Мы используем cookie-файлы, чтобы получить статистику и обеспечивать вас лучшим контентом. Продолжая пользоваться нашим сайтом, вы соглашаетесь с использованием технологии cookie-файлов. Это совершенно безопасно!
Нобелевские премии 2017 года в области науки: биологические часы, гравитационные волны и исследование структуры белка

Нобелевские премии 2017 года в области науки: биологические часы, гравитационные волны и исследование структуры белка

Время прочтения:

Нобелевская неделя (серия лекций и церемоний, проводимых каждого декабря в Стокгольме, в конце участников ждет вручение собственно премий и банкет) — событие неторопливое.

Это хорошо, поскольку лауреаты приезжают со всего мира. Они имеют время адаптироваться к смене часовых поясов перед встречей с королем Швеции и вручением медалей и чеков. В этом году особенно это могут оценить трое победителей, ведь они из числа тех ученых, которые помогли понять, почему вообще есть такое явление, как десинхронизация, или же джетлаг.

Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг вместе исследовали, как внутренние часы плодовых мушек (а также других организмов) руководят так называемыми циркадными (суточными) ритмами. Это внутренний цикл (латинское слово circa означает «вокруг», а dies — «день»), который приспосабливает физиологические процессы в теле к чередованию света и темноты, обусловленного вращением Земли. Он, в частности, управляет чередованием сна и активности организма. Таким образом было открыто, что человеку, который перелетает, скажем, из Лондона в Нью-Йорк (с того момента как реактивные самолеты сделали возможным быстрое передвижение между часовыми поясами), понадобится несколько дней, чтобы приспособиться к нью-йоркскому светлому отрезку суток.

Холл и Росбаш работали в университете Брендайса в штате Массачусетс. Янг вел исследования в университете Рокфеллера в Нью-Йорке. В 1984-м они сделали первый шаг: выделили у дрозофил ген, который назвали «период». Как уже было известно, этот ген помогал управлять циркадними ритмами. Во времена, когда расшифровка генов еще только зарождалось, это было уже достаточно выдающимся достижением. Далее Холл и Росбаш измерили концентрацию белка, который кодирует этот ген, в мозге мушек-дрозофил. Они обнаружили, что концентрация этого белка циклически увеличивается и уменьшается в течение суток, достигая наивысшего значения ночью. Также они измерили уровни присутствия связной молекулы, которая производится генами периода и переносит «рецепт» белка в клеточные структуры, которые продуцируют такие белки. Эти уровни также циклически меняются ежедневно, достигая пикового значения за несколько часов до пика белка.

Основное здесь: сам белок подавляет действие генов периода. Чем выше его концентрация, тем меньше активность генов. Это снижает производство связной молекулы, что в свою очередь уменьшает производство белка. За это ген активируется повторно. И так снова и снова.
В процесс вовлечено много других генов и белков, многие из которых также открыли ученые Холл, Росбаш и Янг. Некоторые из них «подсоединяют» биологические часы к информации с органов зрения, чтобы обеспечить его синхронную работу с солнцем. Но именно тот базовый цикл активности гена «период», что регулируется связной молекулой и белком, и является настоящим маятником биологических часов.

Нобелевская премия за гравитационные волны

Лауреаты-физики побили рекорды времени по-другому. Несмотря на оговорки в завещании Альфреда Нобеля, премии должны даваться за исследование, сделанное в предыдущем году, более половины их в области физики с 1985 года присуждена за работы, выполненные более 20 лет назад. Однако в этом году все было иначе. Премию присудили Райнеру Вайссу из Массачусетского технологического института, а также Барри Баришу и Кипу Торну из Калифорнийского технологического института, которые два года назад обнаружили гравитационные волны.

Предсказания существования таких волн — одно из многих, которые содержатся в теории относительности Альберта Эйнштейна столетней давности. Он представлял, что гравитация — это результат искривления пространства и времени вокруг массы. Это искривление меняет путь движущихся объектов вблизи. Если решить уравнения, которые описывают этот процесс, то получится, что движущиеся массы должны создавать волны, которые расходятся по вселенной.
Чтобы обнаружить такие колебания, нужна чувствительная аппаратура. Все три лауреата работали на американском детекторе гравитационных волн LIGO, достроенном в 2002 году. Принцип работы LIGO состоит в том, что он расщепляет лазерный луч надвое и посылает дочерние лучи туда-сюда через пару тоннелей, каждый длиной 4 км, размещенных перпендикулярно друг к другу. Любая гравитационная волна при прохождении должна растягивать и сжимать оба тоннели по-разному, вызывая почти незаметные изменения в отрезках времени, за которое лазерный луч пересекает их. Чтобы подтвердить, что машина «видит» гравитационную волну, ее снабдили двумя парами тоннелей: одним в штате Вашингтон, другим в штате Луизиана. Гравитационная волна будет появляться почти (но не совсем) одновременно в обоих.

Несмотря на высокую чувствительность сначала LIGO не давал никаких результатов. И только после ряда усовершенствований, начиная с 2010 года, он стал достаточно чувствительным, чтобы окончательно и недвусмысленно распознавать эти волны. Первая замечена (которая и принесла ученым премию) в 2015 году считается результатом столкновения двух черных дыр за 1,3 млрд световых лет от Земли. С тех пор было сделано еще больше открытий. За несколько дней до вручения Нобелевских премий LIGO сообщил об обнаружении уже четвертой гравитационной волны. А в онлайн-режиме появляется все больше детекторов. Выявлению четвертой волны поспособствовал европейский инструмент VIRGO, размещенный в Италии. Другие устройства строятся в Индии и Японии. Система космического базирования под названием LISA, с «рукавами» в миллионы километров длиной (а значит, с гораздо более высокой чувствительностью) готовится к запуску в 2030-х.

Но нынешняя премия в области физики отмечает не просто очередное подтверждение мудрой догадки Эйнштейна. Сегодня астрономам приходилось наблюдать за Вселенной посредством электромагнитного спектра — радиоволн видимого света гамма-излучение. Детектор, спроектированный и построенный Вайссом, Баришем, Торном и несколькими сотнями других ученых, открывает новое окно в мир и может помочь астрономам видеть то (например, столкновение черных дыр или состояние Вселенной сразу после Большого Взрыва) , что не видно благодаря электромагнетизму.

Нобелевская премия за развитие криоэлектронной микроскопии

Премия в области химии досталась Жаку Дюбоше из университета Лозанны (Швейцария), Йоахиму Фрэнку из Колумбийского университета в Нью-Йорке и Ричарду Гендерсону из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже (Великобритания). Каждый из них внес вклад в развитие криоэлектронной микроскопии — техники, которая позволяет видеть формулу биологических молекул (например, белков), не прилагая значительных трудностей, без которых не обходилась подготовка к обработке по более древними приемами вроде рентгенной кристаллографии или обычной электронной микроскопии.

Дюбоше изобрел способ замораживать критически важные для этого приема образцы. Их, например нужный исследователям белок, в форме водной суспензии наливают на тонкую металлическую сетку. Тогда эту сетку погружают в жидкий этан при температуре около -180 °C. Особое значение имеет скорость погружения. Если она мала, то вода в образце преобразуется в кристаллики льда, которые уничтожат молекулы белка. Однако если погружать достаточно быстро, то вода превратится не в лед, а переходит в стекловидное состояние, которое сохраняет белки для исследования.

Гендерсон обратился к этой технике, когда белок, который ученый пытался подготовить к рентгеновской кристаллографии, никак не хотел кристаллизоваться, а потому его нельзя было исследовать. В 1990 году, после более 15 лет попыток, он впервые использовал ее для получения изображения белка бактериородопсина — такого детального, насколько способна рентгеновская кристаллография.

Вклад Фрэнка математического характера. Он разработал метод выделения трехмерных белковых структур из плоских кадров, полученных с криоэлектронного микроскопа. В конце концов, после многолетнего совершенствования получен новый, более качественный способ исследования биологических молекул.

Поскольку часто именно форма таких молекул определяет их функции, выявления точной формы имеет критическое значение для ученых. Это позволит, например, целенаправленно создавать лекарства, которые взаимодействовали бы с молекулами, а не просто гадать, какие химические вещества могут быть лекарствами, и проверять миллионы соединений.

Можно спорить о том, стоит ли криоэлектронную микроскопию самом деле отнести к физике. Представители этой науки хотели бы иметь возможность «присвоить» ее себе. Но независимо от того, подпадает ли она под таксономию той науки, это изобретение прорывное во многих взглядах.

комментировать
наверх