Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
Zwycięska sztafeta
Harvey J. Alter, Charles Rice oraz Michael Houghton otrzymali Nagrodę w dziedzinie fizjologii i medycyny za odkrycie wirusa zapalenia wątroby typu C.
Za możliwą przyczynę zapalenia wątroby uznano wirusa już w latach 40. ubiegłego wieku. Rozróżniono wówczas dwie formy transmisji patogenu – przez wodę i żywność oraz przez krew. Stąd wynikają nieco archaiczne nazwy, jak „żółtaczka pokarmowa” i „wszczepienna”. Wirus zapalenia wątroby typu B (czyli HBV), odkryty w 1965 r. przez Barucha Blumberga (nagrodzonego później Noblem), przenosi się przez krew i wywołuje zapalenie wątroby w postaci ostrej i (początkowo klinicznie niemej) przewlekłej, która, nierozpoznana, prowadzi do marskości wątroby, raka z komórek wątroby i śmierci. Wirus „pokarmowy” (HAV) odkryty został w 1973 r. Ten typ nie prowadzi do przewlekłego zapalenia, dlatego jest znacznie mniej niebezpieczny.
Ponieważ HBV przenosi się przez krew, wirusowe zapalenie wątroby było częstym powikłaniem przy transfuzjach. Po wyeliminowaniu z grona dawców osób zakażonych HBV liczba przypadków spadła, ale tylko o 20 proc. Musiała zatem istnieć jakaś inna przyczyna choroby, zwanej wówczas „zapaleniem wątroby nie-A, nie-B” (NANBH). Tym zagadnieniem zajął się Harvey Alter, były współpracownik Blumberga. To Alter w latach 70. dowiódł, że przyczyna tego powikłania musi być zakaźna i prawdopodobnie wirusowa, ponieważ wprowadzenie krwi pobranej od osób chorych na NANBH wywoływało identyczne objawy u szympansów.
POSZUKIWANIA W BIBLIOTECE Domniemany wirus nowego typu pozostawał nieuchwytny. Dostępne w latach 70. metody nie dawały szans na jego wykrycie. Przełomowe miały się okazać badania prowadzone przez Michaela Houghtona, rozpoczęte prawie dekadę po odkryciach Altera. Houghton korzystał z nowocześniejszych metod molekularnych, z tzw. bibliotek komplementarnego DNA (cDNA). Tworzenie takiej biblioteki polega na wyizolowaniu z danego materiału (w tym przypadku krwi chorych na NANBH szympansów) cząsteczki RNA, przekształceniu jej w cDNA, a następnie stworzeniu wektora, czyli takiej cząsteczki, która może pomnażać się w innej komórce i tworzyć w niej białka.
Krew szympansów była koktajlem ogromnej ilości różnego rodzaju cząsteczek RNA, dlatego praca nad wykryciem takiego materiału genetycznego, który nie należał do szympansa, ale do domniemanego wirusa, była niezwykle czasochłonna. Wyizolowane cDNA wprowadzano do komórek bakterii, które produkowały zapisane w materiale genetycznym białka. Następnie kolonie bakteryjne zalewano surowicą pacjentów chorych na NANBH, licząc na to, że znajdują się tam przeciwciała przeciwko nieodkrytemu wciąż wirusowi. Houghton przebadał łącznie milion takich kolonii. W końcu znalazł wirusowe białka – a wraz z nimi przeciwciała.
Istnienie wirusa HCV stało się pewne. Houghton, jakby mimochodem, stworzył również test świadczący o infekcji wirusem HCV, co pozwoliło w prosty sposób połączyć nosicielstwo wirusa u dawców krwi z wystąpieniem choroby u biorców. Ostatecznych dowodów dostarczył trzeci z noblistów. Charles Rice przeprowadził szereg eksperymentów na szympansach (tylko ludzie i te małpy mogą się zarazić HCV), którym podał genetycznie zmodyfikowanego wirusa. Wywołało to oczekiwaną chorobę, a z badania płynął wniosek, że za jej rozwój samodzielnie odpowiadał podany patogen.
KU POKRZEPIENIU Nagrody Nobla zawsze są okazją, by przypomnieć, że we współczesnej nauce jedno odkrycie prowadzi do następnego. Bez przełomowych badań trójki tegorocznych noblistów i ich zespołów nie byłoby kolejnych sukcesów światowej medycyny. Odkrycie wirusa i stworzenie testów serologicznych (opartych na obecności przeciwciał) pozwoliło dopracować do perfekcji transfuzjologię. Dziś ryzyko infekcji HCV związane z przetoczeniem krwi jest minimalne i stanowi mniej niż 0,0001 proc.
Osiągnięcia nagrodzonych naukowców utorowały także drogę do stworzenia nowych terapii dla pacjentów zakażonych wirusem HCV. Od 2013 r. dostępne są tzw. leki bezpośrednio działające na wirusa, których skuteczność sięga blisko 100 proc. Jeden z takich leków – sofosbuwir, opracowany przez Michaela Sofię w 2007 r., uderza wprost w mechanizm namnażania się wirusa.
Do niedawna przewlekłe wirusowe zapalenie wątroby typu C było trudną do wyleczenia i opanowania chorobą, której postęp nieuchronnie prowadził do niewydolności tego organu i śmierci. Obecnie z zakażeniem HCV boryka się od 65 do 85 mln osób, a na wywołaną przez niego chorobę umiera tyle samo ludzi co na AIDS. Zatem problem wciąż jest palący, bo choć z wirusem umiemy już walczyć, nie zawsze udaje się go wykryć na czas.
Najskuteczniejszym orężem w tej walce byłaby szczepionka, ale prace nad nią się przeciągają. HCV jest niezwykle zróżnicowany. Wirus chętnie mutuje, a w różnych rejonach świata ma różne genetyczne oblicza. Jeśli szczepionka powstanie, także i ona będzie pokłosiem badań naukowców nagrodzonych w tym roku medycznym Noblem. Bo nauka to sztafeta, czasem pokoleniowa. Warto o tym pamiętać, nawet gdy w obliczu pandemii chcemy i potrzebujemy tego, by biła rekordy prędkości. © Bartosz Kabała
Kosmos pełen osobliwości
W dziedzinie fizyki Nagrodę otrzymali Roger Penrose, Reinhard Genzel i Andrea Ghez, którzy przekonali świat o realności czarnych dziur.
Wyobraźmy sobie kuliste ciało niebieskie. Może to być gwiazda lub planeta. Ogólna teoria względności głosi (a precyzyjne pomiary to potwierdzają), że przestrzeń wokół takiego ciała ulega niewielkiemu odkształceniu, a upływ czasu nieznacznie spowalnia. Zacznijmy teraz zmniejszać promień tej kuli, zagęszczając jej masę w coraz mniejszym obszarze. Zgodnie z równaniami teorii Einsteina deformacja przestrzeni i czasu będzie stopniowo przybierać na sile. Gdy zejdziemy poniżej pewnej krytycznej wartości promienia, zwanej promieniem Schwarzschilda, kierunek upływu czasu wypaczy się tak bardzo, że nabierze on cech przestrzennych i zacznie płynąć ku środkowi naszej supergęstej kuli. Wreszcie, gdy promień spadnie do zera, otrzymamy obiekt zbudowany z czystej grawitacji, z wnętrza którego nic – nawet światło – nie może się wydostać. Co więcej, w jego centrum zieje tak zwana osobliwość, w której czas dosłownie się kończy, przestrzeń traci sens, a znane prawa fizyki kompletnie się załamują.
Czarne dziury wysnuto z równań ogólnej teorii względności już kilka tygodni po jej opublikowaniu przez Einsteina. W świetle powyższego opisu nietrudno jednak zrozumieć, że szybko uznano je tylko za matematyczny wybryk tych równań; za niefizyczną nadinterpretację teorii. Zmieniło się to dopiero dzięki pracy tegorocznych noblistów.
NIE PYTAJ, WYKRYJ W roku 1965 Roger Penrose opublikował artykuł pt. „Kolaps grawitacyjny i osobliwości czasoprzestrzenne”, który przez wielu fizyków uznawany jest za najważniejszy wkład do ogólnej teorii względności od czasów Einsteina. Brytyjski uczony wprowadził w nim cały arsenał potężnych narzędzi matematycznych, które pozwoliły analizować zawiłe równania pola grawitacyjnego na zupełnie nowe sposoby i rozwiązywać problemy, wobec których dotychczasowe metody były bezsilne.
Takim problemem była grawitacyjna zapaść starych, masywnych gwiazd, którym „wyczerpało się paliwo”. Astrofizycy od ponad 20 lat spierali się bowiem, czy kolaps rzeczywiście może doprowadzić do powstania osobliwości. Taki scenariusz zdawał się wynikać z modelu opracowanego jeszcze przed wojną przez Roberta Oppenheimera i jego studenta Hartlanda Snydera. Model ten jednak powszechnie krytykowano jako nazbyt wyidealizowany – aby uniknąć zawiłych równań, założono w nim, że wypalona gwiazda to idealnie symetryczny, nieobracający się obłok gazu. Nie było żadnej gwarancji, że burzliwa agonia rzeczywistej gwiazdy nie kończy się zupełnie inaczej, a powstanie osobliwości nie jest równie nieprawdopodobne jak rzut monetą, która staje kantem.
Metody wypracowane przez Penrose’a pozwoliły mu zaatakować problem grawitacyjnej zapaści w pełnej ogólności, bez żadnych założeń na temat symetrii. Udowodnione przez niego tzw. twierdzenie o osobliwościach stanowi, iż formowanie się czarnych dziur jest ścisłą, matematyczną konsekwencją równań ogólnej teorii względności. Jeśli uznajemy te ostatnie za poprawnie opisujące świat, to pojawianie się osobliwości wskutek kolapsu dostatecznie masywnych gwiazd jest logicznie nieuniknione. Kosmos powinien być pełen czarnych dziur.
Dzięki Penrose’owi praktycznie przestano pytać, czy czarne dziury istnieją. Odtąd zaczęto się zastanawiać, jak je wykryć.
JĄDRO CIEMNOŚCI Pierwsze poszlaki obserwacyjne pojawiły się już wtedy, gdy Penrose pracował nad swoim dowodem. Odkryto wówczas tzw. kwazary – potężne źródła promieniowania bijące w jądrach odległych galaktyk. Natura kwazarów przez lata pozostawała zagadką, ale z czasem ugruntowała się hipoteza, że są one efektem rozpędzania materii niemal do prędkości światła przez gigantyczne czarne dziury o masach rzędu milionów, a nawet miliardów mas Słońca. Obiekty te znajdowały się jednak zbyt daleko, aby można było im się lepiej przyjrzeć. Niemniej, skłaniały one do przypuszczenia, że nasza Galaktyka także kryje w swoim jądrze uśpiony kwazar. Podejrzenia padły na odkryte w 1974 r. silne radioźródło znane jako Sagittarius A* (Sgr A*), położone 25 tys. lat świetlnych od Ziemi w samym środku Drogi Mlecznej.
W latach 90. dwa zespoły astronomów – jeden kierowany przez Niemca Reinharda Genzela, a drugi przez Amerykankę Andreę Ghez – zaczęły niezależnie przyglądać się jądru naszej Galaktyki w bliskiej podczerwieni, po drodze przezwyciężając cały szereg problemów koncepcyjnych i technicznych. Prowadząc żmudne, kilkunastoletnie obserwacje otoczenia Sgr A*, dokładnie przeanalizowali ruch znajdujących się tam gwiazd i wykreślili ich orbity. Stwierdzili, że wszystkie te ciała niebieskie krążą wokół obiektu pokrywającego się z tajemniczym radioźródłem i że obiekt ten musi mieć masę, bagatela, 4 mln mas Słońca. Ponadto, niektóre orbity okazały się tak ciasne, że cała ta ogromna masa skupia się w obszarze o rozmiarach Układu Słonecznego. Udało się też jednoznacznie ustalić, że mamy do czynienia z pojedynczym, zwartym obiektem, a nie np. z gromadą mniejszych ciał.
Współczesna astrofizyka zna tylko jedno wyjaśnienie powyższych faktów – w centrum naszej Galaktyki (a najpewniej też wielu innych galaktyk) czai się supermasywna czarna dziura.
Czarne dziury są tak niewiarygodnymi tworami, że musiały być odkrywane wielokrotnie, poprzez stopniowe rozwiewanie wątpliwości, tak teoretycznych, jak i obserwacyjnych. Choć wiemy już, że istnieją, wciąż kryją przed nami wiele tajemnic. To pierwsza Nagroda Nobla przyznana za badania czarnych dziur, ale z pewnością nie ostatnia. © Tomasz Miller
Bezcenne nożyczki
Francuzka Emmanuelle Charpentier i Amerykanka Jennifer A. Doudna otrzymały Nagrodę w dziedzinie chemii za rozwój nowoczesnych i precyzyjnych metod edycji genomu.
Manipulacje genami, czyli – na poziomie molekularnym: zmiany w strukturze DNA lub RNA, nie są niczym nowym. Już kilkadziesiąt lat temu biochemicy i biotechnolodzy prowadzili takie działania, ale robili to nieco na ślepo. Dzięki badaniom tegorocznych noblistek, które opracowały metodę znaną jako CRISPR/Cas9, genetyczne manipulacje zyskały na precyzji – co otwiera drogę do mnóstwa medycznych, wręcz rewolucyjnych, zastosowań. O tej metodzie na tych łamach pisaliśmy wielokrotnie (np. kilka tygodni temu Anna Bartosik, „TP” 36/2020). Nobel za nią nie jest żadnym zaskoczeniem, choć można się zastanawiać, czemu przyznano go w dziedzinie chemii, a nie medycyny i fizjologii. Ale we współczesnej nauce często trudno wytyczyć granice między jej dziedzinami. Zresztą decyzja Komitetu Noblowskiego jest całkiem sprytna: nic nie stoi na przeszkodzie, by w przyszłości autorom konkretnych terapii opartych na metodzie CRISPR/Cas9 przyznawać Noble z medycyny.
SZYCIE Z GENÓW Przypomnijmy: metoda CRISPR/Cas9 opiera się na mechanizmie immunologicznym występującym m.in. u niektórych bakterii. To ewolucyjnie bardzo stary system, ale jego naukowa historia zaczyna się w latach 80. XX w., gdy w łańcuchach DNA bakterii zaobserwowano pewne specyficzne powtarzające się sekwencje. Stwierdzono następnie, że te wielokrotnie powielone fragmenty genomu poprzedzają kawałki materiału genetycznego bliźniaczo podobne do tych, które spotykamy u rozmaitych wirusów. Podobieństwo nie było przypadkowe: okazało się, że bakterie kopiują i „wszywają” pomiędzy swoje własne geny materiał genetyczny wirusów. Po to, żeby organizm bakterii (a nawet jej potomstwo, które odziedziczy te same geny) mógł później łatwo wykryć kolejną infekcję i jej przeciwdziałać – rozcinając intruza na kawałki. Taka genetyczna „baza wirusów” to właśnie CRISPR, z kolei Cas9 to białkowy enzym działający jak nożyczki. Tegoroczne noblistki przyczyniły się do zrozumienia, jak cały system działa, a także jako pierwsze nauczyły się precyzyjnie go wykorzystywać.
Gdy Charpentier zaczynała badania nad mechanizmem immunologicznym niezwykle niebezpiecznej dla człowieka bakterii Streptococcus pyogenes, nie słyszała jeszcze o CRISPR, ani nie mogła przewidzieć, do jak uniwersalnego narzędzia doprowadzą ją kolejne odkrycia. Początkowo chodziło jej przede wszystkim o znalezienie antybiotyku zdolnego do zniszczenia patogenu. Z czasem jednak zainteresowała się genami CRISPR, a nawet zidentyfikowała nowy rodzaj materiału genetycznego, tzw. tracrRNA, który odgrywa ważną rolę w całym mechanizmie „wszywania” wirusowych genów.
Jennifer Doudna w tym czasie zajmowała się badaniami genów towarzyszących CRISPR – tzw. genów cas (skrót od CRISPR-associated). Zauważyła, że są one podobne do genów, które kodują białka wykorzystywane do prowadzenia rozmaitych reakcji z udziałem DNA. Zaświtała jej więc myśl, że to właśnie białka Cas – produkt ekspresji genów cas – odgrywają rolę molekularnych nożyczek, atakujących genomy wirusów.
PONAD OCEANEM Tegoroczne laureatki po raz pierwszy spotkały się w 2011 r. w kawiarni w Puerto Rico, podczas konferencji naukowej. Nawiązały wówczas współpracę, w dużej mierze zdalną, ze względu na odległości, jakie dzieliły ich uczelnie (Doudna pracowała na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, Charpentier – na Uniwersytecie Umeå w Szwecji). Wkrótce zaczynają wspólnie lepiej rozumieć, a potem upraszczać i usprawniać podglądnięty u bakterii mechanizm: wykorzystują cząsteczkę „przewodnika” (guide RNA lub krócej: gRNA), która kieruje enzym Cas dokładnie tam, gdzie ma dojść do cięcia.
Kluczowa publikacja obu autorek ukazała się już w 2012 r. (jej współautorem jest Polak, biolog Krzysztof Chyliński). Od tego czasu nazwa CRISPR/Cas9 pojawia się w tysiącach artykułów naukowych. Dzięki nowej, taniej i stosunkowo łatwej w użyciu metodzie naukowcy zaczynają lepiej rozumieć funkcjonowanie poszczególnych genów i interakcje pomiędzy nimi, a także korzystają z niej w modyfikacjach genomu innych organizmów – w tym człowieka. © Mirosław Dworniczak
