Как открытия нобелевских лауреатов изменят мир

Гравитационные волны, слияния черных дыр, криоэлектронные микроскопы и «клеточные часы». «Фонтанка» объясняет, за что в этом году ученые получают Нобелевские премии.

Нобелевская неделя в самом разгаре. В понедельник были объявлены лауреаты по физиологии и медицине, во вторник – по физике, в среду – по химии. «Фонтанка» решила сосредоточиться на старейших научных Нобелевских дисциплинах и выяснила, каким образом открытия химиков, физиков, медиков и физиологов уже совсем скоро сделают жизнь человечества лучше или, как минимум, интереснее.

«Клеточные часы» плодовых мушек

Нобелевская неделя стартовала с объявления победителей премии в области физиологии и медицины. Награда, денежное выражение которой в этом году было увеличено с 8 до 9 млн шведских крон, что равняется приблизительно 1,12 млн долларов, досталась ученым из США.

Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг были удостоены премии за открытие молекулярных механизмов, регулирующих циркадные ритмы организма. Проще говоря, речь идет о так называемых «клеточных часах», которые регулируют интенсивность различных биологических процессов, связанных со сменой дня и ночи.

Используя данные, полученные в результате наблюдения за плодовыми мушками, ученые открыли и описали ген, который регулирует процесс накопления в клетке белка в ночное время и его деградацию в течение дня. Точно такие же процессы проходят в организме спящего или бодрствующего человека. «Ученые смогли заглянуть внутрь наших биологических часов и показать их работу», – отметили в Нобелевском комитете Каролинского института Стокгольма, одного из крупнейших медицинских вузов Европы.

Сон – это чудо природы

«Закрепленные генетически биоритмы, проще говоря смена дня и ночи, – это основа жизни любого организма, – рассказывает главный геронтолог Петербурга, член-корреспондент РАН Владимир Хавинсон. – Нарушение биоритма влияет на сокращение срока жизни и приводит к ряду патологий, вплоть до возникновения рака».

По словам Хавинсона, лауреаты Нобелевской премии этого года наконец-то выявили гены, которые регулируют процессы, выраженные старинной поговоркой: «Рано ложиться и рано вставать – болезней и горя не знать». Что же касается практической значимости открытия американских физиологов, то, как пояснил «Фонтанке» геронтолог, она заключается в создании препаратов, позволяющих искусственно регулировать биоритмы. «Представьте, какой стресс испытывает человек при межконтинентальных перелетах, при ночной работе или работе в удаленных уголках планеты, – рассказывает Владимир Хавинсон. – Теперь, зная механизм регуляции биоритма, можно его целенаправленно корригировать. В этом главная ценность открытия».

Владимир Хавинсон также дал простой совет всем тем, кто хочет сохранить свое здоровье и даже продлить жизнь. «Известно, что все долгожители рано ложатся и рано встают. Ложиться спать надо до полуночи. При этом спать нужно в темноте. В период белых ночей закрывайте плотно шторы. И по возможности спите хотя бы часик днем, – рассказал главный геронтолог Петербурга и процитировал Шекспира: – "Сон – это чудо матери-природы. Вкуснейшее из блюд в земном пиру"».

«Новая эра в биохимии»

Нобелевская премия по химии в этом году достанется Жаку Дюбоше (Швейцария), Иокиму Франку (США) и Ричарду Хендерсону (Великобритания) за разработку криоэлектронной микроскопии для определения структуры молекул с высоким разрешением в растворе. В пресс-релизе Нобелевского комитета отмечено, что этот метод позволяет заполнить множество пробелов в научных знаниях и, по сути, «открывает новую эру в биохимии».

Заслуга группы ученых, удостоенных в этом году «нобелевки», в том, что они усовершенствовали известный и ранее метод криоэлектронной микроскопии и получили высококачественные 3D-изображения молекулы белка в его естественной среде, то есть в растворе.

О том, как работает криоэлектронный микроскоп и как получают высокоточные изображения молекул, «Фонтанке» разъяснил кандидат биологических наук, доцент СПбГУ Павел Зыкин. «Белки всегда находятся в водной среде. Раньше для изучения их вынимали из этой среды, то есть сушили или кристаллизировали, что сказывалось на качестве образцов. При этом биологов и химиков прежде всего интересовали происходящие в белках процессы в их естественном состоянии, то есть именно в водной среде», – рассказывает Павел Зыкин.

«Каждый знает, что если банку с водой поставить в холодильник, то вода кристаллизуется, расширяется и банка лопается, – продолжает рассказ кандидат биологических наук. – Такой неприятности (то есть кристаллизации. – Прим. «Фонтанки») в случае с белками можно избежать, если замораживать воду очень-очень быстро. Такое состояние воды называется аморфным льдом и позволяет сохранить нативное, то есть близкое к исходному, состояние вещества».

«Проблема заключалась в том, что исходный образец под пучком ускоренных заряженных частиц в микроскопе сильно повреждался, что также сказывалось на качестве получаемых данных, – продолжает «погружение на молекулярный уровень» сотрудник СПбГУ. – Охлаждение молекулы решило и эту проблему. Образцы молекул в микроскопе смогли довольно долго оставаться в стабильном состоянии даже под мощным пучком электронов, скорость которых достигает скорости света».

На развитие этого метода повлияло также и усовершенствование алгоритмов обработки получаемых изображений. «Помните, как работали старые телевизоры, когда антенна плохо настроена? Так же и здесь. Ученым удалось усовершенствовать алгоритмы, убрать шум и помехи и получить более четкие изображения, – рассказывает Павел Зыкин. – Сейчас разрешения этих изображений доходят до 2 ангстрем, это 0,2 нанометра. Очень хорошие показатели. Главное, что ученым помимо 3D-визуализации молекулы, удалось получить ее численные значения и узнать, каким именно образом в ней распределены электроны».

По словам ученого, в будущем этот метод позволит разрешить многие проблемы, связанные с работой белков. «Благодаря этому инструменту мы можем понять, как сложены эти биомашины, ведь белок – это последовательность аминокислот. Эти знания в будущем позволят модернизировать белковые молекулы – ферменты», – объясняет Павел Зыкин.

«Все слышали про генетически модифицированные организмы, растения и бактерии. Не секрет, что весь инсулин, который сейчас используется, получается из генетически модифицированных бактерий. В будущем, зная структуру того или иного фермента, ученые смогут целенаправленно ее менять, подгонять под наши требования и использовать. Правда, все это лишь в перспективе», – делится своими соображениями собеседник «Фонтанки».

Праздник LIGO

Нобелевская премия по физике в этом году досталась группе ученых из США. Лауреатами стали Райнер Вайс, Барри Бариш и Кип Торн, который прославился в далеких от науки кругах, когда консультировал режиссера Кристофера Нолана во время съемок фильма «Интерстеллар». Награда нашла героев за обнаружение гравитационных волн, посланных примерно миллиард лет назад в результате слияния двух черных дыр.

14 сентября 2015 года детекторы LIGO зафиксировали долетевшие до Земли гравитационные волны, вызванные глобальным событием, произошедшим на границах наблюдаемой Вселенной порядка миллиарда лет назад. Речь идет о слиянии двух черных дыр с мгновенным выделением энергии, равной энергии всех звезд видимой части Вселенной.

Гравитационные волны были зафиксированы детекторами LIGO. Этот проект (LIGO – англ. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) включает в себя две обсерватории, которые находятся в 3 тысячах км друг от друга – в штатах Вашингтон и Луизиана, а также гигантские измерительные приборы, работающие по принципу интерферометров. Каждое из этих сооружений представляет из себя Г-образный вакуумный тоннель, состоящий из двух четырехкилометровых плеч и оснащенный системой зеркал.

Подробнее о том, как работают системы LIGO, а также о гравитационных волнах и теории Эйнштейна «Фонтанка» говорила на этой неделе с астрофизиком, ведущим научным сотрудником Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга Сергеем Поповым. Интервью с ним можно найти на официальной странице «Фонтанки» на YouTube.

В четверг, 5 октября, объявлено о присуждении Нобелевской премии по литературе британскому писателю японского происхождения Кадзуо Исигуро, которого критики сравнивают британским Набоковым. 6 октября сообщат имя лауреата премии мира, а 9-го числа станет известно, кто получит шестой, неофициальный, «нобель» – так называют премию Шведского национального банка по экономическим наукам. Церемония награждения лауреатов Нобелевской премии традиционно проходит в Стокгольме 10 декабря, в день кончины основателя премии — шведского бизнесмена и изобретателя Альфреда Нобеля.

Даниил Ширяев,
«Фонтанка.ру»

© Фонтанка.Ру