Насколько возможно просто

Объясняем, за что дали Нобелевскую премию по медицине, химии и физике

На этой неделе объявили лауреатов Нобелевской премии 2023 года. Премии по естественным наукам дали за открытия, связанные с модификацией нуклеозидов, которые сделали возможной разработку эффективной мРНК-вакцины от COVID-19 (медицина), за экспериментальный метод, который позволяет создавать аттосекундные импульсы света (физика) и открытие и синтез квантовых точек (химия). Объясняем, что это за открытия и почему они настолько важны.

Чтобы не пропускать главные материалы «Холода», подпишитесь на наш инстаграм и телеграм.

Медицина: мРНК-вакцина

Присуждена Каталин Карико и Дрю Вайсману за открытия, связанные с модификацией нуклеозидов, которые сделали возможной разработку эффективной мРНК-вакцины от COVID-19.

Кажется, будто Нобелевский комитет решил дать премию за что-то актуальное — за вакцину от ковида. Но это не совсем так: речь идет не столько о средстве от конкретной болезни, сколько о принципиально новом способе терапии, частный случай которой — вакцины от разных инфекций.

Вакцина — это способ заранее познакомить иммунную систему человека с инфекцией, в контролируемых и безопасных условиях, чтобы в случае, когда человек встречается с «диким» патогеном, иммунитет знал, что делать, и мог задавить врага на ранней стадии.

Первые вакцины были основаны на использовании убитых или ослабленных вирусов, но этот метод был и сложным, и довольно рискованным. Живой, хотя и ослабленный вирус мог спровоцировать серьезные осложнения, а убитый не всегда мог формировать долгосрочный иммунитет. Благодаря прогрессу биотехнологий в качестве основы для вакцины начали использовать не целые вирусы, а их отдельные фрагменты и белки, которые вызывали иммунную реакцию, приводили к появлению в организме антител, но не могли бесконтрольно размножаться.

В последние годы начали широко разрабатывать векторные вакцины, основанные на использовании безвредных вирусов-носителей, не вызывающих тяжелых инфекций, — векторов. Методами генной инженерии в геном векторов (обычно используют аденовирусы) встраивают гены, ответственные за производство белка, вируса, от которого мы хотим создать защиту. Вирусы заражают клетки человека, а клетки начинают производить вирусный белок. Иммунная система «знакомится» с этим белком, производит антитела, и так формируется иммунная защита.

Нынешние лауреаты нашли способ обойтись без производства ослабленных вирусов, их белков или «заряженных» вирусным геномом векторов. Созданная ими мРНК-вакцина позволяет «обучить» иммунную систему, используя только «инструкцию» по синтезу вирусного белка.

Программа, по которой наши клетки производят белковые молекулы, записана в молекулах ДНК. Однако непосредственно в этот чертеж «строители» не заглядывают, для этого у них есть «рабочие копии» — матричные, или информационные, РНК (мРНК). Эти молекулы — отражения нужного участка ДНК, по которым собираются белковые молекулы. мРНК «печатаются» по ДНК в ядре, потом выходят наружу в цитоплазму, и там по ним делаются белковые молекулы.

Венгерская ученая Каталин Карико рассчитывала, что мРНК может стать хорошей основой для генной терапии. Если для лечения необходимо заставить клетки человека производить нужные белки, то можно не пытаться модифицировать их геном, то есть молекулы ДНК в ядре (что сложно и рискованно). Можно просто ввести в клетки нужные мРНК, которые к тому моменту уже умели синтезировать искусственно.

Но эксперименты показали, что молекула мРНК по какой-то причине вызывала в организме подопытных животных тяжелое воспаление, и дело застопорилось — университет Пенсильвании, где работала Карико, не хотел финансировать дальнейшие эксперименты.

Однако, к счастью, Карико познакомилась с Дрю Вайсманом из США, который работал над вакциной от ВИЧ и изучал дендритные клетки — разновидность лейкоцитов, которые необходимы для формирования иммунного ответа. Эти клетки непрерывно поглощают и распознают патогены, а затем «обучают» клетки долгосрочного иммунитета — Т-клетки, — «предъявляя» им антигены.

Карико и Вайсман решили проверить, можно ли провернуть всю эту цепочку в пробирке. Они брали мышиные дендритные клетки, «скармливали» им искусственно синтезированную мРНК патогена, затем подсаживали к ним Т-клетки, а потом возвращали их в мышей. И все получилось: Т-клетки действительно обучались. Однако выяснилось, что синтетическая мРНК заставляла дендритные клетки продуцировать еще и провоспалительные белки. При этом с «естественной» мРНК этого не происходило. Оставался один шаг: понять, что именно в искусственных молекулах мРНК провоцирует воспаление.

И Карико с Вайсманом нашли ответ на этот вопрос. Дело в том, что клетки часто модифицируют мРНК, добавляя к ее элементам — азотистым основаниям — различные «метки», например, метильные группы -CH3. Карико и Вайсман провели серию экспериментов, чтобы выяснить, какие из естественных мРНК вызывают наименьший воспалительный ответ у дендритных клеток, и нашли модификацию, которая его полностью исключала. Оказалось, что достаточно только одной метки — псевдоуридина. Искусственно синтезированная мРНК с такой меткой не только не вызывала воспалительного ответа, но и продуцировала больше белка.

Это открытие, опубликованное в 2005 году, проложило путь к медицинскому применению мРНК. К 2010 году несколько компаний разрабатывали мРНК-вакцины от вируса Зика, от ближневосточной коронавирусной болезни (MERS), близкой родственницы COVID-19. С началом пандемии компании BioNTech и Moderna разработали мРНК-вакцины, эффективность которых достигала 95 процентов.

Но возможности мРНК-технологии не ограничивается только вакцинами — в перспективе они позволят создать новые генотерапевтические препараты, а также лечить некоторые типы рака.

Физика: аттосекундный лазер

Присуждена Пьеру Агостини, Ференцу Краусу и Анн Л'Юилье за «экспериментальный метод, который позволяет создавать аттосекундные импульсы света для изучения динамики электронов в материи».

Мы избалованы автоматическими фотоаппаратами, поэтому далеко не все могут вспомнить, что такое «выдержка». А это — если говорить просто — промежуток времени, в течение которого камера смотрит на мир. Если она смотрит долго, скажем, секунду, то движущаяся машина на снимке окажется смазанной. Чем более быстрый процесс мы хотим увидеть в деталях, тем короче должна быть выдержка. Например, чтобы хорошо рассмотреть полет пули, нужно снимать со скоростью около миллиона кадров в секунду, то есть выдержка должна быть в одну миллионную долю секунды, и один кадр надо успевать делать за микросекунду.

Лауреаты премии по физике этого года нашли способ видеть процессы, которые длятся аттосекунды, то есть 10^-18 секунды (одна квинтиллионная доля секунды, или 0,000000000000000001 секунды). Самые быстрые объекты во Вселенной — фотоны — за это время успевают сдвинуться лишь на доли нанометра. Если бы мы сумели сделать выдержку настолько короткой, мы смогли бы следить за движениями электронов и химическими реакциями.

Механический затвор фотоаппарата тут не подойдет, но могут помочь особенности взаимодействия света и вещества. Первый шаг к аттосекунде сделала Анн Л’Юилье: она исследовала закономерности нелинейной оптики, а именно — взаимодействие света с атомами благородных газов. В 1987 году она вместе с коллегами изучала, как атомы аргона реагируют на инфракрасное излучение высокой мощности, и обнаружила, что в результате возникают дополнительные гармоники — или обертоны. Этот термин в оптике имеет то же значение, что и в музыке. Колеблющаяся струна, кроме основного тона с длиной волны, соответствующей длине самой струны, может создавать дополнительные тоны, длины волн которых укладываются целое число раз в длину волны основного тона.

Анн Л’Юилье выяснила, что дополнительные гармоники испускают электроны атомов аргона: под действием излучения электрические поля атомов деформируются, электроны на короткое время «выскакивают» из атома, получают дополнительную энергию, а затем переизлучают ее, проваливаясь назад. В результате возникает экстремально короткая вспышка ультрафиолета.

Теперь нужно было научиться отделять один такой сверхкраткий импульс от других и исходного инфракрасного излучения. Это сделали независимо друг от друга два лауреата этого года: Пьер Агостини в Париже и Ференц Краус в Вене. В 2001 году Агостини и его коллеги смогли создать на экспериментальной установке «поезд» из последовательных импульсов, каждый из которых продолжался лишь 250 аттосекунд. В том же году Ференц Краус в своей лаборатории научился отделять от «поезда» одиночный импульс длиной 650 аттосекунд.

Так у физиков появился инструмент для исследования самых быстрых процессов в природе — движения электронов, что позволит, в частности, исследовать и лучше понять процессы в молекулах и кристаллах. А это в свою очередь найдет самые разные применения — от изучения термоядерных реакций до медицинской диагностики.

Химия: квантовые точки

Присуждена Мунги Бавенди, Луиcу Брюсу и исследователю российского происхождения Алексею Екимову за «открытие и синтез квантовых точек».

Премия по химии в этом году присуждена физикам и за открытие, которое скорее относится к области физики твердого тела — за квантовые точки. Если говорить максимально упрощенно, квантовыми точками называют наночастицы, цвет которых (и, соответственно, длина волны света, который они могут излучать) зависит не от их химического состава, а от размера. Если нанокристалл чуть больше, то и длина волны света больше (краснее), если меньше, то и излучение сдвигается в коротковолновую (синюю) сторону. Правда, работает это только в том случае, если размер наночастицы сопоставим с длиной волны.

Называется эта зависимость квантовым размерным эффектом, и ее предсказывали еще в первой половине XX века: из уравнений квантовой механики следовало, что если размер объекта сопоставим с длиной волны электрона (элементарные частицы могут вести себя и как волна, и как частица, поэтому у электрона есть длина волны), то свойства объекта зависят от размера.

Удивительные свойства квантовых точек — частный случай квантового размерного эффекта. Впервые их обнаружил в 1981 году советский физик Алексей Екимов и его коллега Алексей Онущенко. Они, будучи сотрудниками Государственного оптического института имени Вавилова, исследовали образцы стекол с добавлением хлорида меди и обнаружили, что в стекле образуются нанокристаллы хлорида меди — причем количество энергии света, который они поглощают, зависит от их размера.

Луис Брюс, второй лауреат, через два года обнаружил тот же эффект в коллоидных растворах — то есть у наночастиц, плавающих в жидкости, а его ученик Мунги Бавенди в начале 1990-х смог подобрать нужную комбинацию растворителей и температурный режим, чтобы получать нанокристаллы точно нужного размера и с нужными свойствами.

Квантовые точки сегодня используют для производства компьютерных мониторов и ТВ-экранов, для гибких дисплеев и электронных устройств, для диагностики опухолей и во многих других целях.