Научни новини: Нобелови награди 2023

Октомври идва с вълнуващи новини от научния свят, свързани с обявяването на Нобеловите награди – едно от най-престижните признания за учените и своеобразно тържество на познанието, което ни позволява да надникнем в лабораториите и да разберем върху какво работят изследователите. 

По традиция лауреатите се обявяват в началото на октомври, а церемонията за връчване на наградите ще се проведе на 10 декември – датата на смъртта на техния учредител Алфред Нобел.

Медицина/физиология

Наградата за медицина/физиология е присъдена на Каталин Карико и Дрю Вайсман за работата им по модификацията на нуклеозиди, която промени изцяло разбирането ни как информационната РНК (иРНК) взаимодейства с имунната система. Това откритие даде път за разработката на първите иРНК ваксини срещу COVID-19 през 2020 г.

Преди пандемията от 2019 г. създаването на ваксини беше дълъг и труден процес, свързан с доста технологични стъпки. Класическият подход е използването на инактивиран вирус, който не е патогенен, но може да бъде разпознат от имунната система. С напредъка в молекулярната биология и биотехнологиите са разработени ваксини, съдържащи само отделни вирусни компоненти, което драстично намалява риска от грешка в производството и от заразяване на ваксинираните. За целта се взема генетичната последователност, кодираща частта на вируса, към която учените искат да създадат имунитет (най-често капсидната обвивка на вируса), и от нея се синтезира т.нар. рекомбинантен протеин. Този тип ваксини се понасят много добре от организма и може да се прилагат и при хора с отслабена имунна система. Техен недостатък е нуждата от реимунизации.

Друг вид са векторните ваксини – при тях се използва вирус, който е „обезвреден“ чрез премахване на патогенната му способност, и в него е вмъкната генетичната последователност, описана по-горе. След като този вирус ни „зарази“, в клетките ни започват да се произвеждат части от капсида на вируса, срещу който е ваксината. Пример за това е вече добре познатата ваксина на AstraZeneca срещу COVID-19. Въпреки впечатляващите подобрения в технологиите за бързото производство на обеми, достатъчни за справяне с пандемия, са нужни сериозни мощности, които не бяха налични през 2020 г.

Информационната РНК е „матрицата“, по която се изработват протеините в човешкото тяло (както и в почти всички живи организми на планетата). Технологиите за получаване на иРНК в лабораторни условия без използването на клетки (инвитро транскрипция) започват развитието си през 80-те години на миналия век. Още тогава се появяват идеи за приложението на синтетична иРНК в медицината, но учените срещат спънка: клетките на гостоприемника дават силен възпалителен отговор. Въпреки това Карико още тогава смята, че иРНК има терапевтичен потенциал, и когато се запознава с нов колега в Университета на Пенсилвания – имунолога Дрю Вайсман, започва сътрудничество, което ще се окаже много продуктивно.

Един от обектите, към които Вайсман проявява интерес, са дендритните клетки – те са част от имунната система и имат роля при активацията на имунен отговор към ваксини. След като започват да работят заедно, Карико и Вайсман откриват, че тези клетки имат очаквана реакция към стандартната инвитро иРНК, но не и към иРНК от бозайник, която приемат без проблем. Една от спецификите на втората е, че някои от съставните ѝ части са модифицирани. След като правят химична модификация в една от нуклеозидните бази на синтетичната иРНК, сходна с тази при бозайниците, възпалителният отговор на дендритните клетки почти изчезва. Двамата учени осъзнават, че това е липсващото парче от пъзела и потенциалът за терапевтично приложение може да се разгърне. В последващите им разработки се установява, че количеството на отделените протеини в клетките се увеличава вследствие на модификацията. Скоро след публикуването на тези данни започва разработването на иРНК ваксини срещу зика и MERS-CoV.

Това се оказва ключово при избухването на епидемията от COVID-19, защото технологията позволява бързо да се разработи ваксина срещу вируса. Само година след началото на пандемията резултатите са впечатляващи – 95% ефективност на защитата. Успехът потвърждава тезата на Карико, че иРНК терапиите могат да бъдат незаменими в медицината въпреки скептицизма на немалко нейни колеги, и дава поле за пълното разгръщане на потенциала им. BioNTech – компанията, разработила първата одобрена иРНК ваксина (срещу SARS-CoV-2), в момента работи по осем нови (сред тях срещу инфлуенца, туберкулоза и малария), а в Moderna, другата компания с иРНК ваксина срещу заболяването, също тече активна развойна дейност върху над 20 различни терапии.

Освен срещу вируси, технологията позволява да се създадат ваксини и срещу бактерии, както и срещу някои видове ракови заболявания. Изследва се и възможността за удължаване на теломерите, чието скъсяване може би има връзка със стареенето. Възможността за вмъкване на иРНК и синтез на нови протеини съдържа огромен потенциал, който предстои да бъде използван в пълен мащаб. Много е вероятно откритието на Карико и Вайсман, което вече заслужено се описва като историческо, тепърва да донесе много изненади.

Физика

Наградата за физика е присъдена на Пиер Агостини, Ференц Краус и Ан Л’Юийе за внедряването на нови подходи за изследване на света на електроните в атомите и молекулите. Тримата учени са открили начин за излъчване на изключително къси импулси светлина, които могат да се използват за мигновените процеси на движение на електроните или за преминаването им в различни енергийни нива.

Човешкото възприятие е сравнително бързо – зрителната ни система може да различи отделни премигвания на светлина с честота между 50 и 90 Hz. При птиците зрението е още по-развито, като един от рекордите е при жалобната мухоловка, която може да различава светлинни импулси с честота, достигаща 145 Hz, почти три пъти по-бързо от нас. Това е и една от причините гълъбите, които стоят на пътя ни, да излитат в последния възможен момент. Тяхното зрение е толкова бързо, че за тях ние се движим на забавен каданс. Най-вероятно има и доза мързел и арогантност.

Но дори и за жалобната мухоловка движението на електроните ще бъде абсолютно размазано и неясно. При тях промените стават за части от атосекундата. Атосекундата е с продължителност една квинтилионна от секундата (10^-18) – толкова кратка, че в една секунда се съдържат толкова атосекунди, колкото секунди са изминали от създаването на Вселената при Големия взрив преди 13,8 млрд. години.

Тази скорост кара Вернер Хайзенберг (известен с принципа на неопределеност) да изкаже през 1925 г. мнението, че светът на електроните ще остане недостижим за науката. Все пак технологиите напредват и през 80-те години на миналия век са изобретени лазери, които могат да произвеждат импулси с продължителност от порядъка на фемтосекунди (в една фемтосекунда има 1000 атосекунди), с помощта на които може да се наблюдава движението на „тежките и бавни“ атомни ядра.

През 1987 г. Ан Л’Юийе открива, че при преминаването на светлината от инфрачервен лазер през инертен газ се получават много обертонове на светлината – всеки от тях с по-бързо трептене от основната честота на лазера, подобно на обертоновете при струнните инструменти. Това се дължи на взаимодействия на светлината с атомите на газа, придаващи на електроните в тях допълнителна енергия, която впоследствие се излъчва като светлинни вълни. При определени условия те се наслагват, като усилват интензитета на лазерната светлина и я карат да пулсира с период от няколкостотин атосекунди.

Благодарение на продължаващата работа на изследователката през 2001 г. Пиер Агостини успява да получи пулсираща светлина в порядъка на атосекунди. Екипът му постига това, като раздвоява лазерния лъч. След като единият новополучен лъч се пропусне през интернет газ, той започва да пулсира. При събирането на двата лъча получените импулси са с продължителност 250 атосекунди. Междувременно, избирайки различен експериментален подход, Ференц Краус успява да изолира единичен светлинен импулс с продължителност 650 атосекунди, използвайки го да проследи как електроните се отделят от атомите.

Благодарение на постиженията на лауреатите вече можем да наблюдаваме някои изключително бързи процеси в ядрата на атомите – нещо, което доскоро беше невъзможно. За момента изглежда, че основното приложение на откритията ще бъде във фундаменталната наука за изследване на движението на електроните между атоми и изучаване на протичането на химични реакции на атомно ниво. Въпреки това потенциал има и за приложната наука и технологиите. В електрониката биха могли да бъдат използвани за изучаване и контролиране на движението на електроните в даден материал, което би било полезно за производството на по-добри полупроводници. С помощта на атосекундните импулси може да се определят и най-различни молекули, което би имало приложение във фундаменталните и приложните изследвания, както и в медицината.

Химия

Третата присъдена награда е в областта на химията, където победители са Мунги Бавенди, Луис Брус и Алексей Екимов за откритието и синтеза на квантовите точки. Те са изключително малки полупроводникови частици с диаметър от няколко нанометра. Благодарение на тези малки мащаби при тях се проявяват квантови ефекти, които им придават подобрени електрически и оптични свойства. При осветяването им квантовите точки излъчват ярка светлина, чийто цвят зависи от размера на частиците – по-големите излъчват по-червена, а по-малките – по-синя, което позволява с регулиране на размера им да се контролира цветът на светлината, която излъчват.

За възможността за възникване на квантови ефекти в зависимост от размера на частиците учените предполагат още от откриването на квантовата механика. Въпреки че в лабораторни условия може да се създават материали, покрити с тънкослойни квантови точки, за това се изискват изключително висок вакуум и много ниска температура, което е пречка за индустриалното производство.

Първият пробив е в началото на 80-те години на миналия век, когато Екимов установява, че при вариране на температурата и времето за нагряване при добавяне на меден хлорид, в стъклото се получават частици с различен размер, които променят цвета му. Това донякъде е вдъхновено от древните стъклари, които влагат различни метали в разтопеното стъкло, за да му придадат различен цвят. Няколко години по-късно, без да знае за експеримента на Екимов, Луис Брус успява да постигне същите квантови ефекти при частици кадмиев сулфид, които са свободно суспендирани в течност.

Третият лауреат – Мунги Бавенди, постдокторант в лабораторията на Брус, започва работа върху възможността за създаване на квантови точки с прецизни размери. До момента получените размери са случайни и няма как да бъдат използвани в практиката. Бавенди открива, че прецизното контролиране на температурата по време на нарастване на кристали от кадмиев селенид позволява да се регулира скоростта на нарастване и съответно размерът им. Тази технология се оказва решение за създаването на нанокристали с много равномерна форма и размер, които може да се вложат в производството на различна техника.

В момента квантовите точки се използват за създаване на по-добри светодиоди (на тях се базират QLED дисплеите), на прозорци, които са и слънчеви панели, а в областта на биохимията и медицината – за наблюдение на специфични тъкани и органели. Както и при другите наградени открития, учените считат, че това е само началото и то тепърва ще има принос за развитието на много нови технологии, като гъвкава електроника, по-малки сензори, по-тънки слънчеви панели и подобрения в квантовата криптография.