Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-nobelovi-nagradi-2025/

Медицина и физиология

В ежедневието си се срещаме с безброй микроорганизми, които заплашват нашето здраве. Те са навсякъде около нас – във водата, храната, въздуха. За справяне с тях еволюцията ни е предоставила изключително мощно оръжие – имунната ни система, без която не бихме оцелели.

Тя се състои от различни класове клетки, всеки с различна функция. Т-клетките (наречени така, тъй като съзряват в тимуса) са един от класовете и от своя страна се разделя на няколко подкласа. Един от признаците за това разделение са протеините, намиращи се по клетъчната им обвивка: клетки с протеин CD4 (важни за днешната история), които помагат на имунната система, насочвайки другите клетки към проблемни места; клетки убийци с протеин CD8, в състояние да унищожават клетки, в които протичат нежелани процеси; клетки на паметта и други видове.

Много впечатляваща способност на имунната ни система е, че тя успява да бъде изключително специфична – напада само неприятели, които заплашват нашето здраве, но не и здравите клетки на тялото ни. Колкото и да е добра в това обаче, понякога стават грешки и така възникват автоимунните заболявания. Те могат да бъдат изключително тежки, ето защо изясняването как точно се осъществява контролът на имунния отговор занимава учените от дълго време.

Един от процесите, отговорни за това, е т.нар. централен толеранс. Той протича в тимуса, където Т-клетките минават проверка и тези, които биха атакували тялото ни, се отстраняват. Въпреки че механизмът работи в повечето случаи, някои от Т-клетките успяват да се измъкнат, създавайки проблеми в организма. Това кара учените да заподозрат съществуването на допълнителни начини за контрол на тези клетки.

Така се ражда хипотезата за съществуването на „супресорни Т-клетки“, които могат да потиснат имунния отговор. Според нея в генома има участък, кодиращ функционалността на тези клетки. Хипотезата набира скорост през 70-те години на миналия век, но уви, по това време технологиите не позволяват прецизно разделяне на различните видове Т-клетки, поради което публикуваните резултати понякога не съвпадат напълно или дори си противоречат. И когато в началото на 80-те става ясно, че такъв участък в генома не съществува, хипотезата бързо изчезва от вниманието на учените.

По това време японски учени получават интересни резултати – когато тимусната жлеза на тридневни мишлета се премахне оперативно, имунната им система излиза извън контрол, водейки до автоимунно заболяване. Но ако в мишлетата се инжектират помощни Т-клетки от възрастен донор, остават здрави. Това повдига въпроса как помощните Т-клетки, които би трябвало да активират имунната система, я потискат. Може би все пак супресорните Т-клетки съществуват?

Един от тези японски учени е бъдещият нобелов лауреат Сакагучи. Вдъхновен от резултатите, той посвещава следващите над десет години в търсене на тези клетки и през 1995 г. обявява съществуването им. По-късно са наречени „регулаторни“ Т-клетки (Treg), като характерното за тях е, че освен обичайния за помощните Т-клетки протеин CD4 носят още един на повърхността си – CD25. Екипът на Сакагучи демонстрира, че ако експериментът с мишките се повтори, за спиране на автоимунното заболяване е достатъчно инжектирането само на този тип клетки. За съжаление, тъй като CD25 се намира в малки количества и по другите помощни Т-клетки, новооткритите клетки не могат да бъдат напълно отделени от тях. Липсата на специфичен маркер за Treg поставя бариера пред по-нататъшната работа за установяване на тяхната функционалност.

В този момент в историята се включват мишки с далечен прародител, изложен на радиация. По време на разработването на атомната бомба се извършват и експерименти за установяване на ефекта от радиацията върху животни. При някои облъчени мишки се наблюдават проблеми с козината и кожата, в някои вътрешни органи, както и кратък живот. Това заинтригува учените и те създават нова линия мишки с тежко автоимунно заболяване, наречена scurfy. По време на развъждането им се установява, че заболяването се проявява само при мъжките мишки, което насочва учените към мишата X хромозома. Тъй като автоимунното им заболяване засяга множество органи, намирането на причината за възникването му е от голям интерес за учените.

Тук се включва биотехнологичната компания Celltech Chiroscience, и по-конкретно двамата бъдещи нобелови лауреати, които работят там – Брънкау и Рамсдел. Бавно и методично те започват проучване на мишата X хромозома, като успяват да стеснят участъка, където се намира мутацията, до около 500 000 бази от 170-те милиона на цялата хромозома. В този участък те откриват около 20 гена, които са потенциалните виновници за заболяването. След като в продължение на няколко години Брънкау и Рамсдел ги проверяват един по един, последният ген се оказва този, чиято промяна води до силния автоимунен отговор. Непознатият към онзи момент ген е структурно сходен с гените от групата forkhead box, поради което го наричат Forkhead Box P3, или за по-кратко Foxp3.

Щом откриват гена, Брънкау и Рамсдел правят интересен паралел с човешкото автоимунно заболяване IPEX, което също се проявява при момчета и е с генетичен механизъм, локализиран на X хромозомата, като подлежи на терапия чрез трансплантация на стволови клетки. Анализирайки човешкия аналог на Foxp3 при пациенти с IPEX, те потвърждават, че причината е мутация именно в този ген.

След като това става ясно, екипът на Сакагучи бързо прави връзка между двете открития – Foxp3 се активира само в Treg клетките, правейки възможна тяхната уникална функция. Ако генът е повреден, те губят способността си да контролират клетките, изплъзнали се от централния толеранс.

На базата на това познание вече се работи по създаването на нови терапии. Установено е, че туморните образувания привличат множество Treg клетки, за да потиснат активността на имунната система и да се предпазят от нея. В момента се търсят начини, по които да се намали количеството Treg клетки, така че тялото само да се справи със заболелите тъкани. Друго потенциално приложение е терапия на автоимунни заболявания – специфични за пациента Treg клетки се намножават в лаборатория, след което се инжектират отново в него с идеята това да повиши общия им брой в организма. В лабораторията те също могат да се модифицират, така че да бъдат насочени към конкретно място в тялото, например трансплантиран орган, който да бъде предпазен от имунната система.

Освен огромния принос на лабораторните животни към развитието на медицината и науката като цяло, тазгодишната награда за медицина и физиология показва и колко е важно учените да проявяват наблюдателност, постоянство и любопитство. От забелязването и запазването на мишките, страдащи от странно заболяване, през вярата на Сакагучи и плуването му ако не срещу течението, то поне в съседен коридор, до правенето на връзки с човешката генетика и създаването на нови терапии за автоимунни заболявания.

Физика

Квантовите компютри крият голям потенциал, който все още не можем да овладеем напълно. Те са изградени от изключително специфични части, които по същество не се държат както повечето обекти в нашето ежедневие. Нобеловата награда за физика тази година е признание за учените, които вникват в това какви процеси протичат и какво практическо приложение могат да имат в системите, които стават основа на днешните квантови компютри.

За да разберем какво точно е откритието на лауреатите, първо трябва да се вмъкнем в дебрите на квантовата физика и да разгледаме два феномена.

И двата ефекта протичат в микроскопични мащаби с едни от най-простите частици, изграждащи материята. Пресечната точка между тях е в електрическа схема, наречена контакт на Джоузефсън. Това е система, състояща се от два свръхпроводника, между които е поставена непроводяща бариера. От време на време куперовите двойки успяват да преминат през тази бариера, като прехвърлят квантовото състояние от единия свръхпроводник в другия без подаване на напрежение. За математическото моделиране на процеса Брайън Джоузефсън получава Нобелова награда за физика през 1973 г.

В началото на 80-те години на миналия век възниква въпросът дали в тези контакти може да се наблюдава тунелен преход в макроскопски мащаб – движение на милиарди електрони в синхрон. Предположението е направено от Антъни Легет, който през 2003 г. също получава Нобелова награда за физика. Тази хипотеза заинтригува тримата настоящи лауреати и те се заемат със създаването на специална опитна установка, с която да я изпитат. Поради много ниските температури и случайния характер на прескачането установката трябва да бъде изключително прецизна, за да се изключи влизането на външна енергия в системата, което би дало фалшиво позитивен сигнал.

С помощта на новосъздадения уред триото учени провежда няколко ключови експеримента. При нормална температура системата се придържа към класическите модели – за преминаване на бариерата (протичане на напрежение) е необходимо да се подаде енергия. Но под определена температура тя започва да работи като свръхпроводник и в закономерни интервали през нея протича напрежение. Това ясно потвърждава, че целият контакт на Джоузефсън се държи като една голяма квантова единица – всички куперови двойки в него са квантово идентични. Щом потвърждават хипотезата, учените също показват, че схемата има дискретни нива на енергия, подобно на атомите. 

На практика устройството, което създават Джон Кларк, Мишел Деворе и Джон Мартинис, е своеобразен кюбит – градивната единица на квантовите компютри. В последващи експерименти Мартинис показва, че използвайки различните нива на енергия в системата, тя може да съхранява информация под формата на 1 и 0. Това е и фундаменталният практически принос на откритието на лауреатите – те полагат основите за създаване на ново поколение изчислителни машини.

Признание за това са и новите поприща на двама от тях, след като напускат академичните среди – Мартинис е част от екипа на Google, разработващ квантови компютри, в периода от 2014 до 2020 г., след което създава свой стартъп. Деворе поема ръководството на отдела за квантови компютри на технологичния гигант през 2023 г.

Химия

Едно от интересните умения на хората е да черпят вдъхновение от природата и да променят сътвореното от нея. Пример за това са много материали в нашето ежедневие, които сме взели от нея, а после сме ги преработили и подобрили. Но със сигурност не е лесно – измислянето на нов клас материали е постижение, с което не могат да се похвалят мнозина.

Ричард Робсън е един от тях – той е бащата на т.нар. метало-органични структури (МОС). Идеята за създаването им го осенява, докато подготвя модели на молекули за упражнения по химия. Тогава Робсън се замисля как би изглеждала молекула, в която има метални звена, свързани с органични молекули.

Първата структура, която хрумва на Робсън, е сходна с диамант, в който въглеродните атоми използват четирите си връзки, за да се свържат под формата на пирамида с други въглеродни атоми. За техен аналог той използва медни йони, които също като въглеродните атоми могат да направят четири връзки, а за свързващи звена използва органична молекула с четири „ръце“, които могат да се захванат за четири медни йона.

Една от впечатляващите характеристики на тази структура е, че тъй като отделните метални звена са свързани не директно едно с друго (както е в плътните диаманти), а с по-дълги елементи, в нея има големи празни пространства. Робсън установява, че при образуването на структурата празнините са пълни с разтворителя, в който протича реакцията, но той не е затворен там, а може да се движи през тях.

След като създава първия по вида си нов материал, той продължава с експериментите си, правейки други структури с по-различни свойства – например структура, която може да приема избирателно само определени вещества в празнините си. Като пионер той изказва редица хипотези, които предстои да се потвърдят – това, че структурите могат да запазят формата си, дори и без празнините да са пълни, както и възможността за заключване на молекули, които катализират реакции. Това би ги направило изключително впечатляващи катализатори за химическата индустрия поради избирателната им пропускливост и голямата им площ.

За съжаление, в началото структурите на Робсън не привличат огромно внимание. Те имат интригуващи свойства, но са нестабилни и поради пълната си новост учените могат само да изказват хипотези за потенциалните им приложения.

Тази „безполезност“ привлича Китагава, който смята, че за да бъде нещо интересно, не е задължително да бъде полезно. Това се случва и с първата МОС, създадена от него – двуизмерна структура, в която може да се улавя ацетон и която засега няма особено практическо приложение. Въпреки трудностите с намирането на финансиране той продължава да се занимава с тези структури и след няколко години създава МОС, която може да бъде изсушена и да остане стабилна, а в празнините ѝ да се абсорбират различни газове, като метан, кислород и азот. След това постижение той се концентрира върху създаването на гъвкави МОС. Изградени по подходящ начин, те биха могли да функционират като бял дроб.

Паралелно с японеца работи третият лауреат – Омар Яги. Той е роден в семейство на палестински бежанци в Йордания и когато е на 15 години, заминава за САЩ, където открива любовта си към химията. Докато Китагава се занимава с гъвкавите структури, Яги се фокусира върху създаването на изключително стабилни структури, издържащи на високи температури. Една от тях, която се налага като крайъгълен камък в дизайна на МОС, е MOF-5. Свойствата ѝ са главозамайващи – тя остава стабилна дори при 300℃ и е изключително порьозна. Един грам от нея има площ от 2900 кв.м – представете си как нагъвате половин футболно игрище в зарче.

С времето екипът на Яги създава още по-впечатляващи МОС – например MOF-210 има три пъти по-голяма площ от MOF-5. Някои от тях имат и пряко приложение: една от тях има способността да задържа въглероден двуокис, а друга – да поема влага от въздуха, която после да освободи при нагряване.

Въпреки че все още могат да бъдат описани като „нов материал“, полезните свойства на МОС вече не са под въпрос. Поради богатото разнообразие от молекули и метални йони, от които е възможно да бъдат изградени, те могат да имат изключително различни структури и функционалности, което ги прави ценни за редица индустрии. Сами по себе си МОС биха заинтригували малцина. Но продуктите, на които могат да станат основа (събиране на вода от пустинния въздух, пречистване на вода, съхранение на водород), пленяват вниманието и показват колко обещаващи са всъщност.

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-nobelovi-nagradi-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.