Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
FIZJOLOGIA I MEDYCYNA: CZĘŚCI ZAMIENNE CZŁOWIEKA
Nagrodę z fizjologii zdobyli po połowie Amerykanin John B. Gurdon i Japończyk Shinya Yamanaka. Pierwszy wiele lat temu sklonował kijankę. Drugi kilka lat temu pokazał, że każdą komórkę można cofnąć w rozwoju do wczesnego dzieciństwa.
Wydawałoby się, że sklonowanie młodocianej żaby to nie jest wielki wyczyn, zwłaszcza w epoce owcy Dolly. Ale Gurdon dokonał tego w latach 50. ubiegłego wieku. Wziął jądro komórki z jelita kijanki i wszczepił je w niezapłodnioną komórkę jajową. Wyrosła z tego normalna, zdrowa kijanka. Fakt, że z jednej komórki można wyhodować dorosły organizm, był znany od dawna. W końcu każdy z nas powstał z jednej komórki jajowej, zapłodnionej przez jeden plemnik. Ale to, że można wyhodować kopię zwierzęcia, biorąc tylko jedną komórkę z jego jelita, nie było już tak oczywiste. Jelito to nie zygota – to bardzo wyspecjalizowany fragment żywego, skomplikowanego organizmu.
Klonowanie zaczęło od tamtego czasu rozpalać umysły fizjologów. Wyobraźmy sobie: gdy serce, nerka czy wątroba odmawia nam posłuszeństwa, lekarz pobiera komórkę skóry, wrzuca na szklaną szalkę i po kilku tygodniach wyhodowuje nowiutki, nieużywany organ – czyż to nie wspaniałe? Dlatego wielu naukowców żmudnie bada, w jaki sposób komórka jajowa różnicuje się na tyle skomplikowanych organów.
Od dawna wiemy, że kluczową rolę w rozwoju organizmu pełnią tzw. komórki macierzyste, czyli nieskażone żadną funkcją prefabrykaty, które – ustawione we właściwym miejscu i podlane odpowiednim sosem – mogą się przekształcić w każdy inny rodzaj komórki. Do niedawna był z nimi spory problem: najlepszym źródłem komórek były zarodki, a co za tym idzie badania ludzkich komórek budziły opór znacznie szerszej niż chrześcijańska część społeczności naukowej. Yamanaka w 2006 r. w prestiżowym tygodniku „Nature” opisał, jak zamienił komórki mysiej skóry w pluripotentne komórki macierzyste. Pluripotentne, czyli takie, które mogą się stać komórkami dowolnego organu dorosłej myszy, ale nie mogą wykształcić łożyska (czyli nie zrobi się z nich zarodka).
Potencjalne zastosowania komórek macierzystych są ogromne. Istnieje wiele chorób, które nie wymagają odbudowania całych organów, a tylko dostarczenia odpowiedniej liczby komórek w odpowiednie miejsce: np. choroby Parkinsona i Alzheimera oraz cukrzyca. Dwa pierwsze schorzenia powoduje zanik komórek nerwowych. Cukrzycę – zanik komórek trzustki produkujących insulinę. Umiemy już leczyć komórkami macierzystymi szczury, więc kierunek badań jest oczywisty i obiecujący. Choć z drugiej strony, prace trwają przeszło 50 lat, a wciąż nie hodujemy części zamiennych dla człowieka.
FIZYKA: OSZCZĘDZIĆ KOTA
Nagroda dla fizyków, przyznana Francuzowi Serge’owi Harochemu i Amerykaninowi Davidowi Winelandowi, jest bardzo trudna do zrozumienia. Z inżynieryjnego punktu widzenia obaj dokonali rzeczy olśniewających. Wineland zbudował maszynę, która łapie pojedynczy atom i tak długo traktuje go laserem, aż uzyska pożądany stan kwantowy. Haroche stworzył najlepsze na świecie lusterka, między które wpuszcza fotony. Są tak dobre, że fotony odbijają się przeszło 30 mln razy, zanim zostaną pochłonięte lub rozproszone. Między lusterkami można przepuścić atom, który zbiera informacje kwantowe od fotonów po to, by później zaprezentować je naukowcom.
Po co to wszystko? Do niedawna panowało przekonanie, że informacje kwantowe można zbierać jedynie z finezją XIX-wiecznego przyrodnika, który, żeby zbadać żabę, musiał ją pokroić, co kończyło jej żywot. Innymi słowy, zbadanie stanu kwantowego bezpowrotnie niszczyło ten stan. Prace Harochego i Winelanda pokazały, że można to zrobić tak, że badany obiekt nie traci swojego stanu.
Jedną z własności kwantowych materii jest zjawisko superpozycji: obiekt – foton, elektron, atom – może się znajdować w dwóch stanach naraz i, co więcej, oba stany mogą ze sobą wchodzić w reakcję, czyli interferować. By wytłumaczyć własności kwantowe materii, inny laureat Nagrody Nobla – Erwin Schrödinger – stworzył myślowy eksperyment: zamknijmy w pudełku kota wraz z maszynką, która go zabije, gdy tylko znajdujący się w jej wnętrzu atom ulegnie rozpadowi. Gdy zamkniemy pudełko, stan kota – żywy lub martwy – zależy od stanu atomu w maszynce, czyli jest dokładnie taki jak on. Ale z punktu widzenia teorii kwantowej atom znajduje się w obu stanach naraz, więc kot jest i żywy, i martwy. Zaś jedyny sposób na zbadanie, jaki jest rzeczywisty stan kota, wymaga zajrzenia do pudełka, czyli dokonania pomiaru. Tyle że otwarcie pudełka oznacza interakcję z otoczeniem i bezpowrotne zniszczenie stanu superpozycji. Do tego momentu żywy kot w pudełku jeżył się na widok swojego martwego ciała, a martwe ciało było szturchane przez szamoczącego się kota.
Dziwne? Znaczna część osiągnięć mechaniki kwantowej pochodzi z eksperymentów myślowych, które prowadzą do zaskakujących wniosków. Dobrym przykładem jest informatyka kwantowa, opisująca sposób prowadzenia obliczeń na komputerach kwantowych, gdyby takowe miały kiedykolwiek zaistnieć. Okazuje się, że komputer kwantowy potrafiłby przeprowadzić obliczenia znacznie szybciej właśnie ze względu na superpozycję stanów. W jednym cyklu obliczeniowym sprawdziłby nie jedną możliwość rozwiązania, lecz wszystkie naraz. Co więcej, na tym polu ludzkość ma już pewne sukcesy. Są zespoły, które sprawnie rozłożyły liczbę 4 na czynniki pierwsze (przypomnijmy: to 2x2) za pomocą komputera kwantowego. Zajęło im to wprawdzie wiele lat badań i kilka tygodni prób, ale nie w tym rzecz. Komputery kwantowe istnieją – w powijakach, ale kto wie, co z nich wyrośnie? Komisja Noblowska wierzy, że dużo...
CHEMIA: ZAMEK DO KOMÓRKI
Nobel z chemii dla Roberta Lefkowitza i Briana Kobilki wygląda podobnie jak w zeszłym roku: bardzo solidnie. Przyznano go za rozszyfrowanie, jak komórki organizmu żywego są w stanie odczytywać sygnały chemiczne i na nie reagować. Doskonałym tego przykładem jest adrenalina, zwana hormonem walki. Przyspiesza ona pracę serca, tempo oddechów i proces produkcji glukozy w wątrobie, powoduje napięcie mięśni, obniża wrażliwość na ból, rozszerza źrenice. Gdy dostanie się do krwioobiegu, stanowi sygnał: „alarm! zwierać szyki!”, a poszczególne komórki wiedzą, jak zareagować. Tylko skąd wiedzą, że wokół nich pojawiła się adrenalina?
To pytanie nurtowało szefa młodego Lefkowitza, który właśnie rozpoczynał pracę w amerykańskim Narodowym Instytucie Zdrowia. Nakazał podwładnemu oznaczyć cząsteczkę adrenaliny radioaktywnym jodem i sprawdzić, gdzie dokładnie przykleja się ona do komórki. Badania były żmudne i Lefkowitz prawie się załamał, dopiero po dwóch latach udało mu się odpowiedzieć na to pytanie. Dzięki publikacji wyników w prestiżowych czasopismach naukowych „PNAS” i „Science”, praca badawcza zaczęła mu wreszcie sprawiać satysfakcję. Został też szefem nowo utworzonego laboratorium badawczego w Duke University i stworzył zespół, który wyizolował z żywej tkanki receptory.
W tym czasie poznano mechanizm, który po pobudzeniu receptora wyzwalał w komórce reakcję, oparty o tzw. białko G. Okazuje się, że białko we wnętrzu komórki przykleja się do receptora, a gdy na zewnątrz do tegoż receptora przyklei się cząsteczka hormonu, porusza ona nićmi receptora tak, że rozrywa on białko G na trzy części. Te wyzwalają we wnętrzu komórki reakcję łańcuchową, pobudzając ją do pracy, a fragmenty białka G łączą się na nowo i czekają na kolejny sygnał.
Działanie receptora jest czysto mechaniczne – z zewnątrz jego struktura geometryczna pasuje do struktury konkretnego hormonu jak zamek do klucza, a wewnątrz istnieje mechanizm wyzwalający reakcję – jak zasuwka zamka. Samo odkrycie mechanizmu funkcjonowania białka G uhonorowane zostało w 1994 r. Nagrodą Nobla dla Alfreda Gilmana i Martina Rodbella.
Tymczasem, w latach 80. ubiegłego wieku, Lefkowitz przyjmuje do pracy młodego doktora Briana Kobilkę, którego fascynowało działanie adrenaliny na organizm i chciał poznać jego mechanizm na poziomie molekularnym. Zespół Lefkowitza rozpoczyna poszukiwania genu odpowiedzialnego za tworzenie się receptora. Kobilka zauważa, że budowa receptora adrenaliny jest bardzo podobna do receptora rodopsyny odpowiedzialnego za proces detekcji światła w oku. Lefkowitz uzmysławia sobie, że ma do czynienia z całą rodziną receptorów współdziałających z białkiem G. Dzięki pracom rzeszy naukowców wiemy już, że istnieje przeszło 30 receptorów współpracujących z tym białkiem, a wiele leków działa właśnie na receptory albo tłumiąc ich działanie (np. betablokery w chorobach serca, inhibitory receptorów histaminy w alergiach), albo je wzmagając. Lefkowitz z zespołem był w ścisłej czołówce badań nad receptorami w komórkach, dlatego otrzymał Nobla.
O ile Noble z medycyny i fizyki są wyrazem nadziei, że badania laureatów przyniosą wymierne korzyści w przyszłości, o tyle Nobel z chemii honoruje odkrycia, z których już teraz czerpiemy wymierne korzyści. Na wiosnę wielu alergikom syntetyczny, niewybiórczy antagonista receptora histaminowego H1 I generacji (clemastin) przynosi ogromną ulgę...
