Laury za fundamenty

Najmniejszym zaskoczeniem była Nagroda Nobla z fizyki. Kandydat był dosyć oczywisty, głównie dlatego, że w zeszłym roku nagrody nie otrzymał. Chodzi o Petera Higgsa i bozon nazwany jego nazwiskiem, którego istnienie potwierdzili w połowie 2012 r. naukowcy z CERN. Wraz z Higgsem uhonorowany został François Englert, który kilka tygodni przed Higgsem opublikował pracę postulującą istnienie nowej cząstki elementarnej.
Nagroda z chemii przypadła w udziale Martinowi Karplusowi, Michaelowi Levittowi i Ariehowi Warshelowi za modele matematyczne, które pozwoliły nie tylko przenieść chemię z próbówki do komputera, ale też pozwoliły zrozumieć, jak przebiegają reakcje chemiczne trwające zbyt krótko, by ktokolwiek mógł się im przyjrzeć.
Wreszcie, nagrodę z fizjologii otrzymali James Rothman, Randy Schekman i Thomas Südhof za wyjaśnienie, jak działa logistyka w kombinatach, którymi są komórki żywych organizmów. Precyzyjnie opisali mechanizmy pakowania, adresowania i spedycji wszystkiego, co jest surowcem, produktem lub śmieciem w żywych komórkach.
Czy Komitet Noblowski zrobił tak specjalnie, czy to przypadek – trudno powiedzieć. Faktem jednak jest, że tegoroczne nagrody z nauk ścisłych wzajemnie się przenikają, a mostem prowadzącym z kwantowego świata Higgsa i Englerta do komórkowych organelli Rothmana, Schekmana i Südhofa są komputery Karplusa, Levitta i Warshela. Co więcej, nawet kolejność ogłaszania nagród w tym roku łączy się w logiczną całość.

BIAŁKOWA ETYKIETA ADRESOWA

Zaczęło się w poniedziałek 7 października. Punktualnie w południe na stronach Komitetu Noblowskiego pojawiła się informacja, że nagrodę otrzymują Rothman, Schekman i Südhof za odkrycie mechanizmu regulującego transport pęcherzykowy – główny system transportowy w naszych komórkach. A mówiąc po ludzku: profesorowie odkryli, jak to się dzieje, że w tak skomplikowanym kombinacie chemicznym, którym jest żywa komórka, można dostarczać surowce i odprowadzać produkty przemiany materii szybko, precyzyjnie i nad podziw sprawnie. Czyli: czego poczta może się nauczyć od natury.
Żywa komórka jest jak ogromne państwo, które komunikuje się i handluje z sąsiadami. Na granicach państwa są przejścia o różnym przeznaczeniu. Część to porty do transportu masowego, część to małe przejścia graniczne dla ruchu pieszego. Na każdym przejściu przedmioty dostające się do komórki dostają opakowanie w postaci małego pęcherzyka i wędrują do miejsca przeznaczenia.
Badania nad systemem transportu rozpoczął w latach 70. ubiegłego wieku Randy Schekman, którego interesowało, dlaczego czasem cała ta precyzyjna maszyneria rozsypuje się jak domek z kart. Prowadził eksperymenty na drożdżach i udało mu się zidentyfikować geny odpowiedzialne za produkcję białek regulujących transport wewnątrz komórki.
James Rothman z kolei odkrył, w jaki sposób pęcherzyki transportowe trafiają do celu. Okazało się, że białka na ich powierzchni mają strukturę odpowiadającą białkom w miejscach docelowych. Pasują do siebie jak klucz do zamka.
Gdy organellum komórkowe wyprodukuje np. cząsteczkę insuliny, dostaje ona pęcherzyk z kluczykiem (białkiem) otwierającym przejście w błonie komórkowej tak, żeby cząsteczka sprawnie wydostała się na zewnątrz komórki. Rothman wspólnie z Schekmanem odkryli, że mechanizmy są wspólne dla komórek tak odległych od siebie ewolucyjnie, jak drożdże i komórki z organizmów ssaków.
To już było dużo, ale Thomasa Südhofa interesowało, jak to się dzieje, że komórki potrafią działać wspólnie jak na zawołanie. Gdy w organizmie potrzeba insuliny, nagle wszystkie komórki, które ją produkują, jak jeden mąż uwalniają ten hormon do krwi.
Südhof chciał wiedzieć, jak to się dzieje, że komórki nerwowe reagują wzajemnie na siebie. Wiadomo było, że za komunikację odpowiadają jony wapnia, ale jak to się działo, że komórki na nie reagowały? Okazało się, że niektóre białka stanowiące „etykietkę adresową” w pęcherzyku transportowym są czułe na obecność jonów wapnia w okolicy. A dokładnie, gdy w ich okolicy pojawi się jon wapnia, zmieniają swoją geometrię i dopiero wtedy pasują do „zamka” w błonie komórkowej. To tak, jakby klucz pasował do zamka dopiero po dodaniu dodatkowego elementu – w tym wypadku jonu wapnia.

SYMULACJE I REAKCJE

Odkrycie tych mechanizmów rekombinacji struktury białek byłoby niemożliwe, gdyby nie metody symulacji komputerowych opracowane przez Karplusa, Levitta i Warshela. A wszystko przez to, że komputery były zbyt wolne. I w zasadzie są zbyt wolne do dziś. Gdy w latach 70. ubiegłego wieku nagrodzeni naukowcy interesowali się komputerowymi symulacjami reakcji chemicznych, wydawało się, że stoją przed problemem nie do przeskoczenia: maszyny obliczeniowe albo potrafiły symulować zachowanie się dużych cząsteczek składających się z tysięcy atomów na zasadach czysto mechanicznych, albo wzajemną interakcję kilku tylko atomów na poziomie kwantowym.
Wszystko przez to, że obliczenie zachowania na poziomie kwantowym wymagało znacznie większej ilości obliczeń. Tymczasem naukowców interesowały zjawiska kwantowe zachodzące w dużych cząsteczkach – dobrym przykładem jest zjawisko fotosyntezy, które zachodzi w skomplikowanym białku pod wpływem światła. Naukowcy potrafili obliczyć, co się stanie, gdy na atom padnie foton, i potrafili obliczyć, jak zachowuje się cząsteczka chloroplastyny w przestrzeni. Ale nie potrafili policzyć, co się dzieje, gdy na chloroplastynę padnie światło.
Karplus i Warshel, pracując razem, wpadli na genialny pomysł: żeby obliczać na poziomie kwantowym tylko tam, gdzie jest to ważne, a resztę pozostawić zwykłym obliczeniom mechanicznym.
Później Warshel wspólnie z Levittem dopracowali metodę angażowania fizyki kwantowej tylko punktowo, co pozwoliło wydatnie zmniejszyć liczbę obliczeń potrzebnych do symulacji. Dzięki temu komputery zaczęły sobie radzić z symulowaniem nawet skomplikowanych zjawisk chemicznych.
Naukowcy na całym świecie dostali do rąk potężne narzędzie – nie tylko mogą zajrzeć w głąb skomplikowanych reakcji chemicznych i prześledzić je krok po kroku, ale również dzięki komputerom mogą projektować nowe związki wchodzące w określone reakcje. Na przykład „klucze” pasujące do konkretnych „zamków” opisanych przez Rothmana, Schekmana i Südhofa.

BRAKUJĄCA CZĄSTKA

A gdzie tu miejsce dla Englerta i Higgsa, dla których nagroda przyszła w środę? No cóż, gdyby nie oni, nie byłoby fizyki kwantowej. Oni ją dosłownie uratowali. Gdy w latach 60. ubiegłego wieku powstawała teoria budowy materii zwana Modelem Standardowym, wszystko zaczynało do siebie pasować.
Gdyby nie jeden wredny detal. Żadna cząstka elementarna nie miała masy. To nie tylko było sprzeczne z obserwacjami – w końcu wszyscy składamy się z cząstek elementarnych i ileś tam ważymy, jedni mało, inni dużo (jeszcze inni za dużo) – ale na domiar złego oznaczało to, że znana materia nie powinna w ogóle powstać. Słowem: Model Standardowy był taki sobie.
W 1964 r. najpierw François Englert, a potem Peter Higgs opublikowali niezależnie prace, proponując w nich uzupełnienie Modelu Standardowego o cząstkę, która nadaje innym cząstkom masę. Ponieważ Peter Higgs rozwinął dalej tę koncepcję, cząstkę nazwano bozonem Higgsa, a związane z nią pole – polem Higgsa. Jedne cząstki elementarne, wchodząc w reakcje z polem Higgsa, zyskują masę (jak elektron), a inne są na nią obojętne i masy nie mają (jak foton).
Pomysł był dobry, ale potrzebował weryfikacji doświadczalnej. Skoro pole Higgsa istnieje, musi też być sposób na złapanie cząsteczki Higgsa będącej jakby „falą” na tym polu, podobnie jak foton jest falą na polu elektromagnetycznym.
Prace nad poszukiwaniem dowodów na istnienie cząstki Higgsa trwały wiele lat i dopiero w lipcu 2012 r. zespół fizyków w CERN ogłosił, że ma dowody na jej istnienie. Higgs nie dostał Nagrody Nobla w październiku 2012, bo twierdzenia naukowców z CERN wymagały weryfikacji – w myśl zasady „co nagle, to po diable”. Gdy jednak ogłoszono tegorocznych laureatów, nikt, kto choć trochę śledzi postęp w fizyce, nie dziwił się, że Peter Higgs dostał naukowego Oscara.  

Model Standardowy, którego domknięcie zajęło pół wieku, święci swój tryumf. Ale naukowcy wciąż marzą, żeby poza ten model wyjść – przeczytaj rozmowę z prof. Agnieszką Zalewską, przewodniczącą rady CERN, na stronie tygodnik.onet.pl/nagrody-nobla-2013