Noble 2019

KOMÓRKA NA WDECHU

Nagrodę w dziedzinie medycyny lub fizjologii otrzymali William G. Kaelin Jr, Sir Peter J. Ratcliffe i Gregg L. Semenza za wyjaśnienie, jak komórki adaptują się do poziomu dostępności tlenu.

Tlen jest niezbędny do życia wielu organizmów, łącznie określanych jako tlenowce (aeroby). Do tej grupy, oprócz nas, zalicza się większość żyjących na Ziemi istot, z wyłączeniem głównie bakterii. Bez tlenu nie moglibyśmy w pełni korzystać z komórkowego paliwa, jakim jest glukoza. W obecności tlenu podczas rozkładu tego cukru powstaje dużo ATP – cząsteczek będących nośnikami energii w komórce. Bez niego powstaje ich tylko kilka.

Wiemy o tym wszystkim od dawna. Jednak dopiero w ciągu nieco ponad dwóch ostatnich dekad poznaliśmy mechanizm, według którego komórki reagują na niski poziom tlenu.

Ilość dostępnego tlenu może się zmieniać zupełnie naturalnie. Wystarczy, że intensywniej uprawiamy sport i okresowo nasze komórki dostają go mniej, niż potrzebują. Możemy również wyjść wysoko w góry. Na wysokości jego stężenie w powietrzu jest niższe niż w dolinie. Jedną z podstawowych reakcji naszego organizmu na niski poziom tlenu jest zwiększenie ilości hormonu zwanego erytropoetyną (EPO). Do czasu odkryć tegorocznych noblistów znany był tylko bardzo uproszczony mechanizm: gdy nisko nasycona tlenem krew dociera do nerek, komórki tego organu wydzielają erytropoetynę. Jej zadaniem jest pobudzenie szpiku kostnego do produkcji nowych krwinek czerwonych – transporterów tlenu. Ich większe ilości pomagają dostarczać ten gaz do spragnionych go komórek. Ze względu na działanie zwiększające wydolność organizmu, EPO bywa także stosowana jako doping przez sportowców.

Zależność między ilością erytropoetyny a produkcją czerwonych krwinek była już znana na początku XX w. Odkrycie, które nagrodzono w tym roku, pozwoliło dokładnie zrozumieć mechanizm tego powiązania.

MOLEKULARNA MASZYNERIA Badania tegorocznych laureatów pozwoliły ustalić, że regulacja tworzenia EPO zachodzi w różnych miejscach organizmu – nie tylko w nerkach. W materiale genetycznym, obok „przepisu” na tę cząsteczkę, znajduje się również pewien istotny fragment. Stanowi on miejsce wiązania kompleksu białkowego, który reguluje proces tworzenia nowych cząsteczek EPO. Gdy taki regulator zwiąże się do wspomnianego miejsca w DNA, następuje zwiększenie produkcji erytropoetyny. Pod koniec XX w. wyizolowano ten czynnik regulatorowy z hodowli komórek wątroby i nazwano HIF. Dalsze badania pozwoliły na odkrycie jego budowy. Składa się z dwóch części: HIF-1alfa i ARNT.

Poziom HIF-1alfa w komórce zależy od dostępności tlenu. Gdy jego stężenie jest niskie, ilość HIF-1alfa w komórce jest wysoka – wtedy łączy się on z cząsteczką ARNT i może stymulować proces tworzenia EPO poprzez wiązanie do wspomnianego fragmentu DNA. W sytuacji, w której komórki mają dostęp do normalnej ilości tlenu, HIF-1alfa ulega degradacji. Proces ten jest kilkuetapowy i wymaga specjalnego oznakowania degradowanego białka. Następuje to poprzez dołączenie cząsteczki ubikwityny – molekularnej metki spisującej cząsteczkę na straty. Niszczeniem zajmuje się protea- som – złożony z wielu białek agregat, który jest centralnym miejscem rozkładu białek w komórce.

Kolejną częścią układanki jest gen VHL, który koduje białko o tej samej nazwie. Nazwy te pochodzą od tzw. dziedzicznego zespołu von Hippla-Lindaua (choroby genetycznej zwiększającej prawdopodobieństwo pewnych typów nowotworów). Okazało się, że z genem VHL może fizycznie oddziaływać cząsteczka HIF-1alfa i że VHL jest częścią kompleksu, który przykleja ubikwitynę do białka. Badaczom pozostało wówczas jeszcze wyjaśnić mechanizm, zgodnie z którym dochodzi do tego ometkowania.

NOWY RODZAJ LEKÓW W dwóch jednocześnie opublikowanych pracach wyjaśniono, w jaki sposób tlen wpływa na proces degradacji białka pobudzającego produkcję EPO. Okazało się, że przy normalnym poziomie tego gazu do białka HIF-1alfa dodawane są dwie grupy hydroksylowe (OH). Doczepianiem zajmują się enzymy zwane hydroksylazami prolilowymi. To właśnie obecność tych grup umożliwia rozpoznanie i związanie HIF-1alfa przez cząsteczkę VHL, która następnie znakuje kandydata do zniszczenia przez proteasom. W ten sposób, gdy tlenu jest pod dostatkiem, regulatorowa cząsteczka jest niszczona i nie dochodzi do pobudzania produkcji erytropoetyny.

Taka regulacja jest istotna nie tylko w sytuacji zwiększonego wysiłku czy podczas przebywania na dużych wysokościach, ale również w innych procesach życiowych, m.in. prawidłowym rozwoju łożyska oraz tworzeniu naczyń krwionośnych. Zrozumienie dokładnego mechanizmu reakcji komórek na poziom tlenu daje podstawę do konkretnych terapii. Na podstawie opublikowanych badań wprowadzono już na chiński rynek leki. Jeden z nich stosowany jest u osób z niedokrwistością będącą powikłaniem przewlekłej choroby nerek.

Zrozumienie całej tej molekularnej maszynerii może również pomóc w walce z nowotworami, podczas których mechanizmy regulowane tlenem stymulują m.in. tworzenie nowych naczyń krwionośnych, dzięki którym guz może się odżywiać i rosnąć. Umiejętne ingerowanie w ten proces może mieć działanie lecznicze. © MARIUSZ GOGÓL

POD SZCZĘŚLIWYMI GWIAZDAMI

Nagrodę w dziedzinie fizyki otrzymali James Peebles, Michel Mayor i Didier Queloz za wkład w nasze zrozumienie ewolucji wszechświata i miejsca Ziemi w kosmosie.

James Peebles w znaczącym stopniu przyczynił się do powstania współczesnego modelu kosmologicznego. Obecnie jednym z najcenniejszych źródeł informacji o tym, z czego składa się i jak ewoluował wszechświat, jest tzw. mikrofalowe promieniowanie tła – pozostałość po czasach, gdy wszechświat był młody i gorący. Promieniowanie to dociera do nas cały czas ze wszystkich stron i przypomina trochę szum, jaki czasami można usłyszeć w analogowym radioodbiorniku. Dzięki pracom Jamesa Peeblesa i innych naukowców wiadomo, jak odczytać ukryte w promieniowaniu tła informacje. Obraz świata, który uzyskaliśmy na tej podstawie, jest zaskakujący. Materia, jaką znamy i z jakiej utworzona jest Ziemia, Słońce i nasze ciała, stanowi nie więcej niż pięć procent tego, co istnieje we wszechświecie. Reszta to tajemnicza ciemna materia oraz ciemna energia, które nie emitują ani nie pochłaniają światła.

Rolę, którą Peebles odegrał we współczesnej kosmologii, znakomicie opisał w książce „Pierwsze trzy minuty” inny noblista, Steven Weinberg. Cofnijmy się na chwilę do lat 60. XX w. Młody teoretyk z Princeton James Peebles w swoim referacie stara się przekonać słuchaczy, iż powinien istnieć szczątkowy szum radiowy pozostały po wczesnej epoce wszechświata. To właśnie słynne mikrofalowe promieniowanie tła. Peebles, razem ze swoim przełożonym Robertem Dicke’iem i współpracownikami, zaplanował już obserwacje mające wykazać, że szum ten istnieje naprawdę. W tym samym czasie, pół godziny drogi od Princeton, dwóch astronomów, Arno Penzias i Robert Wilson, przygotowuje mikrofalową antenę do obserwacji naszej galaktyki. W rozpoczęciu pracy przeszkadza im nieznany szum. W referacie Peeblesa uczestniczył jednak „kolega kolegi” Penziasa i ostatecznie oba zespoły się spotykają. Dochodzą do wniosku, że nieznośny szum jest poszukiwanym promieniowaniem tła. Szczęśliwi odkrywcy, Penzias i Wilson, w 1978 r. otrzymują Nagrodę Nobla (komisja tej nagrody częściej wyróżnia autorów obserwacji i eksperymentów). Fizykom z Princeton – w tamtym czasie – pozostaje naukowa satysfakcja.

Dokonania Peeblesa na gruncie kosmologii nie ograniczają się do badań promieniowania tła. Tegoroczny noblista przyczynił się do zrozumienia wielu innych zagadnień, m.in. powstawania pierwiastków we wczesnym wszechświecie oraz związku ciemnej materii i ciemnej energii z tworzeniem się kosmicznych struktur. Jego badania pomogły przekształcić kosmologię z nauki spekulatywnej w naukę precyzyjną.

PIERWSZA Z MILIARDA Choć odkrycie dokonane przez pozostałych dwóch noblistów nie dotyczy fundamentalnej fizyki, to ma ono znaczenie dla nas wszystkich. Któż nie zadawał sobie pytania, czy jesteśmy sami we wszechświecie? Co prawda Michel Mayor i Didier Queloz nie nawiązali kontaktu z innymi cywilizacjami, ale dzięki nim wiemy dzisiaj, że wszechświat jest miejscem bardzo gościnnym dla życia.

W chwili obecnej znamy ponad cztery tysiące planet krążących wokół gwiazd innych niż Słońce. Początki poszukiwań nie były łatwe: przez wiele lat nie udawało się odnaleźć tego typu obiektów. Pierwszy pozasłoneczny układ planetarny został odkryty w 1992 r. przez Aleksandra Wolszczana i Dale’a Fraila. Centralna gwiazda w tym układzie nie przypomina jednak naszego Słońca. Jest to szybko rotująca i bardzo gęsta gwiazda, tzw. pulsar. Metoda zastosowana przez Wolszczana i Fraila nie nadawała się do wyszukiwania planet pozasłonecznych krążących wokół gwiazd podobnych do Słońca. Tego typu planeta została pośrednio zaobserwowana przy wykorzystaniu innej metody dopiero trzy lata później przez Mayora i Queloza. Gwiazda 51 Pegasi okazała się dla nich szczęśliwa, a planeta, którą nazwano Dimidium, zapewniła im Nagrodę Nobla.

Dimidium nie nadaje się do zamieszkania. Najprawdopodobniej jest to planeta gazowa. Przypomina Jowisza, ale ma od niego dwukrotnie mniejszą masę. Dimidium znajduje się bardzo blisko macierzystej gwiazdy: dwadzieścia razy bliżej, niż wynosi odległość Ziemi od Słońca. Tak wąska orbita skutkuje krótkim okresem obiegu (cztery ziemskie dni) i wysoką temperaturą wynoszącą ponad tysiąc stopni Celsjusza.

Nie powinniśmy się jednak martwić niegościnnością planety Dimidium. To, co w latach 90. XX w. było odkryciem zasługującym na Nagrodę Nobla, obecnie dla wielu astronomów jest częścią codziennej rutyny. Odkrycia z lat 90. otworzyły nowy dział astronomii: poszukiwanie planet pozasłonecznych. Oprócz setek „gorących Jowiszy” (tak nazywamy planety podobne do Dimidium) znamy obecnie dziesiątki o wiele bardziej gościnnych globów. Przypominają one naszą Ziemię. Na podstawie dokonanych obserwacji szacuje się, że w samej tylko naszej galaktyce istnieje wiele miliardów planet, na których mogłoby, przynajmniej teoretycznie, zaistnieć życie.

TANIEC Z GWIAZDAMI Astronomowie stosują rozmaite metody w poszukiwaniach planet pozasłonecznych. Tylko w wyjątkowych przypadkach można nową planetę zaobserwować bezpośrednio. Przeważnie o jej istnieniu dowiadujemy się na podstawie dokładnych obserwacji gwiazdy, którą ta planeta okrąża. Metoda wykorzystana przez Michela Ma­yora i Didiera Queloza polegała na precyzyjnej obserwacji koloru macierzystej gwiazdy. Światło zachowuje się podobnie jak fala dźwiękowa dobiegająca do naszych uszu ze zbliżającej się lub oddalającej się karetki. Wysokość sygnału karetki ulega zmianie. Podobnie zmienia się kolor światła. Obiekty, które się do nas przybliżają, wydają się bardziej niebieskie, niż są naprawdę, a te, które się od nas oddalają, zdają się lekko czerwienieć. Jeśli tego typu zmiany koloru zaobserwujemy dla gwiazdy, to można podejrzewać, że ma ona niewidocznego towarzysza, z którym kolebie się w kosmicznym tańcu wokół wspólnego środka masy.

Inna popularna metoda polega na dokładnej obserwacji jasności gwiazdy. Jeśli planeta znajdzie się pomiędzy nami a gwiazdą, to przesłoni jej światło i gwiazda pociemnieje. Okresowe powtarzanie się tego zjawiska sugeruje obecność okrążającej gwiazdę planety. W wyjątkowych sytuacjach takie przejście planety pomiędzy nami a gwiazdą można wykorzystać do zbadania atmosfery planety. Gwiazda prześwietla otoczkę gazową planety, tym samym ujawniając skład tej otoczki. Wykorzystując tę metodę, we wrześniu tego roku odkryto cząsteczki wody w atmosferze potencjalnie przyjaznej dla życia planety K2-18b. Być może więc za kilka lat usłyszymy o planecie pozasłonecznej, w której atmosferze znajdują się gazy produkowane przez organizmy żywe.

Ale nawet jeśli to nastąpi, nie będziemy mogli udać się tam w odwiedziny. Odległości do innych układów planetarnych są iście astronomiczne. Międzygwiezdne podróże w przewidywalnej przyszłości pozostaną jedynie domeną literatury science fiction. Mayor i Queloz nigdy nie zobaczą swojej planety z bliska. © SEBASTIAN SZYBKA

LITA ENERGIA

W dziedzinie chemii Nagrodą Nobla uhonorowano Johna B. Goodenougha, M. Stanleya Whittinghama i Akirę Yoshino za wkład w stworzenie akumulatorów litowo-jonowych.

Historia ogniw elektrycznych sięga przełomu XVIII i XIX w., kiedy Alessandro Volta znalazł sposób generowania elektryczności. W pierwotnej wersji jego urządzenie składało się z dwóch blaszek, jednej z miedzi albo srebra i drugiej z cynku albo cyny, zanurzonych w filiżance z osoloną wodą. Ponieważ uzyskane napięcie (0,76V) było dość niskie i niezbyt nadawało się do eksperymentów, uczony skonstruował tzw. stos Volty, przekładając wiele blaszek z dwóch metali bibułą nasączoną roztworem soli. Wszystkie dzisiejsze ogniwa są w zasadzie twórczym rozwinięciem pomysłu Włocha. Ówczesnych ogniw można było użyć tylko raz, nie było możliwości ponownego ładowania. Kolejne konstrukcje powstawały też w XIX w. i część z nich jest produkowana do dziś – są to tzw. baterie cynkowo-węglowe (Leclanchégo), a także droższe, ale wydajniejsze baterie alkaliczne.

Istotnym momentem przełomowym było wynalezienie ogniw, które można ładować ponownie. Znamy je choćby z samochodów. Są to akumulatory kwasowo-ołowiowe, które skonstruowano w drugiej połowie XIX w. Mają dobrą wydajność, ale, jak dobrze wie każdy kierowca, są bardzo ciężkie, w dodatku wypełnia je żrący kwas siarkowy. Tymczasem na świecie rosło zapotrzebowanie na coraz mniejsze, a jednocześnie wydajniejsze akumulatory.

WYBUCHOWE WĄSY Prace nad bateriami litowo-jonowymi rozpoczęły się w latach 70. XX w. W założeniu są to tzw. ogniwa drugiego typu, czyli takie, które można wielokrotnie ładować, odwracając proces elektrochemiczny zachodzący wewnątrz. Każde takie ogniwo składa się z trzech elementów – dwóch elektrod (anoda i katoda) oraz elektrolitu, który przewodzi jony. Z elektrochemicznego punktu widzenia jednym z najlepszych metali, które mogą posłużyć jako materiał na anodę, jest lit. Jest on najlżejszym pierwiastkiem metalicznym, ma jednak dość istotne wady – jest niesamowicie reaktywny i z tego powodu nie można było użyć wody jako rozpuszczalnika elektrolitu. W połowie lat 50. XX w. po raz pierwszy zastosowano w tym celu związki organiczne, takie jak estry (m.in. węglan etylenu i propylenu). Kolejnym istotnym odkryciem było znalezienie tzw. materiałów interkalacyjnych, z których można wykonywać katody.

Pierwszym z nich, wprowadzonych przez Whittinghama, był siarczek tytanu (TiS2). Struktura krystaliczna tego związku składa się z milionów nakładających się na siebie płaszczyzn, pomiędzy którymi jest niewielka przestrzeń – idealnie pasująca do tego, aby zmieściły się tam jony litu. Tak powstał pierwszy akumulator litowo-jonowy. Anodą był metaliczny lit, a napięcie (czy właściwie siła elektromotoryczna) tego ogniwa wyniosła niemal 2V, co było już sporą wartością. Niestety, te konstrukcje miały w dużym stopniu charakter eksperymentalny. Zarówno lit metaliczny, jak też siarczek tytanu to materiały dość kapryśne i trudne do przetwarzania. Dodatkowo siarczek tytanu jest substancją toksyczną. I tutaj właśnie w sukurs przyszedł John B. Goode­nough – skądinąd najstarszy w historii nagrodzony noblista (ma 97 lat). Po serii eksperymentów zaproponował zastąpienie tego związku tlenkiem kobaltu. Okazało się, że ten tańszy, a co ważniejsze, nietoksyczny związek ma bardzo podobną strukturę do siarczku tytanu i analogicznie może przyjąć pomiędzy warstwy całkiem sporo jonów litu.

Co ciekawe, nowa konstrukcja ogniwa pozwala na uzyskanie znacznie wyższego napięcia – w wersji z tlenkiem kobaltu wynosi ono 4V. Eksperymenty z wielokrotnym ładowaniem i rozładowaniem tego ogniwa pokazały jednak, że pojawia się inny, bardzo poważny problem. Podczas ładowania na powierzchni metalicznego litu tworzyły się dendryty, czyli swoiste „wąsy”. Kolejne ładowania powodowały ich narastanie, aż w końcu osadzający się metal dotykał katody, co powodowało zwarcie – i eksplozję.

BATERIE PRZYSZŁOŚCI Z wyzwaniem tym zmierzył się Akira Yoshino. Długo eksperymentował z materiałem na anodę. Wiadomo już było, że po to, aby stworzyć bezpieczną baterię, nie można używać samego litu. Pojawił się pomysł, aby także anoda była wykonana z materiału interkalacyjnego. Pierwsze doświadczenia z porowatym grafitem nadały kierunek dalszym poszukiwaniom. Po dłuższym czasie, około 1985 r. okazało się, że znacznie lepszym i pewniejszym materiałem jest koks ponaftowy – składający się niemal w całości z węgla uboczny produkt rafinacji ropy. Jest to substancja porowata, przy czym średnica porów pozwala bez problemu na przeniknięcie litu w głąb materiału.

W tak przygotowanej anodzie jeden atom litu przypada na sześć atomów węgla. I jak do tej pory właśnie ten materiał wykorzystuje się najczęściej na anody. Jeśli chodzi o elektrolit, jest nim nadchloran litu (LiClO4) rozpuszczony w rozpuszczalniku organicznym, takim jak węglan dimetylu, węglan etylu albo węglan propylu. Badania trwałości ogniw pokazały, że można wykonać nawet 1100 cykli ładowania/rozładowania bez znaczącego spadku pojemności.

Oczywiście to nie zakończyło prac badawczo-rozwojowych. Grupa, której przewodzi Goodenough, badała też inne materiały interkalacyjne, mogące być elementami katod. Bardzo obiecujące są spinele, będące tlenkami manganu, jak też materiały oparte na fosforanie żelaza i litu (LiFePO4).

Kolejnym etapem rozwojowym baterii litowo-jonowych jest zamiana elektrolitu ciekłego na stały (tzw. elektrolit superjonowy). Stosuje się tutaj rozmaite materiały ceramiczne, często zawierające cyrkon, specjalne szkła, jak też niektóre siarczki metali. Na akumulatory tego typu czekają przede wszystkim producenci samochodów elektrycznych oraz hybrydowych. Mają one kilkakrotnie większą gęstość energii w porównaniu z tymi z elektrolitem ciekłym, jak też większą wydajność. Niestety, na razie są bardzo drogie. © MIROSŁAW DWORNICZAK