Nagrody Nobla 2017

Zegar biologiczny, wędrujące deformacje czasoprzestrzeni i fotografie białek – za dokonania w tych obszarach przyznano w tym roku Noble.

Rytm życia w genach

MEDYCYNA I FIZJOLOGIA, Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash, Michael W. Young. Nagroda za „odkrycie mechanizmów molekularnych kontrolujących rytm okołodobowy”

NOBEL MEDIA

 

Rytm dobowy organizmu kontrolowany jest przez wewnętrzny „zegar biologiczny”. To właśnie tegorocznym noblistom w dziedzinie fizjologii i medycyny zawdzięczamy identyfikację kluczowych elementów tego mechanizmu.

Ruch Ziemi wokół własnej osi powoduje dobowe zmiany w temperaturze i naświetleniu. Organizmy zamieszkujące naszą planetę muszą reagować na te zmiany i się do nich dostosowywać. Zadbała o to ewolucja. Mechanizmy regulujące rytm dobowy występują zarówno u prymitywnych bakterii, jak i skomplikowanych organizmów wielokomórkowych. Pierwsze doświadczenia nad istotą zegara biologicznego prowadzono w XVIII w. dzięki obserwacjom liści mimozy, które otwierają się w dzień i zamykają w nocy. Zauważono m.in., że kiedy roślina zostanie przeniesiona do ciemnego pomieszczenia, rytm zostaje zachowany.

Odkrycia pierwszego genu wchodzącego w skład zegara biologicznego dokonał Seymour Benzer razem z Ronaldem Konopką w latach 70. XX w. Wykorzystali oni tradycyjną metodę mutagenezy chemicznej na muszkach owocowych. Udało im się otrzymać mutanty, które miały zaburzony cykl dobowy, i zidentyfikowali na chromosomie X zmutowany gen, który nazwali period.

Gen został sklonowany i zsekwencjonowany przez tegorocznych laureatów w połowie lat 80. Period koduje białko PER, które w nocy akumuluje się w komórkach, a w dzień jest degradowane.

Zaobserwowano, że zmiany w ilości białka PER oscylują zgodnie z rytmem dobowym w cyklach 24-godzinnych. Kolejnym etapem badań było zrozumienie mechanizmu tych oscylacji. Prace Michaela Younga pokazały, że do akumulacji białka PER konieczny jest produkt innego genu – timeless. Koduje on białko TIM, które wiążąc się z PER prowadzi do jego nagromadzenia w jądrze komórkowym. Trzecim elementem układanki jest gen doubletime, który kieruje oscylacjami w rytmie 24 godzin. Mechanizm odkryty u muszek owocowych jest uniwersalny dla wszystkich organizmów wielokomórkowych, w tym ludzi.

Zegar biologiczny steruje całym naszym życiem. Ma wpływ na takie kluczowe procesy jak uwalnianie hormonów, sen, zachowanie, metabolizm, ciśnienie krwi czy temperatura ciała. Skutki jego rozregulowania odczuwamy np. w postaci tzw. jet lag, gdy podróżujemy do dalekiej strefy czasowej. A niektórzy nawet w trakcie sezonowych zmian czasu.

Geny wchodzące w skład zegara biologicznego regulują wiele innych genów w komórkach. Dzięki pionierskim badaniom tegorocznych laureatów rozwinęła się chronobiologia – dziedzina biologii badająca wpływ cyklicznych zmian w środowisku na nasze zdrowie i samopoczucie. Prace naukowców sugerują, że niedopasowanie naszego współczesnego stylu życia do „zegara biologicznego” może być powiązane z wieloma chorobami, takimi jak rak, zaburzenia metaboliczne, stany zapalne czy choroby neurodegeneracyjne. Dlatego wiele projektów badawczych ukierunkowanych jest na rozwój leków, dzięki którym można modyfikować zegar biologiczny. ©

ANNA BARTOSIK

 

Dreszcze czasoprzestrzeni

FIZYKA, Barry C. Barish, Kip S. Thorne, Rainer Weiss.
Nagroda za „kluczowy wkład w powstanie detektora LIGO oraz obserwację fal grawitacyjnych”.

JOHAN JARNESTAD / THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCE / MIT

 

Gdy 11 lutego 2016 r. zespół prasowy detektora LIGO – potężnego przedsięwzięcia badawczego niestrudzenie od 2002 r. poszukującego fal grawitacyjnych – ogłosił ich wykrycie, było jasne, że zasługuje ono na Nagrodę Nobla. Połowę nagrody otrzymał Rainer Weiss, który od lat 60. i 70. opracowywał od strony teoretycznej możliwość bezpośredniego wykrycia fal grawitacyjnych. Fale te, stanowiące wędrującą deformację czasoprzestrzeni, nie są po prostu cząstkami, które można „złapać” jak motyla w siatkę. Właściwym sposobem ich badania jest stałe, ultraprecyzyjne monitorowanie geometrii otaczającej nas przestrzeni. Wspomniany projekt LIGO, którego ideę opracował m.in. właśnie Weiss, składa się z dwóch olbrzymich detektorów w kształcie litery „L”, których wymiary i proporcje monitoruje się z wielką dokładnością dzięki stale pracującym laserom. Choć trudno to sobie wyobrazić, dokonane w zeszłym roku odkrycie polegało właśnie na potwierdzeniu wystąpienia przelotnego zaburzenia kształtu otaczającej nas przestrzeni. Za sprawą tego, że LIGO składa się z dwóch detektorów odległych o parę tysięcy kilometrów, można wykluczyć lokalne deformacje, np. pochodzenia sejsmicznego – bo oba detektory zarejestrowały to samo zjawisko.

Drugą połowę nagrody otrzymali wspólnie Barry C. Barish i Kip Thorne. Nazwisko Thorne’a znane jest każdemu, kto miał bliższy kontakt z ogólną teorią względności już choćby dlatego, że jest on współautorem (z Charlesem Misnerem) klasycznego podręcznika z 1973 r., zatytułowanego po prostu „Gravitation”. Thorne od dawna bada przewidywania tej teorii w opisie zjawisk astrofizycznych. Wykryty w 2016 r. sygnał grawitacyjny został wyemitowany, gdy dwa obiekty astronomiczne o olbrzymiej masie – najprawdopodobniej czarne dziury – obracały się wokół siebie z wielką prędkością, ostatecznie zlewając się w jeden obiekt. Choć każde ciało przyspieszające deformuje w niewielkim stopniu czasoprzestrzeń, to aby zmiana ta dała się wykryć, musi dojść do potężnego zdarzenia. Thorne opisywał od strony teoretycznej właśnie tego typu zjawiska. W ostatnich latach stał się też twarzą fizyki relatywistycznej, występując w licznych filmach popularnonaukowych, a także będąc konsultantem naukowym dla Hollywood, choćby przy powstawaniu „Interstellar” (2014) Christophera Nolana.

Barish reprezentuje organizacyjną stronę przedsięwzięcia. Jeszcze w zeszłym roku, gdy po lutowym odkryciu ruszyły spekulacje na temat rozdziału przyszłych Nagród Nobla, Barisha określono w mediach jako „cichego lidera”, a w czasopiśmie „Science” pojawił się artykuł o sugestywnym tytule „Czy Nagroda Nobla ominie wielkiego budowniczego detektora fal grawitacyjnych?”. Dokonanie przełomowego odkrycia to przedsięwzięcie tyleż naukowe, co organizacyjne. Już od lat 70. XX w. było wiadomo, że na płaszczyźnie teoretycznej odkrycie takie jest możliwe – to jednak nie to samo, co przedstawienie realnego planu działań: od strony naukowej, organizacyjnej czy finansowej. Thorne i Weiss spotykali się na przestrzeni lat wielokrotnie, a w latach 80. wielokrotnie próbowali razem zrealizować wczesną wersję projektu LIGO. Bezskutecznie – ich wnioski odrzucano raz po raz. W 1994 r. kierownikiem inicjatywy LIGO został Barish i jeszcze w tym samym roku projekt ten uzyskał niebywałe na ówczesne czasy finansowanie, w wysokości 395 mln dolarów, co błyskawicznie przekute zostało na działanie.

Tegoroczna Nagroda Nobla nie tylko więc ilustruje milowy krok w rozwoju naszej wiedzy o świecie, ale też stanowi świetny komentarz do struktury nauki jako takiej. Gdyby dało się ją dzielić na więcej niż trzy części, otrzymalibyśmy jeszcze lepszy wgląd w subtelności stojące za każdym wielkim współczesnym odkryciem tego typu – na razie musi nam jednak wystarczyć taka rozdzielczość. ©

ŁUKASZ LAMŻA

 

Zastygłe jak na zdjęciu

CHEMIA, Jacques Dubochet, Joachim Frank, Richard Henderson. Nagroda za „rozwój kriomikroskopii elektronowej umożliwiającej obrazowanie w wysokiej rozdzielczości struktury biomolekuł w roztworach”.

NOBEL MEDIA

 

Dobry obraz jest cenniejszy niż tysiąc słów. Odkrycia tegorocznych noblistów pozwalają na precyzyjne „fotografowanie” biomolekuł.

Do niedawna obrazy biomolekuł uzyskiwano głównie za pomocą rentgenografii strukturalnej. Technika ta wymaga jednak wcześniejszego uzyskania jak najlepszych kryształów badanej cząsteczki, co bardzo często nie jest po prostu możliwe. Wiadomo też, że podczas krystalizacji struktura złożonych molekuł, takich jak np. białka, może ulec olbrzymim zmianom. Na takie przeszkody natrafił Richard Henderson, który zajmował się właśnie badaniem rentgenograficznym białek błonowych, występujących w membranach biologicznych. Wydobycie ich z błony komórkowej powoduje natychmiastową zmianę struktury, a więc badanie jest bezużyteczne. Z drugiej strony nie da się wykonać badań wprost w roztworach – wszystkie cząsteczki bezustannie poruszają się i wchodzą w interakcje z innymi molekułami, jak też z otaczającymi je cząsteczkami wody.

Sama mikroskopia elektronowa znana jest od niemal stulecia, ale dopiero prace laureatów, wykonane na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat, pozwoliły na uzyskanie bardzo precyzyjnych trójwymiarowych obrazów pojedynczych cząsteczek o znaczeniu biologicznym, takich jak białka i wirusy. Istotnym elementem tej techniki jest błyskawiczne zamrożenie badanej próbki do niemal minus 200 stopni Celsjusza.

Pomysł ten zaproponował i wdrożył Jacques Dubochet. Dzięki ultraszybkiemu schładzaniu woda otaczająca biomolekuły nie ma szans na krystalizację, ale przekształca się w postać szklistą (tzw. lód amorficzny). Powoduje to zatrzymanie wszystkich cząsteczek dokładnie tam, gdzie się znajdowały w chwili, gdy próbka była ciekła – tak jak w przypadku fotografii. Dzięki temu możliwe jest bezproblemowe oświetlenie próbki strumieniem elektronów z różnych stron, zebranie uzyskanych wyników, a następnie, po obróbce komputerowej, uzyskanie bardzo precyzyjnych obrazów pojedynczych cząsteczek.

To właśnie było dziełem Joachima Franka. Najnowsze optymalizacje techniki używanej do zbierania i agregacji danych pozwoliły na uzyskanie fantastycznej rozdzielczości obrazów – cząsteczki są widziane aż do poziomu pojedynczych atomów.

Uzyskiwane obrazy pokazują cząsteczki niejako w akcji, ponieważ każda z nich może w danym momencie uczestniczyć w innym etapie reakcji chemicznej czy też innego oddziaływania z otoczeniem. Analiza tych obrazów umożliwia czasem na stworzenie czegoś w rodzaju filmu demonstrującego to, co dzieje się w żywym organizmie. Pozwala to badaczom na znacznie lepsze poznanie szlaków metabolicznych w organizmach żywych.

Jednym z najnowszych osiągnięć techniki kriomikroskopii elektronowej jest precyzyjny obraz wirusa zika, który znacznie ułatwia pracę uczonym próbującym znaleźć efektywną metodę walki z nim. Efekty pracy tegorocznych laureatów będą miały olbrzymie znaczenie w wielu dziedzinach nauki – od chemii przez biochemię i biologię molekularną po medycynę i fizjologię. ©

MIROSŁAW DWORNICZAK

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
89,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]

Artykuł pochodzi z numeru Nr 42/2017