оцінити троє переможців, адже вони з числа тих вчених, які допомогли зрозуміти, чому взагалі є таке явище, як десинхронізація, або ж джетлаг.
Джеффрі Холл, Майкл Росбаш і Майкл Янг разом досліджували як внутрішні годинник плодових мушок (а також інших організмів) керують так званими циркадными (добовими) ритмами. Це внутрішній цикл (латинське слово circa означає «навколо», а dies — «день»), який пристосовує фізіологічні процеси в тілі до чергування світла і темряви, обумовленого обертанням Землі. Він, зокрема, управляє чергуванням сну і активності організму. Таким чином було відкрито, що людині, яка перелітає, скажімо, з Лондона в Нью-Йорк (з того моменту як реактивні літаки зробили можливим швидке пересування між часовими поясами), знадобиться кілька днів, щоб пристосуватися до нью-йоркським світлого відрізку доби.
Хол і Росбаш працювали в університеті Брендайса в штаті Массачусетс. Янг вів дослідження в університеті Рокфеллера в Нью-Йорку. У 1984-му вони зробили перший крок: виділили у дрозофіл ген, який назвали «період». Як вже було відомо, цей ген допомагав керувати циркадними ритмами. У часи, коли розшифрування генів ще тільки зароджувалося, це було вже досить видатним досягненням. Далі Хол і Росбаш виміряли концентрацію білка, що кодує цей ген, у мозку мушок-дрозофіл. Вони виявили, що концентрація цього білка циклічно збільшується і зменшується протягом доби, сягаючи найвищого значення вночі. Також вони виміряли рівні присутності зв’язковий молекули, яка проводиться генами періоду і переносить «рецепт» білка в клітинні структури, які продукують такі білки. Ці рівні також циклічно змінюються щодня, досягаючи пікового значення за кілька годин до піку білка.
Основне тут: сам білок пригнічує дію генів періоду. Чим вища його концентрація, тим менша активність генів. Це знижує виробництво зв’язковий молекули, що в свою чергу зменшує виробництво білка. За цей ген активується повторно. І так знову і знову.
В процес втручається багато інших генів і білків, багато з яких також відкрили вчені Хол, Росбаш і Янг. Деякі з них «приєднують» біологічний годинник до інформації з органів зору, щоб забезпечити його синхронну роботу з сонцем. Але саме той базовий цикл активності гена «період», що регулюється зв’язковий молекулою і білком, і є справжнім маятником біологічних годин.
Нобелівська премія за гравітаційні хвилі
Лауреати-фізики побили рекорди часу по-іншому. Незважаючи на застереження у заповіті Альфреда Нобеля, премії повинні даватися за дослідження, зроблене в попередньому році, більше половини їх в області фізики з 1985 року присуджена за роботи, виконані понад 20 років тому. Однак цього року все було інакше. Премію присудили Райнеру Вайсс з Массачусетського технологічного інституту, а також Баррі Баришу і Стос Торну з Каліфорнійського технологічного інституту, які два роки тому виявили гравітаційні хвилі.
Пророкування існування таких хвиль — одне з багатьох, які містяться в теорії відносності Альберта Ейнштейна столітньої давності. Він представляв, що гравітація — це результат викривлення простору і часу навколо маси. Це викривлення змінює шлях об’єктів, що рухаються поблизу. Якщо розв’язати рівняння, які описують цей процес, то вийде, що рухаються маси повинні створювати хвилі, які розходяться по всесвіту.
Щоб виявити такі коливання, потрібна чутлива апаратура. Всі три лауреата працювали на американському детекторі гравітаційних хвиль LIGO, добудованому в 2002 році. Принцип роботи LIGO полягає в тому, що він розщеплює лазерний промінь надвоє і посилає дочірні промені туди-сюди через кілька тунелів, кожен довжиною 4 км, розміщених перпендикулярно один до одного. Будь-яка гравітаційна хвиля при проходженні повинна розтягувати і стискати обидва тунелі по-різному, викликаючи майже непомітні зміни у відрізках часу, за який лазерний промінь перетинає їх. Щоб підтвердити, що машина «бачить» гравітаційну хвилю, її забезпечили двома парами тунелів: одним в штаті Вашингтон, іншим в штаті Луїзіана. Гравітаційна хвиля буде з’являтися майже (але не зовсім) одночасно в обох.
Незважаючи на високу чутливість спочатку LIGO не давав жодних результатів. І лише після ряду вдосконалень, починаючи з 2010 року, він став досить чутливим, щоб остаточно і недвозначно розпізнавати ці хвилі. Перша помічена (яка і принесла вченим премію) у 2015 році вважається результатом зіткнення двох чорних дір за 1,3 млрд світлових років від Землі. З тих пір було зроблено ще більше відкриттів. За кілька днів до вручення Нобелівських премій LIGO повідомив про виявлення вже четвертою гравітаційної хвилі. А в онлайн-режимі з’являється все більше детекторів. Виявлення четвертої хвилі посприяв європейський інструмент VIRGO, розміщений в Італії. Інші пристрої будуються в Індії та Японії. Система космічного базування під назвою LISA, з «рукавами» в мільйони кілометрів довжиною (а значить, з набагато більш високою чутливістю) готується до запуску в 2030-х.
Але нинішня премія в галузі фізики відзначає не просто чергове підтвердження мудрою здогадки Ейнштейна. Сьогодні астрономам доводилося спостерігати Всесвіту за допомогою електромагнітного спектра — радіохвиль видимого світла гама-випромінювання. Детектор, спроектований і побудований Вайссом, Баришем, Торном і кількома сотнями інших учених, відкриває нове вікно у світ і може допомогти астрономам бачити (наприклад, зіткнення чорних дірок або стан Всесвіту відразу після Великого Вибуху) , що не видно завдяки електромагнетизму.
Нобелівська премія за розвиток криоэлектронной мікроскопії
Премія в галузі хімії дісталася Жаку Дюбоше з університету Лозанни (Швейцарія), Йоахіму Френку з Колумбійського університету в Нью-Йорку і Річарду Гендерсону з Лабораторії молекулярної біології в Кембриджі (Великобританія). Кожен з них вніс внесок у розвиток криоэлектронной мікроскопії — техніки, яка дозволяє бачити формулу біологічних молекул (наприклад, білків), не докладаючи значних труднощів, без яких не обходилася підготовка до обробки за більш древніми прийомами начебто рентгенной кристалографії або звичайної електронної мікроскопії.
Дюбоше винайшов спосіб заморожувати критично важливі для цього прийому зразки. Їх, наприклад потрібний дослідникам білок, у формі водної суспензії наливають на тонку металеву сітку. Тоді цю сітку занурюють у рідкий етан при температурі близько -180 °C. Особливе значення має швидкість занурення. Якщо вона мала, то вода в зразку перетворюється на кристали льоду, які знищать молекули білка. Однак якщо занурювати досить швидко, то вода не перетвориться в лід, а переходить в склоподібний стан, яке зберігає білки для дослідження.
Гендерсон звернувся до цієї техніки, коли білок, який вчений намагався підготувати до рентгенівської кристалографії, ніяк не хотів кристалізуватися, а тому його не можна було дослідити. У 1990 році, після більше 15 років спроб, він вперше використовував її для отримання зображення білка бактериородопсина — такого детального, наскільки здатна рентгенівська кристалографія.
Внесок Френка математичного характеру. Він розробив метод виділення тривимірних білкових структур з плоских кадрів, отриманих з криоэлектронного мікроскопа. Зрештою, після багаторічного вдосконалення отримано новий, більш якісний спосіб дослідження біологічних молекул.
Оскільки часто саме форма таких молекул визначає їх функції, виявлення точної форми має критичне значення для вчених. Це дозволить, наприклад, цілеспрямовано створювати ліки, які взаємодіяли б із молекулами, а не просто гадати, які хімічні речовини можуть бути ліками, і перевіряти мільйони з’єднань.
Можна сперечатися про те, чи варто криоэлектронную мікроскопію насправді віднести до фізики. Представники цієї науки хотіли б мати можливість «привласнити її собі. Але незалежно від того, чи підпадає вона під таксономію тієї науки, це винахід проривний у багатьох поглядах.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *