Будем жить теперь по-новому: как открытия нобелевских лауреатов изменят мир

Фото: IsaacFryxelius / pixabay

На прошлой неделе представители Шведской королевской академии наук и Каролинского института объявили лауреатов самых престижных научных наград в мире – Нобелевских премий в области физики, химии, физиологии и медицины. Впервые за долгие годы одну из премий вручат за "вау-открытие". Два других отмеченных Нобелевским комитетом научных результата имеют важное значение для развития медицины. Научный журналист Даниил Кузнецов объясняет простым языком, за что ученым выдали в этом году миллион долларов и как их открытия отразятся на жизни обычных людей.

Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг награждены за исследования молекулярных механизмов, контролирующих циркадные ритмы.

Всё очень просто. Если у вас есть собственный сад на даче или парк рядом, вы могли заметить, что большинство цветов распускается с утра, а вечером их бутоны вновь закрываются. Есть и обратные примеры, так называемые "ночные цветы". Некоторые виды лилий, гладиолусов и табака раскрываются и начинают благоухать с наступлением сумерек.

Иными словами, у цветов есть определённый распорядок дня, в котором циклически повторяются одни и те же действия. Этот распорядок нередко называют "биологическими часами", а научное его название – циркадный ритм (от латинских слов circa – "около" и diem – "день"). Подавляющее большинство всех циркадных ритмов укладывается в сутки. Хотя есть и более продолжительные регулярно повторяющиеся циклы, например, циркатригинтан у женщин. Его нередко ошибочно называют менструальным, однако он характерен и для неполовозрелых девочек, и для пожилых женщин после менопаузы. Его длительность - от 25 до 35 дней.

Циркадные ритмы есть у всего живого – от простейших бактерий до человека. У всех нас в течение суток изменяются такие физиологические показатели, как кровяное давление, температура тела, концентрация различных гормонов. Так, максимальное количество тестостерона (мужского полового гормона) в крови наблюдается в утренние часы, а помогающего уснуть мелатонина – в вечерние и ночные.


Упрощенная иллюстрация механизма "циркадного ритма"

Как управлять "биологическими часами"

Очевидно, что "биологические часы" как-то управляются, но как именно – с помощью внешних факторов, таких как солнечный свет, или за счёт внутренних регуляторов? Долгое время это оставалось загадкой.

Например, мимоза стыдливая (Mimosa pudica) раскрывает свои листья к солнцу каждое утро. С наступлением сумерек они опускаются. Ещё в XVIII веке французский астроном Жан-Жак Дорту де Меран поместил мимозу на долгий срок в абсолютно тёмную камеру и с удивлением обнаружил, что даже в отсутствие света мимоза продолжает строго периодически раскрывать и опускать листья.

Современные исследования на грызунах подтвердили, что свет не более чем тонкий регулятор циркадных ритмов, но не основной их "водитель". Хомяки – ночные животные – бегают в колесе в своей клетке только в тёмное время суток. Если же тьма окружает их все 24 часа, то они всё равно продолжают быть физически активны исключительно в ночные промежутки. Однако начало "беговых нагрузок" немного смещается. Таким образом, свет лишь помогает точно "уложить" циркадный ритм в прокрустово ложе солнечных суток.

Все эти факты говорят об одном: контролируются циркадные ритмы каким-то внутренним механизмом, но каким именно? Ответ на этот вопрос учёным дали обычные плодовые мушки (Drosophila). В начале 70-х годов прошлого века генетикам удалось вывести три линии "сумасшедших" мух-мутантов. Обычно дрозофилы отличаются очень упорядоченным поведением: питаются и спариваются только в дневные часы, "отдыхают" ночью. И всё это жёстко запрограммировано на генетическом уровне. Но у мутантов строгий порядок был нарушен – мухам из первой линии "казалось", что в сутках 28 часов, второй – всего 19, а третьи вообще вели себя как современные городские жители – ели ночью и спаривались в любое время. Оказалось, что за все эти сбои в "биологических часах" мух отвечает один и тот же ген. Ученые назвали его period.

На основе информации, содержащейся в генах, наши клетки производят различные белки. Джеффри Холлу и Майклу Росбашу удалось установить последовательность нуклеотидов (элементарных букв генетического "алфавита") в гене period, а затем и синтезируемый благодаря ему белок PER. Независимо те же результаты получил и Майкл Янг.

За ответ на вопрос, как этот ген и белок регулировали суточное поведение мух, учёные и получили свои премии. Им удалось выяснить, что количество белка PER в клетках дрозофил колеблется. Он интенсивно вырабатывается и накапливается в вечерние часы, а утром распадается. Максимум концентрации белка приходился на ночь, а днём в клетках его почти не было. На основании этих данных биологи предположили, что PER сам регулирует свою выработку.

В вечерние часы ген period "включается", и начинается производство белка PER. Постепенно его накапливается всё больше и больше. Спустя время он проникает в ядро клетки, где находятся хромосомы с ДНК. Там PER "выключает" ген period, приостанавливая дальнейший синтез. Затем весь накопившийся белок PER распадается, его концентрация в клетке падает, и ген period вновь самопроизвольно "включается". И так каждый день. Всё это по-научному называется "петля обратной связи". Именно за счёт неё цикл устойчиво повторяется вновь и вновь. Много белка – муха спит, мало белка – занимается своими делами. Дополнительно Майкл Янг установил, что белок PER не может проникнуть в ядро клетки сам, а только соединившись с другим белком TIM, закодированным геном timeless.

Какая польза от этого открытия

Мухи-мутанты не только отличались странным поведением, но и жили меньше своих сородичей. А что мухе смерть, то и русскому плохо. Как показывают многочисленные социологические исследования, большинство россиян страдает от недосыпа. В мегаполисах трудяги спят меньше 6 часов в сутки. Многие люди работают посменно – сутки через двое - или по ночам. А как показали в 2015 году американские специалисты по ожирению, одна бессонная ночь равняется полугоду злоупотребления фастфудом и повышает риск возникновения диабета.

При этом важно, что в больших городах уже никогда не будет условий, способствующих нормальному ритму сна и бодрствования. Всё это ведёт к печальным последствиям. По сообщению президента общества сомнологов Романа Бузунова, около 60% граждан России страдают хроническими расстройствами сна. И решить эту проблему можно только за счёт создания новых лекарственных препаратов, влияющих на молекулярные механизмы регуляции циркадных ритмов и помогающих отремонтировать поломанные "биологические часы". А для этого необходимо в мелочах понимать, как они работают. Благодаря открытию нобелевских лауреатов этого года человечество приблизилось к этому сокровенному знанию.

Рябь по Вселенной: за что дали Нобелевскую премию по физике


Фото: geralt / pixabay

Райнер Вайсс, Барри Бэриш и Кип Торн награждены за решающий вклад в создание детектора LIGO и за наблюдение гравитационных волн.

Математически – это сложно, но зато очень просто вообразить! Итак, предположим, что у нас есть большой круглый барабан, и с одной его стороны натянута ткань. Она совершенно ровная и гладкая. Это – пространство-время. Ближе к границам получившегося круга из ткани положим небольшой и лёгкий металлический шарик. Практически ничего не изменилось, плотно натянутая поверхность его легко удерживает. А теперь в самый центр ткани мы поместим большой и тяжёлый железный шар. Он прогибает поверхность вниз, искажая геометрию и создавая кривизну. Из-за образовавшегося искривления (воронки) маленький шарик постепенно скатывается в центр и "притягивается" к большому. Это и есть гравитация. В общей теории относительности Альберта Эйнштейна она определяется как воздействие подобного рода искривлений пространства на объекты. И чем массивнее создающее кривизну тело, тем гравитация больше.

Самые массивные объекты во Вселенной - чёрные дыры. Как и другие космические тела, они нередко сталкиваются. При этом, по теории, перед слиянием они резко взаимно ускоряются, вызывая гравитационные волны. Вернемся к барабану: если бросить сверху с высоты один очень тяжёлый шар (равный по массе двум) в центр ткани, то он утянет её вниз, как бы стянув края поверхности к центру. После чего его подбросит вверх – ткань вновь разгладится, а затем, под весом шара, опять стянется вниз. Это и есть гравитационные волны – попеременное сокращение и удлинение, но уже реальной "ткани" пространства-времени.

Проблема в том, что до февраля прошлого года гравитационные волны существовали только в теоретических построениях Альберта Эйнштейна, никаких экспериментальных доказательств их существования не было.

Огромные чёрные дыры сталкиваются и порождают рябь пространства-времени, так в чём же сложность её уловить? Гравиволны слишком слабы, и для их регистрации потребовалось создать циклопическую по размерам и крайне хитрую конструкцию – детектор LIGO (Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory). Собственно, именно за его создание американские физики и были награждены.

Как устроен детектор LIGO

Из центральной точки выкопаны два туннеля (плеча), каждый длиной четыре километра. В обоих туннелях создан искусственный вакуум (удалён весь воздух), а на их концах подвешены на тонких стеклянных нитях специальные огромные полупрозрачные зеркала. В центральной точке физики поставили светоделитель. На него с определенной периодичностью подается лазерный импульс. Светоделитель расщепляет его и отправляет одновременно два луча-копии по обоим туннелям. Лучи попадают в зеркала, отражаются и возвращаются обратно к светоделителю, вновь объединяются или же попадают в фотодетектор.

Хитрость в том, что в обычной ситуации два "луча-близнеца" взаимно гасят друг друга, вернувшись в светоделитель, и на фотодетектор ничего не попадает. Однако если сквозь плечи проходит гравитационная волна, то она на мельчайшую долю миллиметра изменяет расстояния между зеркалами и, соответственно, длину пути, который необходимо пройти свету. В этом случае лучи уже не могут взаимно погасить друг друга и свет "проскакивает" в фотодетектор, вызывая в нём электрический разряд.

Именно таким способом в прошлом году была зафиксирована гравитационная волна, порождённая столкновением двух чёрных дыр в 29 и 36 масс Солнца каждая, случившимся на расстоянии в 1,4 миллиарда световых лет от нашей планеты.

У этого открытия нет какого-либо непосредственного практического "выхлопа". Однако это самое громкое научное достижение последних лет. Буквально всё научное сообщество говорило, что именно оно должно быть отмечено следующей Нобелевской премией. Так и произошло. Это важнейший мазок, завершающий нашу целостную картину мира и в очередной раз подтверждающий теоретический гений Альберта Эйнштейна, предсказавшего гравиволны ещё в далёком 1916 году.

И немедленно заморозить! За что дали Нобелевскую премию по химии


Фото: andreas160578 / pixabay

Жак Дюбоше, Иоахим Франк и Ричард Хендерсон награждены за развитие криоэлектронной микроскопии высокого разрешения для определения структуры биомолекул в растворах.

Звучит как-то не очень химически? Точно! Выше мы уже писали про белки, определяющие циркадные ритмы у плодовых мушек. Их структуру определили как раз за счёт метода, чьи создатели получат 10 декабря в Стокгольме свои премии.

Итак, в нашей ДНК содержится информация, на основании которой в клетках синтезируется множество белков. Они выполняют огромное количество функций – от "строительства" ногтей и волос до регуляции уровня глюкозы в крови или цикла сна и бодрствования. Все белки создаются из 20 аминокислот. Они соединяются в цепочку, которая скручивается в спираль или складчатую ленту. Затем эти ленты укладываются в ещё более сложную трёхмерную структуру. Именно от неё зависят функции белка и его биологическая активность. Поэтому уметь распознать её крайне важно, но довольно непросто.

Долгое время главным инструментом биологов был обычный оптический микроскоп, однако его разрешающие способности жёстко лимитированы длиной волны видимого света. Поэтому структуры размером меньше 100 нанометров разглядеть через него невозможно.

И здесь на выручку учёным пришёл электронный микроскоп. Его принцип действия основан на "обстреле" исследуемого объекта потоком электронов, что позволяет различить даже отдельные атомы. Правда, с белками вышла незадача: в ряде случаев, чтобы получить изображение с высоким разрешением, требуемый поток электронов настолько мощен, что испепеляет исследуемый образец. Другой проблемой стала необходимость в вакууме – жидкая среда задерживает электроны и не позволяет получить качественное изображение. А если биологический образец "подсушить", то он теряет свою структуру.

Решить все проблемы удалось сверхбыстрой заморозкой. Капля жидкого раствора с белками помещалась в микроскопическую сеточку. Жидкость распределялась по ячейкам, где образовывала очень тонкую плёнку (толщиной не более 100 нанометров). Затем сеточка помещалась в сосуд с этаном, охлаждаемым в "водяной бане" из жидкого азота.

Плёнка мгновенно затвердевала, образуя некое подобие стекла. Этот процесс получил название витрификации. Обычно вода при низких температурах превращается в лёд, но при сверхбыстрой заморозке тонкая плёнка раствора становилась твёрдой, однако сохраняла неупорядоченность молекул, характерную для жидкости. Благодаря этому удавалось сохранить белковые молекулы в первозданном виде и получить их высококачественные изображения за счёт "обстрела" интенсивным потоком электронов в условиях вакуума.


Снимки, полученные при помощи криоэлектронной микроскопии

Новые лекарства и не только

Чтобы узнать, какова трёхмерная структура белка, необходимо использовать специальные компьютерные алгоритмы. Их разработал Иоахим Франк, третий лауреат Нобелевской премии этого года.

Представим, что исследуемый белок похож на мармеладку и имеет форму параллелепипеда. Таких белков в плёнке будет несколько десятков, и все они займут произвольное положение. "Обстрел" образца электронами даст нам одну проекцию каждого белка – его "тень". Если форма белка похожа на параллелепипед, то его "тенями" чаще всего будут большой или маленький прямоугольник. Компьютер отберёт эти наиболее часто повторяющиеся паттерны изображения, отсеяв все остальные как "шум". Когда количество исследованных образцов перевалит за несколько тысяч, алгоритм обобщит все ранее отобранные проекции и создаст две двумерные реконструкции (прямоугольника). Дальше надо будет совместить реконструкции, что даст нам искомую трёхмерную форму белка - в нашем случае параллелепипед.

Это не только поможет нам создавать новые лекарства, но и понимать, как именно они действуют. С помощью этого метода можно узнать, каким образом то или иное активное вещество совмещается с биомолекулой. Самым громким и относительным недавним успехом криоэлектронной микроскопии стало определение структуры вируса Зика, вызывающего повреждения мозга у новорожденных детей в Южной Америке. На это ушло более трёх месяцев работы, но зато сейчас вирусологи понимают, как он устроен, и могут более прицельно искать препараты для его уничтожения.