Достижения современной химии, биологии, физики. Нобелевские лауреаты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КСР на тему:

«Достижения современной  химии, биологии, физики. Нобелевские лауреаты»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нобелевскую премию 2012 года по физиологии и медицине получили Джон Гёрдон (Институт Гёрдона, Кембридж) и Синъя Яманака (Университет  Киото, Институт Гладстона) — за открытия, касающиеся перепрограммирования стволовых клеток. Ученые надеются, что это приблизит победу над диабетом, болезнью Альцгеймера и другими нейродегенеративными заболеваниями и болезнями обмена веществ

На вопрос, какое животное было клонировано первым, многие, не задумываясь, отвечают: «Овечка Долли». Ответ неверный: Долли — первое живое и здоровое клонированное млекопитающее. А первым клонированным позвоночным животным была гладкая шпорцевая лягушка, или ксенопус (Xenopus laevis).

 

Африканских шпорцевых  лягушек помнят все, кто читал  «Зоопарк в моем багаже» Джеральда  Даррелла — те самые двести пятьдесят  скользких тварей с когтями на задних лапках, которых знаменитый натуралист и его напарник Боб  три раза подряд собирали в пластиковое корыто с водой. Может быть, из-за этого случая Даррелл отзывается о ксенопусах холодно и не понимает, чем они так дороги Бобу, специалисту по рептилиям и амфибиям. А Боб, вероятно, знал, что это — бесценный объект для научных исследований. Их легко содержать в лабораторных условиях, и у них крупные икринки — по сути, огромные яйцеклетки, существующие вне тела матери.

 

Кем быть?

У растений клонирование (то есть развитие организма, генетически  идентичного родительскому) из неполовых  клеток — обычное дело. Оно называется вегетативным размножением и широко применяется при черенковании или, например, при посадке картошки. А можно ли то же самое проделать с животным, хотя бы в лабораторных условиях?

 

На начальных стадиях  эмбрион состоит из стволовых, недифференцированных клеток. Потом определяется их участь: быть ли им нейронами, или мышечными клетками, или клетками кожи. На каждом этапе тонкой генетической настройки клетка проходит своего рода точку бифуркации, выбирая ряд возможностей и отказываясь от всех остальных вариантов — так же, как человек, поступая в языковую гимназию, а потом на филфак, повышает свои шансы стать переводчиком, но снижает почти до нуля шансы стать врачом или астрофизиком. Когда клетка заканчивает свое «обучение», ее «профессия» определена окончательно. Конечно, и во взрослом организме, кроме специализированных, есть и стволовые клетки, иначе как бы обновлялись ткани и заживали раны? Однако они дают начало не любым клеткам, а ограниченному набору их разновидностей.

 

Известны примеры, когда взрослый человек бросает работу по специальности и начинает жизнь заново, в новом качестве. Может ли такое произойти с клеткой животного? Существуют ли способы вернуть ее к началу пути и раскрыть перед ней все возможности, которые были у оплодотворенной яйцеклетки? В конце концов, все клетки организма генетически идентичны, а то, как они работают, зависит от внегеномных факторов, например, белков. Возьмем ядро специализированной клетки, переместим его в яйцеклетку — не поможет ли окружающая среда переключиться на новую программу?

 

Естественно, что первые подобные попытки делали на видах, которые  мечут икру. Были эксперименты и  на других видах амфибий, но удача  улыбнулась Джону Гёрдону. Он брал икринки  шпорцевой лягушки, уничтожал их ядра ультрафиолетовым облучением и с помощью микропипетки переносил в каждую яйцеклетку ядро из клетки выстилки кишечника, взятой у головастика. Некоторые такие икринки благополучно развились в головастиков, а затем удалось получить и взрослых шпорцевых лягушек.

 

Обычные ксенопусы имеют буро-пятнистую окраску, но бывают и белые особи, лишенные пигмента. С ними эксперимент получался особенно эффектным: из яйцеклеток буро-пятнистой мамы, в которые пересаживали ядра от головастика-альбиноса, вырастали белые дети. До рождения овечки Долли оставалось тридцать с небольшим лет…

 

Превращение клетки

Но перепрограммировать  работу генома путем пересадки ядра в яйцеклетку — значит действовать  вслепую. Мы не понимаем, что при  этом происходит между ядром и  клеткой. Да и «выход» живых животных-клонов по сравнению с числом прооперированных яйцеклеток крайне низок, и чем сложнее организовано животное, тем он ниже. Хотелось бы понять, какие именно факторы отвечают за перенастройку клетки «обратно», в недифференцированное состояние 2012 г. Если действовать на

эти факторы точечно, то удастся  обойтись без клеточной микрохирургии. Это было бы хорошо еще и потому, что добыча яйцеклеток млекопитающих  — операция непростая, а в случае человека еще и проблемная с точки  зрения этики. За ключевые достижения на этом фронте, сделанные уже в XXI веке, награжден второй лауреат — Синъя Яманака. В его лаборатории изучали линию эмбриональных стволовых клеток (впервые их получил Мартин Эванс, лауреат Нобелевской премии 2007 года), стремясь выявить гены, которые делают клетки плюрипотентными* * Плюрипотентность — способность давать начало всем видам клеток и тканей, кроме внешних эмбриональных тканей, т.е. плаценты. . Для начала

определили 24 гена, чья активность, вероятно, делает клетку плюрипотентной. Ученые взяли клетки кожи — фибробласты и внедрили в них эти гены с помощью ретровирусов (семейство РНК-содержащих вирусов, заражающих преимущественно позвоночных). Клетки в культуре действительно начали вести себя как стволовые. В последующих экспериментах выяснилось, что достаточно всего четырех генов, чтобы превратить фибробласты эмбриона мыши в стволовые клетки. Яманака дал им название iPS cells, или iPSC — индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. Сегодня поиск на эту аббревиатуру выдает тысячи статей по биологии и медицине.

 

В 2007 году сразу две научные группы, Яманаки и Джеймса Томсона  из университета Висконсина, впервые  получили человеческие iPSC. Появилась  надежда на окончательное решение  тяжелой этической проблемы: если такие клетки будут обладать всеми нужными свойствами, можно будет снять с повестки дня вопрос об использовании человеческих эмбрионов в терапевтических целях. Правда, и репродуктивное клонирование человека станет пугающе реальным.

 

Технология, предложенная Яманакой и  соавторами, постепенно улучшается. В частности, удалось отказаться от ретровирусов, потенциально онкогенных. Дополнительные копии генов теперь необязательно встраивать в геном, достаточно просто вводить в клетку, чтобы в дальнейшем они переродились.

 

Конечно, о массовом применении этих клеток в медицине говорить преждевременно, сложностей еще много, но перспективы заманчивы. Взять образцы кожи у пациента с болезнью Паркинсона — и заменить в организме испорченные нейроны новыми, генетически идентичными… Среди заболеваний, которые, возможно, удастся победить с помощью iPSC, — диабет первого типа, болезнь Альцгеймера, другие нейродегенеративные и обменные заболевания. Речь идет не только о замене клеток в организме пациента (это пока ближе к фантастике), но, например, о том, чтобы получить в культуре специализированные клетки конкретного больного и внимательно рассмотреть, что же с ними не так. А затем подобрать наиболее эффективное лечение.

 

На вкус и  свет

Нобелевская премия-2012 по химии также присуждена за открытия в области молекулярной биологии. Лауреатами стали Роберт Лефковиц (Медицинский институт Говарда Хьюза, Медицинский центр университета Дьюка) и Брайан Кобилка (Школа медицины Стэнфордского университета) — за изучение работы универсальных молекул, участвующих в передаче биохимических сигналов внутри живых клеток

 

Ученые получили награду  за исследование рецепторов, сопряженных  с G-белком (GPCR). Это молекулы-антенны, с помощью которых клетка получает сигналы извне, например, от гормонов. К семейству GPCR относятся и рецепторы органов чувств, отвечающие за восприятие света, вкуса, запахов, а также опиоидные рецепторы, которые регулируют болевые ощущения. Их изучение важно, в частности, для понимания процессов, приводящих к развитию раковых опухолей.

 

Группа Лефковица в  конце 60-х стала использовать молекулы гормона, меченные радиоактивным йодом, чтобы выяснить, как они взаимодействуют  с клеткой. Им удалось идентифицировать рецептор адреналина. А в 80-е Кобилка, новый член команды, сумел клонировать  ген этого рецептора. Кроме того, совсем недавно он же с соавторами получил методом рентгеноструктурного анализа изображение рецептора в момент передачи сигнала внутрь клетки (публикация 2011 года).

 

На суперпозиции. Нобелевскую премию-2012 по физике получили француз Серж Арош и американец Дэвид Уайнленд — за открытие экспериментальных методов, позволяющих измерять и контролировать отдельные квантовые системы. Эти исследования имеют непосредственное отношение к созданию квантового компьютера

Серж Арош возглавляет большую исследовательскую группу в знаменитом парижском университете, который на всех языках именуется Ecole Normale. Недавно он перешел на работу в Коллеж де Франс. Американец Дэвид Уайнленд на протяжении многих лет трудился над созданием высокоточных атомных часов в американском Национальном институте стандартов и технологий. Но премию ему присудили совсем не за часы, а, по его собственному выражению, за «побочные результаты».

 

Однако именно эти  «побочные результаты» формируют  сегодня передний край фундаментальной науки.

 

Наблюдать не разрушая

 

В квантовом «компьютере  будущего», способном обрабатывать информацию с невероятной скоростью, для вычислений используются не обычные, классические алгоритмы, а процессы квантовой природы. Информация будет  записываться не битами, как в обычных процессорах, а кубитами (quantum bit) — квантовыми частицами, которые могут иметь два состояния, одно из которых принимается за ноль, а другое — за единицу. При этом роль кубита может выполнять любой объект, квантовое состояние которого можно измерять и которым можно управлять. С этой целью проводятся эксперименты с отдельными атомами и с суперпозициями их квантовых

состояний. Арош и Уайнленд, говорится на сайте Нобелевского комитета, создали и развили методы манипуляции отдельными частицами, сохранив их квантовую природу, что раньше считалось невозможным. Этим они «открыли новую эру в экспериментах по квантовой механике, показав, что можно измерять состояния отдельных частиц, не разрушая их».

 

Как объяснил The New Times заведующий лабораторией квантовых компьютеров Физико-технологического института РАН Юрий Богданов, Серж Арош занимается изучением взаимодействия отдельного атома с отдельным фотоном, используя высокодобротный резонатор, в

котором электромагнитные колебания затухают очень медленно. Отдельный фотон может, таким образом, многократно поглощаться и излучаться атомом, и этим процессом можно управлять. Резонатор в данном случае является как бы ловушкой для электромагнитного поля.

 

 

«На протяжении довольно длительного времени ученые экспериментировали сразу с большим числом атомов и взаимодействующих с ними фотонов, — объясняет сам Серж Арош. — Но специфические квантовые свойства такого ансамбля как бы «завуалированы». Когда же вы работаете с единичными частицами, у вас появляется возможность наблюдать именно квантовую природу их взаимодействия».

 

Ноль-один

 

Еще интереснее, по словам Юрия Богданова, эксперимент Уайнленда, «и в плане квантовых компьютеров  он продвинулся заметно дальше, чем  другие». У него в ловушках — ионы, которые «висят» в вакууме и могут находиться в обычном или возбужденном состоянии, представляя собой те самые «кирпичики» квантового компьютера — кубиты. С помощью специально настроенного лазерного импульса можно перевести ион из состояния «ноль» в состояние «один». Затем, изменяя параметры импульса, воздействующего на ион (например, уменьшая его длительность), можно получить чисто квантовый эффект, когда квантовая частица (ион) будет одновременно находиться и в состоянии «ноль», и в состоянии «один». (Это и есть квантовая суперпозиция.) При этом Уайнленд работает с цепочкой из нескольких ионов, которые образуют как бы одномерный кристалл, и каждым ионом управляет независимо. А это уже некий прообраз квантового компьютера.

 

Юрий Богданов убежден  в том, что Нобелевскую премию в этом году «дали не только им и даже не только их коллективам». Отмечено целое научное направление — квантовой информации и квантовых компьютеров, которое, по мнению Богданова, «является сейчас интегрирующим для всех отраслей не только физики, но в целом естествознания». Объекты — прообразы кубита существуют и в других областях физики, например в сверхпроводящих средах. То есть информационные эффекты имеют место во многих областях. Более того, можно утверждать (и это как бы «вдруг» заметили физики), что теоретической основой квантовой механики является именно информатика. Естественно, тоже — квантовая.

 

Иными словами, эту премию можно считать авансом всему  направлению. Авансом — потому что  полномасштабный квантовый компьютер, и даже его прообраз, появится не раньше чем через 20 лет интенсивной исследовательской работы во всем мире. В том числе и в России.