Noble 2021

Podstawy nauki o klimacie, ważne receptory w skórze, nowa metoda syntezy związków. Nagrodzone odkrycia kojarzą się ciepło. Na dobre i złe.

11.10.2021

Czyta się kilka minut

Laureaci Nagrody Nobla 2021: (od lewej) Ardem Patapoutian, David Julius, Giorgio Parisi, Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann, David W.C. MacMillan oraz Benjamin List / NIKLAS ELMEHED / NOBEL PRIZE OUTREACH
Laureaci Nagrody Nobla 2021: (od lewej) Ardem Patapoutian, David Julius, Giorgio Parisi, Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann, David W.C. MacMillan oraz Benjamin List / NIKLAS ELMEHED / NOBEL PRIZE OUTREACH

Głębokie czucie

David Julius i Ardem Patapoutian otrzymali nagrodę w dziedzinie fizjologii i medycyny za odkrycia receptorów temperatury i dotyku.

Układ nerwowy łączy nas ze światem zewnętrznym. Jedną z jego części jest układ sensoryczny, który odpowiada za odbiór bodźców zewnętrznych i wewnętrznych. To dzięki nim posiadamy zmysły. Przypisane im narządy i receptory przybierają wiele form, ale największym z odbiorców tych bodźców jest bez wątpienia skóra.

Receptory tam obecne rejestrują dotyk, nacisk, wibracje, ból, ale też ciepło i zimno. Pozwalają odróżniać przedmioty i ich tekstury, uniknąć wysokiej temperatury i poparzenia, czuć zimno i ciepło potraw, a w przypadku osób pozbawionych zmysłu wzroku – czytać alfabetem Braille’a.

Mechanizm działania zmysłu czucia intrygował badaczy od dawna, co obrazują poprzednie Nagrody Nobla. W 1932 r. laureatami zostali dwaj Brytyjczycy – Edgar Adrian i Charles Sherrington, którzy opisali funkcje neuronów, w tym neuronów czuciowych, które wysyłają informacje o bodźcach do rdzenia kręgowego i mózgu. Dwanaście lat później Nobla otrzymali Joseph Erlanger i Herbert Gasser za odkrycie różnych rodzajów włókien nerwowych, co pozwoliło przypisać określone funkcje konkretnym nerwom i receptorom. I tak: znajdujące się w tkance podskórnej ciałka Paciniego odbierają wibracje i przy pomocy włókien Aβ przesyłają je do rdzenia, a wolne zakończenia włókien C przewodzą sygnały o bólu i temperaturze.

W języku neuronów

Skóra podzielona jest na pola recepcyjne, czyli obszary unerwiane przez pojedyncze włókna. Od ich wielkości zależy rozdzielczość czucia, która największa jest na opuszkach palców. Dzięki opuszkom możemy z niezwykłą dokładnością rozpoznawać przedmioty i określać ich powierzchnię.

To jednak, w jaki sposób bodziec w postaci trzymania kubka, uścisku dłoni albo uderzenia gorącego powietrza zmienia się w sygnał elektryczny, który jest językiem układu nerwowego, pozostawało tajemnicą rozwiązaną dopiero przez badania tegorocznych laureatów.

David Julius z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco w 1997 r. odkrył receptor reagujący na kapsaicynę, związek odpowiedzialny za pikantność np. papryczki chilli. Wraz ze współpracownikami stworzył linie komórek, zaopatrując je w geny, które w neuronach podejrzewane są o udział w odczuwaniu dotyku i temperatury. Po wielu próbach udało się zidentyfikować odpowiedni receptor reagujący na kapsaicynę – TRPV1. Jest to kanał jonowy, którego aktywacja związana jest z odczuwaniem palącego bólu.

Okazało się, że nie tylko kapsaicyna powoduje otwarcie (czyli aktywację) kanału. Ta sama reakcja pojawiała się w temperaturze powyżej 43 stopni Celsjusza – to wyjaśniało, dlaczego ostre jedzenie wywołuje wrażenie ciepła i pobudza potliwość. Wkrótce potem zidentyfikowano inne kanały jonowe. TRPV3 i TRPV4 aktywowane są przy niższych temperaturach, TRPM8 jest zaś receptorem zimna wrażliwym na temperaturę poniżej 25 stopni i mentol, znany z maści chłodzących i miętowych cukierków.

Tego ostatniego odkrycia niezależnie od siebie dokonali obaj tegoroczni laureaci. Ale nie za nie Ardem Patapoutian, libański naukowiec ormiańskiego pochodzenia, otrzymał nagrodę.

Szturchnięta komórka

Patapoutian wraz z zespołem w Scripps Research Institute w Kalifornii odkrył linię komórek wrażliwych na dotyk. Po dotknięciu komórki przy pomocy mikropipety odczytywany był potencjał elektryczny. By znaleźć konkretne receptory, stworzono listę potencjalnych genów kodujących białka receptorowe oraz te o nieznanej funkcji. Następnie usuwając jeden z tych genów sprawdzano, czy komórka po szturchnięciu mikropipetą zareaguje. Lista obejmowała 72 potencjalne kanały jonowe, a poszukiwany – PIEZO1 – był na niej ostatni.

Wkrótce odkryto również drugi kanał PIEZO2, który okazał się kluczowy dla zrozumienia odczuwania dotyku. Grupa badawcza Patapoutiana dowiodła, że po usunięciu genu PIEZO2 myszy przestają odczuwać lekki dotyk, wibracje i propriocepcję, czyli czucie głębokie, które dotyczy mięśni i pozwala określać ułożenie kończyn w przestrzeni. Późniejsze badania potwierdziły odkryte funkcje – u osób z wrodzonym defektem tego genu pojawiają się podobne zaburzenia jak u genetycznie zmodyfikowanych myszy.

W późniejszych pracach Patapoutian pokazał, że odkryte mechanoreceptory występują również w narządach ­wewnętrznych i odgrywają tam równie istotną rolę. U myszy usunięcie genu PIEZO2 w neuronach trzewnych prowadzi do zaniku odruchu Heringa-Breuera, który odpowiada za zakończenie wdechu i rozpoczęcie wydechu powietrza z płuc.

Komitet Noblowski nagrodził naukowców za odkrycia z zakresu fizjologii człowieka, choć mają one również znaczenie medyczne. Mutacje tych genów wywołują choroby – malformacje limfatyczne, wrodzoną anemię hemo­lityczną czy też dziedziczny syndrom napadowego bólu, który pojawia się w reakcji na zimno i głód. Lepsze zrozumienie mechanizmów odpowiedzialnych za ból i czucie pozwala również na doskonalsze terapie, w tym leczenie przewlekłego bólu.© BARTOSZ KABAŁA

Wyłuskać wiedzę z chaosu

Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann oraz Giorgio Parisi otrzymali nagrodę w dziedzinie fizyki za przełomowe badania nad układami złożonymi.

Od czasów Galileusza fizycy posługują się idealizacjami: punktami materialnymi, gazem doskonałym, ciałem doskonale czarnym… Choć takie proste modele często działają bardzo dobrze, to przyroda pełna jest zjawisk, których w ten sposób opisać się nie da. Układy złożone, jak sugeruje nazwa, nie są prostą sumą swoich części. Ich zachowanie to chaotyczny taniec gigantycznej liczby zmiennych, uwikłanych w gęstą sieć wzajemnych zależności i nieoczywistych sprzężeń.

Sztandarowym przykładem skomplikowanego układu fizycznego, w którym wszystko jest ze sobą powiązane, a drobna zmiana jednego parametru może mieć dramatyczne konsekwencje dla całości, jest ziemski system klimatyczny, ale z tego typu sytuacją spotykamy się niemal wszędzie: od pojedynczych komórek biologicznych, przez różnego rodzaju sieci: neuronowe (biologiczne i sztuczne), energetyczne, komputerowe, aż po systemy ekonomiczne i ekologiczne. Ujęcie tego wszystkiego we wzorach i modelach matematycznych, które z jednej strony będą realistyczne, a z drugiej strony możliwe do obliczeniowego zrealizowania – choćby i na superkomputerze – wymagało stworzenia nowych metod i narzędzi teoretycznych. I to właśnie postanowiła w tym roku uhonorować Komisja Noblowska.

Wiarygodność obliczeń

Pierwszą połowę nagrody podzielą pionierzy nowoczesnej klimatologii: fizyk atmosfery Syukuro Manabe oraz oceanograf Klaus Hasselmann, którzy w latach 60. i 70. stworzyli pierwsze realistyczne modele ziemskiego klimatu i jego zmian. Choć fizyka leżąca u podstaw procesów pogodowych i klimatycznych była wówczas dobrze znana – efekt cieplarniany i rolę, jaką odgrywa w nim dwutlenek węgla opisywano już w XIX wieku! – to ze względu na złożony charakter wzajemnych oddziaływań atmosfery, hydrosfery, kriosfery i biosfery trudno było określić rzeczywiste konsekwencje rosnących emisji CO2. Dopiero w 1967 r. Manabe, we współpracy z nieżyjącym już Richardem Wetherhaldem, przedstawili przełomowy, numeryczny model pionowego przepływu ciepła w atmosferze, z którego jednoznacznie wynikało, że dwukrotny wzrost stężenia CO2 doprowadzi do wzrostu średniej temperatury przy powierzchni Ziemi o ponad 2 stopnie Celsjusza. Model ten był wciąż stosunkowo prosty, ale jak pisze historyk nauki Spencer Weart, „po raz pierwszy obliczenia dotyczące efektu cieplarnianego uwzględniały wystarczająco dużo istotnych czynników (…), aby eksperci uznali je za wiarygodne”. To właśnie od modelu Manabego-Wetherhalda rozpoczął się dynamiczny rozwój coraz precyzyjniejszej klimatologii obliczeniowej.

Kolejny przełom był zasługą Klausa Hasselmanna, który pod koniec lat 70. wzbogacił modele klimatyczne o… pogodę. Jak wiadomo, pogoda potrafi być nieprzewidywalna, a ignorowanie jej chaotycznego charakteru w symulacjach było poważną skazą na ich długoterminowej wiarygodności. Aby temu zaradzić, Hasselmann sięgnął po tzw. analizę stochastyczną – zaawansowany dział teorii prawdopodobieństwa zajmujący się procesami losowymi – i umiejętnie wplótł pogodowy „szum” w równania klimatologów. Dzięki temu udało się zrozumieć, jak klimat i pogoda mogą wpływać na siebie nawzajem oraz dlaczego modele klimatu mogą być zasadniczo stabilne mimo meteorologicznych fluktuacji. Ale stochastyczne podejście Hasselmanna przyniosło jeszcze jeden przełomowy skutek. Dostarczyło mianowicie narzędzi pozwalających systematycznie wyizolować wkład różnych czynników wywołujących obserwowane zmiany klimatu. W tym wyodrębnić dominujący (jak dziś wiemy) wkład ­antro­po­genicznych emisji dwutlenku węgla.

Szkła spinowe

Drugą połowę nagrody otrzyma włoski fizyk teoretyk Giorgio Parisi, który pod koniec lat 70. zrewolucjonizował badania nad innym typem układów złożonych. Mowa o tzw. szkłach spinowych, które pierwotnie stanowiły model pewnych amorficznych stopów metali. Substancje te można sobie wyobrażać jako swoiste przeciwieństwo kryształu. O ile atomy w sieci krystalicznej tworzą regularny, powtarzający się wzorzec, o tyle w szkle spinowym panuje jeden wielki bezład – atomy poustawiane są względem siebie zupełnie losowo. Ze względu na brak jakichkolwiek regularności matematyczny opis szkła spinowego – np. jego własności magnetycznych – przez lata wydawał się beznadziejnie skomplikowany. Parisi znalazł jednak sposób, jak ten nieporządek okiełznać i wywieść z niego ścisłe przewidywania. Opracowane przez niego metody były na tyle głębokie i ogólne, że wkrótce znalazły zastosowanie w fizyce ciała stałego, genetyce, neuronauce, sztucznej inteligencji, a także… klimatologii.

Choć przyznawano już Nagrody Nobla związane ze zmianami klimatu (pokojową w 2007 r. oraz pół ekonomicznej w 2018 r.), to jest to pierwszy Nobel z fizyki za badania w tej dziedzinie. Na pytanie dziennikarki, czy Komisja pragnie w ten sposób coś zakomunikować światowym liderom, którzy za kilka tygodni zjadą na szczyt klimatyczny w Glasgow, Göran Hansson z Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk odpowiedział: „Kwestia globalnego ocieplenia stoi na twardym naukowym gruncie. Taki jest przekaz”. © TOMASZ MILLER

Zielona synteza

Benjamin List i David W.C. MacMillan otrzymali nagrodę w dziedzinie chemii za rozwój asymetrycznej organokatalizy.

W 1835 r. Jacob Berzelius nazwał „katalizą” obserwowany od wieków proces: przyspieszanie zachodzenia reakcji chemicznych pod wpływem określonych związków. „Siłę katalityczną” można było zobaczyć w kiełkujących nasionach, które wydzielały coś, co przekształca skrobię w cząsteczki glukozy. Dostrzeżono również, że srebro rozkłada nadtlenek wodoru na tlen i wodę. Z biegiem lat enzymy i metale stały się dwoma głównymi filarami katalizy. Każdy z nich ma jednak swoje ograniczenia.

Jak działa enzym

Enzymy to głównie cząsteczki białek. Te zbudowane są z tzw. reszt aminokwasowych, połączonych w plączące się w przestrzeni łańcuchy. Większość z „ogniw” stanowi rusztowanie dla zaledwie kilku aktywnych w procesie katalizy. Te szczególne reszty aminokwasowe znajdują się w zagłębieniu cząsteczki. Nazywamy je katalitycznymi. Działają jak nanoskopowe dłonie, które m.in. potrafią żonglować elektronami. Odbierając je lub przekazując cząsteczkom, pomagają im przekształcić się w pożądany produkt.

Stosowanie enzymów ma wiele zalet, np. daje możliwość połączenia reakcji w sekwencje – cząsteczka wytworzona przez jeden enzym zostaje później przekształcona w następną, pod wpływem innego enzymu. Inną korzystną cechą jest brak zanieczyszczenia produktami ubocznymi. Ponadto wiele enzymów zdolnych jest do selektywnego tworzenia cząsteczek asymetrycznych, tzn. mających się do siebie jak lustrzane odbicia. Często tylko konkretny wariant przestrzenny cząsteczki ma preferowaną własność, np. leczniczą, podczas gdy „lustrzana cząsteczka” może być śmiertelnie niebezpieczna. Jak ważna jest ta cecha, ilustruje tragiczna historia talidomidu. Jedno z jego „odbić” ma działanie przeciwbólowe i przeciw­wymiotne, a drugie prowadzi do poważnych uszkodzeń płodu.

Stosowanie enzymów ma jednak swoje ograniczenia – uzyskanie ich często nie jest łatwe ani tanie, a przyspieszane przez nie reakcje mogą być podatne na czynniki zewnętrzne. Podobne właściwości mają niektóre metale. Są co prawda świetnymi katalizatorami i mają zdolność tymczasowego gromadzenia i przekazywania elektronów w reakcjach chemicznych, lecz używając ich, trzeba zatroszczyć się o ­beztlenowe i wolne od wilgoci środowisko. W skali przemysłowej nie zawsze jest to możliwe. Ponadto metale ciężkie są toksyczne.

Biorąc pod uwagę te wszystkie ograniczenia, a także trudności z tworzeniem wielu ważnych związków, naukowcy szukali nowych metod – asymetrycznej organokatalizy.

Historia organokatalizy nie rozpoczęła się wraz z odkryciami tegorocznych noblistów. Termin „katalizatory organiczne” zawdzięczamy Wolfgangowi Langenbeckowi, który w 1928 r. opisywał pewne aspekty przyspieszania reakcji przez tego typu cząsteczki. Przez lata z mniejszymi lub większymi sukcesami wymyślano rozmaite reakcje, w których tworzono asymetryczne cząsteczki. Od lat 70. rozumiano już całkiem dużo, ale wiedza ta nie była usystematyzowana.

Krytyczna weryfikacja

Przełomowe okazały się publikacje z 2000 r. Pierwsza z nich to odkrycie Lista, któremu głowę zaprzątała wówczas natura enzymów. Zastanawiał się, czy podobną rolę do reszt katalitycznych mogłyby odgrywać same aminokwasy, niezwiązane z rusztowaniem białkowym. Za pomocą aminokwasu zwanego proliną przeprowadził reakcję łączenia atomów węgla pochodzących z różnych cząsteczek, m.in. acetonu i aldehydu izomasłowego. Lista zainspirował eksperyment opisany w latach 70. XX wieku. W nim również wykorzystano prolinę, ale w nieco innym kontekście. W swoim badaniu potwierdził zdolności katalityczne aminokwasu, wynikające z obecności atomu azotu, dzięki któremu cząsteczka żongluje elektronami potrzebnymi w reakcjach. List wykazał też, że prolina może być stosowana w katalizie asymetrycznej – czyli może dawać tylko wybrane formy cząsteczek.

Druga publikacja także była wynikiem krytycznej weryfikacji przeprowadzonych wcześniej badań. MacMillan, rozmyślając nad stworzonymi przez innych naukowców katalizatorami, zauważył, że nie przyjęły się w przemyśle. Jako przyczynę wskazał m.in. nietrwałość i kosztowność używanych do tego celu metali. Z prowadzonych przez niego badań wynikało, że w reakcji istotny jest zawierający atom azotu jon iminowy, który podobnie jak prolina może „żonglować” elektronami. MacMillan znalazł sposób, by wykorzystać ten fakt w opracowaniu nowej metody tworzenia związków, w której katalizatorem są trwałe i proste w produkcji związki organiczne. Wykazał też, że reakcja może być nastawiona na konkretne odbicie lustrzane cząsteczki.

Mimo długiej historii badań na temat asymetrycznej organokatalizy, przed rokiem 2000 nie można było mówić o stworzeniu ogólnej koncepcji tego, czym faktycznie jest to podejście. Metodologiczną koncepcję projektowania reakcji syntezy związków asymetrycznych podali dopiero tegoroczni nobliści.

To ich prace otworzyły możliwości projektowania nowych katalizatorów, które są bezpieczne dla środowiska, tańsze i wydajniejsze. Podobnie jak enzymy, mogą działać w szlaku, etapowo przekształcając daną cząsteczkę, bez konieczności izolowania i oczyszczania półproduktów. Pozwalają też na produkcję konkretnego odbicia lustrzanego cząsteczki. Oprócz farmacji nowe metody znajdują zastosowanie w rolnictwie, produkcji sztucznych materiałów czy ogniw słonecznych. © MARIUSZ GOGÓL

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]
Mariusz Gogól – doktor biochemii, biolog, popularyzator nauki. Specjalista komunikacji naukowej związany ze Stowarzyszeniem Rzecznicy Nauki od początku jego działalności. Współpracuje m.in. z Państwowym Wydawnictwem Naukowym, Serwisem Nowaja Polsza oraz… więcej
Lekarz, popularyzator wiedzy o medycynie i jej historii. Współpracuje z „Tygodnikiem” od 2018 r. Kontakt z autorem na twitterze: twitter.com/KabalaBartek 
Fizyk matematyczny i popularyzator nauki. Pracuje w Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych na Uniwersytecie Jagiellońskim, gdzie bada struktury geometryczne leżące na pograniczu ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej. Stały współpracownik „… więcej

Artykuł pochodzi z numeru Nr 42/2021