Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-nobelovi-nagradi-2026/

Медицина и физиология

Историята започва с едно подвижно едноклетъчно водорасло, което има свойството да се насочва към светлината с помощта на двете си камшичета. Малките същества имат своеобразно „око“ (червеникаво петно на повърхността си), съдържащо ретинал – молекула, която може да улови енергията на светлината и да я превърне в химическа. Освен че са симпатични, едноклетъчните водорасли впечатляват с изключително бързата си реакция – електрическите импулси, които се генерират при осветяване на окото им, се отчитат само след половин милисекунда. 

Това е изненада за Питър Хегеман, защото според разбирането към началото на 80-те години на миналия век процесът на обработка на тези импулси е по-бавен. Например в човешките очи светлината задейства сложна верига от различни молекули. Те си предават сигнала, докато след около 10 милисекунди той стигне до протеин, който може да образува специален отвор в клетъчната стена, т.нар. йонен канал. Специфичното е, че през него могат да преминат заредени частици (йони), предавайки малък електричен заряд на клетката. Това ѝ дава сигнал да се активира – така например работят невроните и мускулните клетки. 

Хипотезата на Хегеман е, че най-вероятно активирането на йонните канали е следствие на по-прост процес, при който няма междинни стъпки, а каналите се контролират директно от светлината. За съжаление, към онзи момент са познати различни видове йонни канали, но не и контролирани от светлина, поради което идеята не бива приета. 

Хегеман не се отказва, но за следващата стъпка трябва да изчака няколко години, когато японски екип публикува генома на водораслото. С помощта на колегите си измежду всички гени той открива два, за които е много вероятно да кодират фоточувствителни протеини. За да потвърди, че това са търсените гени, Хегеман се свързва с Георг Нагел (с когото впоследствие ще сподели и Нобеловата награда), който има опит в изучаването на сходни протеини и разкриването на тяхната функция.

Експерименталната система, използвана от Нагел, са яйца от обикновената ноктеста жаба (Xenopus laevis). Ако в тях бъде вмъкната кодиращата последователност на някой ген, те могат да произведат неговия протеин, намножавайки го в лесна за наблюдение клетка. Когато бъдат внесени в яйцата, новите протеини се откриват по тънката им мембрана. След редица експерименти предположението на Хегеман се доказва – открити са нов вид йонни канали, които обикновено са затворени, но когато бъдат осветени, се отварят. 

Експериментът е повторен и в клетки от бозайници (човек и хамстер), които също стават светлочувствителни. Двата протеина получават имената channelrhodopsin 1 и 2 (ChR1 и 2), като първият се активира от зелена светлина, а вторият е по-чувствителен към синя. Те се различават и по типа йони, които пропускат – ChR1 е селективен към протони (H⁺), а ChR2 пропуска всякакви положително заредени йони и при осветяването си генерира пик, след което поддържа по-нисък, но стабилен сигнал, ако светлината се задържи.

Публикацията на Нагел и Хегеман заинтригува Дайзерот, чийто екип се фокусира именно върху търсенето на начини за активиране на невронни клетки. След като получават копие от ChR2 от Нагел, Дайзерот и колегите му го вмъкват в неврони от плъх, които отглеждат като клетъчна култура. Въпреки първоначалните тревоги, че въвеждането на ген от водорасло в чувствителните нервни клетки ще наруши нормалната им работа, учените са приятно изненадани – след намесата няма видима вреда. Клетките не само се развиват нормално, но и придобиват нова способност: ако се осветят от синя светлина, те се активират, предавайки сигнала към съседните неврони. Този пробив поставя основата на ново научно поле, за чието съществуване се спекулира от Франсис Крик още в края на 70-те години на миналия век и което Дайзерот нарича оптогенетика.

Светлинното активиране на неврони бързо се прехвърля от клетъчни култури към животни. Един от първите успешни експерименти на Дайзерот е стимулацията на невронни клетки в мозъка на мишки чрез тънка оптична нишка, прокарана през дупка в черепа им. ChR2 е вмъкнат в невронни клетки, специфични за двигателната кора на мозъка (частта, отговорна за движение), което дава възможност на учените да мърдат мустачките на мишката с помощта на син лазер. 

Системата е използвана и за потвърждаване на функцията на нов вид мозъчни клетки, за които се подозира, че контролират състоянието на будност. След като учените ги модифицират и ги вмъкват обратно в мишки, с помощта на светлина мишките могат да бъдат събудени по команда и така се потвърждава очакваната роля на клетките.

Още по-впечатляващо е активирането на специфичен отпечатък върху невроните, появяващ се след създаване на спомен – т.нар. енграма. За целта първо мишките са изложени на среда, в която изпитват страх, като се отбелязват невроните, активни по това време. При светлинно активиране на тези неврони, дори и в спокойна среда, мишките дават същия стресов отговор. Експериментът е повторен при променени условия, като се създава „фалшив спомен“. Стресовите неврони се активират изкуствено в спокойна среда, след което при поставяне на животните в същата ситуация, те се страхуват, без да има причина.

В следващите години технологията се развива значително. Открити са нови протеини, които реагират при други цветове на светлината, давайки възможност за подаване на няколко сигнала едновременно. Това разширява значително възможността за изследване на мозъка и позволява да се определят специализациите на отделните невронни клетки и да се разплитат сложните взаимовръзки между тях. Така са открити невронни групи, които отговарят за усещането на болка, различни социални поведения, жажда, глад и регулация на сложни функции като циркаден ритъм и вдигането на температура при задействане на имунната система.

Освен разкритите възможности за фундаменталната наука, оптогенетиката има потенциал и за медицината. Като се използват знанията от изследвания върху различни психологични и неврологични заболявания, като депресия, тревожност, шизофрения, алцхаймер и паркинсон, е възможно в бъдеще да се създадат устройства, които да регулират невроните, отговорни за заболяването, с идеята да се намалят симптомите. 

Надежда има и за подобряване на кохлеарните импланти, които в момента използват електрически сигнали, за да стимулират звуковите нерви. Ако това може да се прави със светлина, активирането на нервните клетки ще бъде много по-прецизно. В момента се провеждат и клинични изпитвания за терапия на слепи пациенти, като вече има положителни резултати с частично връщане на зрението.

Физика

Неутриното е изключително интересна елементарна частица, която през повечето време лети през пространството със скорост, близка до тази на светлината. То няма електричен заряд, а масата му е пренебрежима, което му дава възможност да преминава през всички препятствия по пътя си, откъдето идва и прозвището му „призрачна частица“, популяризирано от Айзък Азимов. Естествените му източници са различни видове радиоактивен разпад и ядрени реакции, като протичащите в звездите или при експлозии на свръхнови, но може да се генерира също в ядрените реактори и в ускорителите на частици.

Призрачните свойства правят частиците неутрино изключително трудни за изучаване, въпреки че са сред най-разпространените във Вселената – всяка секунда през нокътя на малкия ви пръст преминават около 65 милиарда неутрино, идващи от Слънцето. Но именно защото не взаимодействат с материята, са интересни за учените – тяхната траектория и заряд остават на практика непроменени от момента на напускане на източника си и могат да дадат информация за него. 

Частицата е „видяна“ за първи път през 1956 г. благодарение на напредъка в развитието на атомната енергетика, а малко по-късно е засечено и първото неутрино, излъчено от Слънцето. Но учените срещат проблем – засечените частици са много по-малко от теоретично очакваните. Подсказка защо това е така, идва през 1962 г., когато е открит нов тип неутрино (мюон неутрино), а пълният отговор е разкрит почти 40 години по-късно, когато през 2000 г., е открит и третият тип – тау неутрино. Междувременно е установено също, че частиците могат да сменят типа си по време на необезпокояваното си пътешествие – например един път са мюон, друг път са тау неутрино.

През годините има различни предложения за най-добрия метод за „лов“ на неутрино. Някои физици предлагат използването на големи водни басейни – когато неутрино се сблъска с атомно ядро, се образува заредена частица, която продължава в първоначалната посока на движение, но отделя светлина благодарение на ефекта на Черенков. Това би позволило да се види пътят на неутриното, но и да се определи откъде е дошло. Друга идея е използването на радиоантени, които да „слушат“ за тези сблъсъци, но вместо вода средата да е антарктическият лед.

Тук идва приносът на Халзен: той предлага двете идеи да се комбинират, като се използват фоточувствителни детектори, които да се поставят в дебелия лед на Южния полюс. Идеята му има редица силни страни. На Антарктида вече се води изследователска дейност, дебелият лед е стабилен материал, който е тъмен след определена дълбочина и за разлика от океаните няма обитатели, които да пречат на оборудването. Известен недостатък е трудният достъп, който е възможен само през краткото антарктическо лято.

Така започва работа по пилотна обсерватория, наречена AMANDA. В началото изследователите срещат пречка – в леда има малки мехурчета, които разпръскват светлината от частиците и маскират посоката им. Това кара учените да поставят сензорите по-дълбоко. След преминаването на 1400 метра попадат на изключително чист и хомогенен лед, в който проблясъците могат да пропътуват над 300 метра, преди да угаснат, а това е доста по-далеч от очакваното. Въпреки че обсерваторията работи добре, размерът ѝ се оказва недостатъчен за улавяне на неутрино с много голям заряд, идващи от далечни космически обекти. Потвърждението, че технологията работи, дава зелена светлина за започване на работа по следващата обсерватория. Мащабът на наследника, наречен IceCube, е наистина впечатляващ – детекторът е с обем от 1 кубичен километър, в който на дълбочина между 1450 и 2450 метра са поставени 5160 сензора.

Обсерваторията бързо дава резултат, засичайки частици, които идват от Дълбокия космос. През 2013 г. са засечени 37 неутрино с такъв произход, като три от тях носят изключително висока енергия и са наречени Бърт, Ърни и Голямото пиле (на героите от „Улица Сезам“). Четири години по-късно е уловено неутрино, което е проследено до източника си – блазара TXS 0506+056, който се намира на 3,7 млрд. светлинни години в посока съзвездието Орион. Други две частици пък идват от разкъсването на звезда от черна дупка. А през 2022 г. има новини за открит източник на неутрино в сърцевината на галактиката Messier 77, което дава нова информация за процесите, протичащи в активните галактически ядра.

Работата на обсерваторията продължава и в последните три години са добавени още 600 детектора. Макар че резултатите са добри, Халзен не спира да мечтае и да се надява, че ще бъдат направени още по-вълнуващи открития, които дори могат да бъдат извън очакваното според стандартния модел. 

Когато получава новината за наградата, Халзен вече работи по предложение за нов проект и шеговито отбелязва: „Надявам се, че Нобелът ще помогне да го одобрят.“

Химия

От някои химични реакции се получават две почти идентични молекули, които са огледални една на друга. Сред първите учени, обърнали внимание на феномена, е Луи Пастьор, който дочува от колеги, че понякога винената киселина изкривява поляризираната светлина, а понякога – не. Той се захваща да направи кристали от киселината и наблюдавайки ги под микроскоп, установява, че те имат два огледални варианта, които, ако бъдат разделени и разтворени поотделно, наистина могат да насочат светлината или наляво, или надясно. А когато двете се смесят, светлината не променя посоката си. Веществата, които имат такава способност, биват наречени хирални, а отделните им форми – енантиомери.

Пастьор прави и следващото интересно откритие: бактериите могат да разграждат дясновъртящата винена киселина в гроздето, но изобщо не проявяват интерес към другата форма. Това подсказва, че живите организми имат способността да различават двата варианта. По някаква причина животът на планетата се е развил по хомохирален начин – с използване само на едната форма на веществата. Например аминокиселините, които изграждат белтъците, винаги са лявовъртящи, а захарите – дясновъртящи.

Естественият въпрос е „Защо?“. Какво и как се е случило в зачатъка на живота, което да зададе едната или другата посока? Загадката е голяма, тъй като обикновено от химичните реакции се получават равни количества от двата хирални продукта. Тоест ако се опитаме да синтезираме винена киселина в лабораторията, крайният продукт няма да върти поляризираната светлина, защото ще е равна смес от двете форми. По някакъв неясен начин в гроздето се получава само дясна форма.

Един от първите пробиви по пътя към разгадаването на мистерията идва след откриването на първата асиметрична реакция (при която единият енантиомер се натрупва с предимство) с помощта на хирален катализатор. Неговата хиралност насочва реакцията към едната посока. Ефектът е минимален, но възможността за промяна на съотношението между двата енантиомера дава надежда на учените, че това има как да стане и в лабораториите, а не е някаква тайна, известна само на живите организми. С времето асиметричният синтез е подобрен, като дава много по-добър добив от желаната форма (дясна или лява), което донася и Нобелови награди за химия на учените, поставили основите през 2001 и 2021 г.

Работата на Каган е продължение на тяхната – получаването на възможно най-чисти молекули. Това е от особена важност при производството на медикаменти, защото понякога едната форма на веществата не е просто неактивна, а е вредна за организма.

По това време учените мислят, че съотношението на двете версии на катализатора ще се предаде директно на продуктите от реакцията – хипотеза, която Каган поставя под съмнение, и той прави ново предположение. То се базира на факта, че катализаторите, които се използват в тези реакции, съдържат два компонента – метален атом, който е „двигателят“, и хирална молекула, която задава посоката. Идеята на Каган е, че към един метален атом могат да се прикрепят поне две хирални молекули и така се получават три версии на катализатора – ляво–ляво, ляво–дясно и дясно–дясно.

Докато двата еднопосочни катализатора дават очакваната молекула, съответно лява или дясна, смесеният не само че не работи на случаен принцип (да дава ту лява, ту дясна), а въобще не работи. Това означава, че ако се започне със 75% десен и 25% ляв катализатор, то ефективното съотношение е всъщност 90% към 10%, тъй като смесеният не работи. Този феномен се нарича нелинеен ефект. 

Соай задава следващия голям въпрос: възможно ли е да има асиметрична реакция, която сама да произвежда своя катализатор? След няколко години работа отговорът е положителен. Като се започва с около 2% повече от единия енантиомер на едно вещество, след няколко реакции то се концентрира до 87%. Постигната е първата автокаталитична асиметрична реакция. Успехът не спира Соай, който си поставя още по-амбициозна цел: да постигне пълната хомохиралност, която се наблюдава в природата. Това става след още 8 години – започва се с много малък превес на едната форма, а крайният продукт е съставен почти само от нея. Ако реакцията се остави на случайността, то крайният продукт е този, който е успял да вземе минимална преднина в началото.

Макар и изцяло синтетична, реакцията на Соай дава надежда на учените, че разкриването на тайната на хомохиралността при живите организми е възможна. Откритията на Каган и Соай имат голяма практическа важност, защото позволяват синтеза на изключително чисти медикаменти, пестициди и други вещества, които се прилагат върху живи организми. Нобелът е признание и за предаването на знания в науката, давайки възможност експерименталната нишка да се проследи до един от пионерите на биологията – бележития Луи Пастьор.

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

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.