Научни новини: Нобелови награди 2022

Веднъж-дваж месечно Михаил Ангелов – биолог, агроном и любим нърд от нашия екип, ни представя най-интересните скорошни новини от различни сфери на науката и ще обяснява защо тези постижения са толкова значими за света и човечеството. Или най-малкото – любопитни и забавни.

Началото на октомври винаги е вълнуващо в научните среди. Нобеловите награди са едно от най-големите постижения за всеки учен и позволяват на широката публика да се запознае с работата на пионерите в съответните сфери. В завещанието си Алфред Нобел описва пет области, които да получат признание в негово име: физика, химия, физиология/медицина, литература и мир. Шестата награда – за икономика – съществува от 1968 г. под патронажа на Шведската централна банка (Sveriges Riksbank) по случай 300-годишнината на институцията, но се администрира от Нобеловата фондация.

Лауреатите на тазгодишните Нобелови награди ще получат своите медали и дипломи в Стокхолм на 10 декември – датата на смъртта на Нобел. Имената им са вече известни и в настоящата статия ще се спрем на отличените в първите три области.

Физика

Наградата за физика е поделена между Ален Аспе, Джон Клаузър и Антон Цайлингер за тяхната работа в полето на квантовата механика и квантовите информационни науки, или по-конкретно – за създаването на нови експерименти за проучване на квантовото заплитане.

Интересно свойство на частиците е, че те могат да предават състоянието си една на друга. Ако две заплетени частици (A и B) бъдат изстреляни в противоположни посоки и едната (A) срещне трета (C) и те се заплетат, то C ще предаде свойствата си на B. Този феномен се нарича квантова телепортация и първият такъв експеримент е извършен през 1997 г. от лауреата Антон Цайлингер и неговите колеги. През следващата година колективът провежда разширен експеримент – предаване на информация между две двойки заплетени частици (A и B, C и D). Така се установява, че при срещата и заплитането между B и C информацията от A се предава на D. Тъй като при измерването на едната частица информацията се губи и в заплетената с нея, това е единственият начин да бъде пренасяна квантова информация на разстояние.

Експериментите на Цайлингер и екипа му дават възможност за пренасянето на заплетени фотони през оптични влакна и така отварят вратите за изграждането на квантови мрежи. Конвенционалните технологии не работят при тях, защото за усилване на сигнала е нужно прочитането и препредаването му, което би унищожило информацията, носена от фотоните.

Изненадващото е, че преносът на информация е мигновен – това означава, че се постига скорост, по-висока от тази на светлината, което нарушава специалната теория на относителността. Десетилетия преди доказването на ефекта от екипа на Цайлингер, в мисловен експеримент Айнщайн проявява скептицизъм и пренебрежително нарича ефекта „призрачно действие на разстояние“, като заедно с Борис Подолски и Нейтън Розен описва парадокса на Айнщайн–Подолски–Розен. Според него или е възможно незабавно отдалечено действие на разстояние върху една частица при наблюдение на другата (като се нарушава специалната теория), или квантовата механика дава непълно описание на света и в частиците има „скрита информация“, която става видима при наблюдението им – тяхното състояние е предрешено още при заплитането им.

Размишлявайки по този въпрос, през 1964 г. физикът Джон Стюарт Бел публикува статия, на базата на която е дефинирана т.нар. теорема на Бел. Според нея съществува експеримент, който може да установи дали присъства подобна скрита информация. Ако това е така, при многократно повторение на експеримента зависимостта между резултатите ще бъде по-малка или равна на определена стойност (неравенство на Бел). Квантовата механика не следва това неравенство и според нея зависимостта ще бъде по-висока, отколкото ако съществува скрита информация.

Осем години след тази публикация Джон Клаузер с помощта на свои колеги извършва практически експеримент, с който проверява това предположение. Екипът използва установка за излъчване на два заплетени фотона, за които се знае, че са успоредно поляризирани, но не и в каква посока. На пътя на всяка частица има поляризационен филтър, като ъглите на филтрите се променят така, че понякога да преминават и двете частици, понякога – само едната, а понякога – нито една от двете. След многократни повторения Клаузер и колегите му събират достатъчно данни, с които показват, че неравенството на Бел е нарушено.

Поради някои особености на експерименталната постановка (неефикасност, филтри с фиксиран ъгъл) се повдига въпросът дали това не е проблем и дали е възможно да се засичат само частици със силна взаимна зависимост, което би довело до отхвърляне на резултата. Ален Аспе дава отговор на това, създавайки по-чувствителен и по-бърз метод, при който информацията в кой филтър ще попадне фотонът, не достига до излъчилия го източник. Така съмненията в експеримента на Клаузер отпадат и мистерията е разплетена – няма скрита информация и квантовата механика е валидна.

Въпреки че учените не знаят как работят тези механизми, които пасват добре на крилатата фраза на Артър Кларк, че „всяка достатъчно напреднала технология е неразличима от магия“, от откритията следват много практически приложения в квантовите изчисления, криптография и пренос на данни, които тепърва предстоят. Например изграждането на „квантов интернет“ не само ще осигури мигновено получаване на информацията, без значение какво е разстоянието, но и ще гарантира сигурност, защото данните ще могат да бъдат прочетени само веднъж от определения получател.

Химия

Наградата за химия е присъдена на Каролин Бертоузи, Мортен Мелдaл и Бари Шарплес за разработването на т.нар. клик химия и биоортогонална химия.

В процеса на милиони години еволюция живите организми са развили способността да произвеждат изключително широк набор от вещества. Клетките им са като малки химични фабрики, в които постоянно протичат различни реакции и едни молекули биват разграждани, за да се получат други. Целият метаболизъм на организмите е низ от подобни процеси.

С помощта на химичния синтез учени и технолози могат да пресъздадат това, произвеждайки най-различни молекули, които много често са вдъхновени или директно копирани от природата. Те може да са витамини, антибиотици, пестициди. За съжаление, процесът невинаги е лесен и за синтезирането на по-сложните целеви молекули са нужни множество стъпки, всяка от които има своите особености. Понякога пречките са свързани с по-ниската ефективност на реакцията, друг път – с получаването на допълнителни продукти, които трябва да се премахнат преди продължаване на процеса. Това затруднява и оскъпява производството.

През 2001 г. колектив с участието на Бари Шарплес публикува статия, в която се изказва тезата, че вместо да се концентрира върху създаването на идентични на природните молекули с химични връзки, което се постига трудно, синтезът трябва да бъде насочен към такива молекули, чиито компоненти се свързват бързо и получените продукти са стабилни. Авторите на статията наричат това клик химия – процес, при който съставните части просто „щракват“ една с друга, без усложняващи реакцията фактори.

Скоро след това екипите на Бари Шарплес и Мортен Мелдал, независимо един от друг, откриват практическо приложение на тази идея, което покрива и две от важните ѝ изисквания – да протича при нормална температура и във водна среда. Те показват, че бързо и без странични продукти може да се създаде стабилна връзка между две химични групи (алкини и азиди), като се използва химическият елемент мед за катализатор на реакцията.

Това разкрива много хоризонти, тъй като с добавянето на тези две групи към различни молекули те вече могат да се свързват лесно и ефективно. Често срещана аналогия е със сглобяването на „Лего“ – стига нужните части да са налични, те може да се комбинират в най-различни вариации, образувайки нови, по-големи молекули. Така се дава възможност за по-бързо и икономически изгодно създаване на нови материали, наноструктури, биологично активни вещества и други. Употребата на клик реакциите вече има практическо приложение в производството на медикаменти.

С това свое постижение Шарплес става пети член на изключителния клуб на двукратните Нобелови лауреати. С първата награда е удостоен през 2001 г. за работата си върху улесняването на реакции за добавяне на кислород към молекули, към които впоследствие може да се прикачат други атоми – стъпка за изграждането на по-сложни продукти.

Каролин Бертоузи, третата носителка на тазгодишната награда, развива и адаптира този метод за приложение в клетъчната биология.

Гликаните са полизахариди, които се срещат често по повърхността на клетките и вземат участие в много биологични процеси – например във взаимодействието между вирусите и клетките. Поради това те са важен, но същевременно сложен обект за изследване в живи организми, защото, за разлика от нуклеиновите киселини и протеините, тяхното изолиране и локализиране е трудно. Идеята на Бертоузи е да бележи тези молекули, но по начин, който не пречи на нормалното функциониране на клетките – подход, който тя нарича биоортогонален.

Основите за това тя полага още преди създаването на термина клик химия, с помощта на вече позната реакция между две химични групи – азидна и фосфорсъдържаща. Целта е да се създаде модифициран въглехидрат с вмъкната азидна група, с който да се захранят клетките, а те от своя страна да го включват в гликаните по повърхността си, без това да наруши тяхното развитие.

След като откритието на Шарплес и Мелдал става известно, Бертоузи осъзнава, че към азидните групи лесно може да бъде прикачено флуоресциращо багрило, което има алкин в структурата си. Пречка за това е използваният катализатор – в по-високи концентрации медта е отровна за живите организми. Преодоляването на тази спънка става благодарение на използването на подход от 1961 г., при който връзката се установява чрез промяна на конформацията на едната група – иначе казано, пространственото разположение на нейните атоми. Тази клик биоортогонална реакция без мед е успешно приложена за визуализация и проследяване на гликани в клетките, което дава възможност за непознат досега поглед върху движенията и взаимодействията им с вируси и други клетки.

Област, в която методът намира пряко приложение, е изследването на туморни клетки. Интересно откритие е, че някои от тях са покрити със специфични гликани, които ги предпазват от имунната система. За да предотвратят това, Бертоузи и екипът ѝ са създали медикамент, който в момента е в процес на клинични изпитвания. С помощта на ензими той разгражда гликаните по повърхността на туморните клетки, давайки възможност на имунната ни система да ги атакува.

Физиология/медицина

В тази категория призът се връчва на Сванте Пеебо за откритията му в областта на човешката еволюция и геномите на изчезнали хоминини.

Произходът ни е въпрос, който от древни времена занимава хора от най-различни области – философи, теолози, естествоизпитатели, биолози. Въпреки близките прилики с другите човекоподобни, какво ни прави уникални в способността да овладеем природата и да я подчиним на волята си? Именно на този въпрос е посветена научната кариера на Пеебо – показвайки как се е оформил съвременният човек (Homo sapiens), какъв път сме извървели до днес и с кого сме се срещнали по него.

Наличната информация сочи, че Европа и Западна Азия преди около 400 000 години са били населени от неандерталците – наш близкородствен вид, който изчезва преди 30 000 години. Homo sapiens се появява преди 300 000 години в Африка, а преди 70 000 години отделни групи се преселват към Близкия изток, откъдето по-късно видът се разпространява по цялата планета. Един от основните начини да разберем как са съжителствали двете групи в продължение на десетки хиляди години, е да вникнем в техните геноми.

Ключов за това е мащабният проект за прочитане на целия човешки геном Human Genome Project, започнал към края на миналия век. В него са инвестирани много ресурси и технологията за секвениране на ДНК бележи изключителен прогрес за много кратко време. Публикуването на целия човешки геном през 2001 г. е едно от особено важните научни постижения. Но за да бъдат сравнени отделните геноми, е нужен и този на неандерталците. И тук изниква сериозна пречка – налага се извличане на ДНК от кости на 40 000 години, което въпреки модерните технологии не е лека задача. С времето генетичният материал деградира и се накъсва, а наред с това се натрупват замърсявания от различни източници – от микроорганизми или от самите изследователи.

Тук се включва Пеебо – след като защитава докторската си дисертация, той започва да разработва методи за изолация на ДНК от такива стари проби. Първоначално работата му се концентрира върху митохондриите – това са клетъчни органели (структури, отговарящи основно за енергийния метаболизъм на клетките), които носят собствен, многократно по-компактен генетичен материал. Поради малкия размер на митохондриалния геном и по-големия брой негови копия (всяка клетка носи само едно ядро, но множество митохондрии) това е добра първа стъпка, която позволява да се усъвършенства процедурата за работа с древна ДНК.

Любопитен факт е, че тъй като митохондриите се наследяват само от майката, информацията в тях може да се използва за генеалогични проучвания и в полето на еволюционната биология за проследяване на наследственост и близкородственост. След като успешно се справят с тази задача, Пеебо и колегите му се фокусират върху основната си цел и през 2010 г., с помощта на разработените от тях методи и съвременните технологии за секвениране, те публикуват неандерталския геном.

Малко преди това, през 2008 г., в Денисовата пещера в Сибир са открити останки, датирани на 40 000 години. Оказва се, че генетичният материал в костите е изключително добре запазен, и използвайки натрупания опит, през 2012 г. колективът на Пеебо публикува генома от тези останки. Откритието от пещерата се оказва сензация, тъй като при сравняване на резултатите учените установяват, че костите са от досега неизвестен родственик на хората – Денисовия човек. Вече са намерени останки и от други индивиди както в същата пещера, така и в пещери в Китай и Лаос.

Тези открития разкриват интересна картина на съвместен живот на три отделни групи – неандерталците, концентрирани в Европа и Западна Азия, денисованците, обитаващи предимно Източна Азия, и съвременния човек, който с времето се разпространява глобално. Геномните изследвания показват, че съжителството е било изключително близко. Останките на един от откритите индивиди са на млада жена, чиято майка е била неандерталка, а бащата – денисованец.

Но тези взаимовръзки не са останали само в миналото. От получените данни вече знаем, че между 1 и 4% от генома на съвременните хора с европейско и азиатско потекло са с неандерталски произход, докато в популациите от Меланезия и части от Югоизточна Азия се откриват до 6% ДНК от Денисовия човек. Тази информация е не само от историческо, но и от медицинско значение. Голям процент от тибетците носят разновидност на гена EPAS1, която подобрява транспорта на кислород в тялото, давайки им предимство във високите планини, където въздухът е по-рядък. Този белег е открит в генома на денисованците и се предполага, че е наследен от тях. От тях и от неандерталците сме получили и гени, участващи в имунната ни система. Наблюдението, че тя е по-активна при хора с африкански произход, като при тях се срещат по-често и автоимунни заболявания, затвърждава нуждата от запознаване с нашите предшественици, за да можем да дадем по-добър шанс на потомците си.

Сванте Пеебо върви по пътя на своя баща Суне Бергстрьом, който преди точно 40 години е удостоен с Нобелова награда в същата категория за открития, свързани с простагландините и техните съединения. Това са физиологично активни липиди, които се срещат в почти всяка тъкан в животинското тяло и имат действие, сходно на хормоните. Основавайки изцяло новото научно поле на палеогеномиката, Пеебо ни позволява да надникнем назад във времето и да разберем повече за своя произход.

Заглавно изображение: Микроскопска снимка на стъбло на едногодишен бор, напречен разрез, 100х увеличение. Източник: BCC Bioscience Image Library, CC0 / Flickr