Научные "Нобелевки" 2013: Волшебные пузырьки, бозон Хиггса и имитация жизни

- Для чего у кошки хвостик?
- Я не знаю, я агностик.
Линор Горалик

С каждым годом научные достижения и соответствующие научные премии становятся все менее понятными человеку "не в теме". В 1995 году Нобелевскую премию по химии вручили за "работу по атмосферной химии, особенно в части процессов образования и разрушения озонового слоя" – слова "атмосфера" и "озоновый слой" сейчас знакомы даже детям). В 2013 премия по химии присуждена за "создание многомасштабных моделей комплексных химических систем". И если вы не студент химфака, только что сдавший свою первую сессию (ту самую, в которой еще работают на зачетку, а не наоборот) – скорее всего, эта формулировка вам ни о чем не говорит. Аналогичным образом складывается ситуация и с Нобелевскими премиями в области физики, физиологии и медицины.

После завершения Нобелевской недели 2013 года портал ЮГА.ру простым человеческим языком рассказывает о том, какую роль играют открытия свежеобъявленных нобелевских лауреатов в развитии науки.

Физиология и медицина: Как кальций стал специалистом по внутриклеточной логистике

Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2013 году разделили Ренди Шекман, Джеймс Ротман и Томас Зюдхоф за открытия в области механизмов регуляции межклеточных взаимодействий.

Что же особенного происходит в процессе коммуникации отдельных клеток, и почему этот процесс так важно тщательно контролировать?

Каждая клетка живого организма представляет собой миниатюрный биохимический завод, который производит и экспортирует за пределы клетки множество молекул. К примеру, в мозговом веществе надпочечников вырабатывается и выбрасывается в кровь гормон адреналин; а нервные клетки взаимодействуют друг с другом при помощи специальных биологически активных веществ – нейротрансмиттеров или нейромедиаторов. Кроме того, значительная часть синтезируемых веществ должна оставаться и перемещаться между органеллами внутри самой клетки. Например, белки, синтезируемые в мембранной структуре под названием эндоплазматический ретикулум, в дальнейшем попадает в другую структуру (комплекс Гольджи), где они сортируются, модифицируются или превращаются в активную форму.

Если представить, что все образующие в процессе жизни клетки вещества находятся внутри нее в свободном состоянии, как в пробирке, то вместо упорядоченной и точно функционирующей единицы, мы получим хаотичный первичный бульон. Более того, размер большинства молекул не позволяет им проходить непосредственно через мембраны клеток и органелл. Для того, чтобы обеспечить транспорт веществ через мембранные структуры, и для того, чтобы синтезируемые молекулы не взаимодействовали друг с другом и с окружающей средой, их перемещение осуществляется внутри небольших органоидов, которые называются везикулами (в переводе с латинского – пузырьки).

Лауреаты Нобелевской премии этого года установили важные молекулярные принципы, которые управляют доставкой этих мембранных пузырьков в нужное время в нужную часть клетки. 

Ренди Шекман выявил набор генов, который регулирует везикулярный транспорт, Джеймс Ротман определил белковый механизм, позволяющий везикулам взаимодействовать с их мишенями, а Томас Зюдоф показал, каким образом везикулы получают сигнал к высвобождению своего содержимого. Перечисленные открытия демонстрируют наличие чрезвычайно точного контроля системы транспортировки и доставки клеточного груза. Нарушения в этой системе довольно опасны и способствуют развитию ряда патологических состояний, таких как некоторые неврологические заболевания, диабет и иммунологические нарушения.

В любом крупном порту необходимы системы, контролирующие отправку правильного груза строго в пункт назначения в нужное время. Клетка, с ее огромным количеством органелл и протекающих химических реакций, сталкивается  с аналогичной проблемой – все синтезированные внутри молекулы: гормоны, нейромедиаторы, цитокины, ферменты – должны быть доставлены в другие органеллы или экспортироваться наружу в соответствующий момент. Время и место значат все; от миниатюрных везикул, транспортирующих вещества между органеллами или к наружной мембране клетки, зависит передача нервных сигналов и обмен веществ.

Ренди Шекман был очарован тем, как клетка организует свою транспортную систему и еще в 1970-х решил изучить генетическую основу этого процесса, используя дрожжи в качестве модельной системы. При помощи генетического скрининга он выявил дрожжевые клетки с поврежденными транспортными механизмами. Эти дефекты приводили к ситуации, напоминающей час-пик в мегаполисе: везикулы скапливались в определенной части клетки, формируя "пробку". Шекман обнаружил, что в основе нарушения клеточного транспорта лежат генетические предпосылки и выявил соответствующие мутации генов. Всего было выявлено три группы генов, которые контролируют различные аспекты транспортной системы клетки.

Джеймса Ротмана также заинтриговали особенности транспортной системы клетки. При изучении везикулярного транспорта в клетках млекопитающих в 1980-х и 1990-х годах Ротман обнаружил, что существует специальный белковый комплекс, который позволяет везикуле состыковаться с мембраной клетки и слиться с ней, высвобождая наружу содержимое. В процессе соединения мембранные белки транспортных везикул и их цели связываются друг с другом, как застежка-молния. Наличие большого количества разнообразных белков и того факта, что они взаимодействуют между собой только в определенных комбинациях, гарантирует точную доставку груза по назначению. Тот же принцип действует и внутри клетки, и при взаимодействии везикулы с внешней мембраной клетки.

Томас Зюдоф, в свою очередь, заинтересовался тем, как взаимодействуют друг с другом нервные клетки головного мозга. Открытия Ротмана и Шекмана показали, что сигнальные молекулы – нейромедиаторы – высвобождаются из везикул, которые сливаются с наружной мембраной нервных клеток при помощи специфического белкового аппарата. Но единственное, что делают везикулы – это высвобождение нейромедиаторов из клетки при передаче нервного сигнала. Каким образом этот механизм регулируется настолько точно? Было известно, что в процесс передачи сигнала вовлечены ионы кальция, и в 1990-х Зюдоф занимался поиском чувствительных к кальцию белков в стенках нервных клеток. Он идентифицировал молекулярные механизмы, которые реагируют на изменение концентрации кальция и направляют соответствующие белки к внешней мембране нервной клетки для связывания везикул, после чего молекулярная "молния" открывается и происходит высвобождение сигнальных веществ. Открытие Зюдофа объяснило, каким образом достигается необходимая точность во времени реакций, и каким образом содержимое везикул может выделяться из клетки "по команде".

Таким образом, нынешние лауреаты Нобелевской премии прояснили молекулярные основы одного из фундаментальных механизмов клеточной физиологии. Система клеточного транспорта и регуляция работы везикул является критической для различных физиологических процессов: начиная с передачи нервных импульсов в мозге, и заканчивая секрецией гормонов и цитокинов иммунной системы. Дефекты везикулярного транспорта наблюдаются при различных заболеваниях, включая ряд неврологических и иммунологических нарушений, а также при диабете.

Стоит отметить, что Нобелевская премия 2013 года – не первая награда в области физиологии и медицины, которая имеет отношение к исследованиям внутриклеточного транспорта. 

Первую "нобелевку" получил в 1906 году итальянский ученый Камилло Гольджи (совместно с Сантьяго Рамон-и-Кахалем) "в знак признания трудов о строении нервной системы", в ходе которых был открыт так называемый Аппарат (комплекс) Гольджи – мембранная клеточная структура, от которой в конечном итоге и отпочковываются везикулы, содержащие полностью зрелые белки. Кроме того, в 1974 году Нобелевской премии были удостоены Альберт Клод, Джордж Паладе и Кристиан де Дюв, за открытия, касающиеся структурной и функциональной организации клеток. А в 1999 году американца Гюнтера Блобела наградили Нобелевской премией за обнаружение сигнальных аминокислотных последовательностей в белках, которые отвечают за их транспорт и локализацию.

Физика: Как жить дальше, если вы так и не поняли, для чего Хиггсу бозон

Лауреатами Нобелевской премии по физике в 2013 году стали британец Питер Хиггс и бельгиец Франсуа Англер "за теоретическое обнаружение механизма, который помогает нам понять происхождение массы субатомных частиц, подтвержденного в последнее время обнаружением предсказанной элементарной частицы в экспериментах ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН".

Так называемая частица (бозон) Хиггса и связанные с ней исследования по степени известности среди людей, не имеющих прямого отношения к науке, уступают, пожалуй, разве что стволовым клеткам и наночастицам.
Ее история берет начало в 1964 году, когда Франсуа Англер и Питер Хиггс независимо друг от друга предложили теорию, позволяющую объяснить, как элементарные частицы приобретают массу. В 2012 году эта теория была подтверждена открытием бозона Хиггса в лаборатории ЦЕРН в Швейцарии.

Удостоенная Нобелевской премии теория является центральной частью так называемой Стандартной модели физики элементарных частиц – теоретической конструкции, описывающей некоторые (но не все) фундаментальные принципы устройства мира. Согласно Стандартной модели, все вещество во Вселенной – от кошек и людей до звезд и планет – состоит из нескольких типов элементарных частиц. Взаимодействие этих частиц регулируется так называемыми фундаментальными взаимодействиями (гравитационным, электромагнитным, сильным и слабым). Вся Стандартная модель также опирается на существование особого вида частиц: бозонов Хиггса. Они являются квантами (неделимыми частицами) особого невидимого поля, заполняющего все пространство – поля Хиггса. Без этого поля нас бы не существовало, потому что от контакта с ним элементарные частицы приобретают массу. Теория, предложенная Англером и Хиггсом, описывает именно этот процесс.

В 1993 году британский министр науки Уильям Уолдгрейв объявил конкурс на самое понятное одностраничное объяснение механизма Хиггса. Вариант Дэвида Миллера из Университетского колледжа Лондона "Квази-политическое объяснение бозона Хиггса" выглядит следующим образом:
"Представьте себе коктейльную вечеринку: участвующие в ней политики равномерно распределены по помещению, все общаются со своими ближайшими соседями. В комнату входит бывшая премьер-министр, к которой тут же устремляются ближайшие к ней коллеги, формируя вокруг толпу. <…> Из-за постоянного скопления людей вокруг она приобретает большую массу, чем обычно, то есть обладает большей инерцией при той же скорости перемещения по комнате. После начала движения ей уже будет сложно остановиться, а остановившись – начать двигаться снова. В трехмерном пространстве и с учетом всех релятивистских усложнений, это и есть механизм Хиггса. Для того чтобы придать элементарным частицам массу, мы вводим дополнительное фоновое поле, которое локально искажается при перемещении частиц через него. Это искажение – кластеризация поля вокруг частицы – и порождает ее массу".

Частица Хиггса настолько важна в физике, что одним из ее неофициальных названий, широко используемых в медиа, стало "God particle" или "частица бога". Автор этого термина – нобелевский лауреат, американский физик Леон Ледерман – изначально предлагал использовать вариант "goddamn particle" – "проклятая частица", и, возможно, такое название гораздо ближе к истине, учитывая многочисленные трудности, с которыми ученые столкнулись при попытках экспериментально доказать ее существование. 

Однако некоторые физики считают более удачным прозвищем "бозон бутылки шампанского" ("champagne bottle boson"), намекая не только на форму поверхности, образуемой при представлении в трех измерениях хиггсовского потенциала для однокомпонентного поля, но и на некоторое количество этанола, которое ученые планировали метаболизировать после открытия бозона.

4 июля 2012 года в лаборатории физики элементарных частиц ЦЕРН теория Хиггса и Англера наконец была подтверждена. Двум исследовательским группам, каждая из которых включала около 3000 ученых, удалось получить бозон Хиггса в ходе экспериментов на двух основных детекторах БАК – ATLAS и CMS.

Несмотря на то, что обнаружение бозона Хиггса – недостающего элемента Стандартной модели – это большое достижения для физики, сама Стандартная модель не является заключительным кусочком всей космической головоломки, напоминают ученые. 

К примеру, в Стандартной модели некоторые элементарные частицы, нейтрино, рассматриваются как по сути безмассовые, в то время как последние исследования показывают, что на самом деле они имеют массу. Однако основная причина заключается в том, что модель описывает только видимую материю, которая составляет лишь одну пятую часть всей материи в космосе, и никак не затрагивает темную материю, темную энергию и гравитационное взаимодействие элементарных частиц. 

Обнаружение таинственной темной материи – это одна из целей, которые преследуют ученые ЦЕРН, продолжая поиск неизвестных элементарных частиц. А для описания всех известных фундаментальных взаимодействий и объяснения существования всех элементарных частиц физики надеются использовать гипотетическую "теорию всего", разработка которой идет уже не одно десятилетие.

Химия: Что произойдет, если скрестить кота Шредингера с яблоком Ньютона

Нобелевская премия по химии 2013 года была присуждена Мартину Карплусу, Майклу Левитту и Арье Уоршелу за создание и развитие методов компьютерного моделирования молекул и химических реакций.

В течение последних 50 лет химия и биохимия развивались очень быстро. В середине XX века одним из направлений, на которое было затрачено наибольшее количество ресурсов и достигнут наибольший прогресс, было установление трехмерной структуры белков. И если когда-то давно химики использовали для создания статичных моделей молекул пластиковые шарики и палочки, в наше время моделирование осуществляется значительно проще – при помощи компьютеров и теоретических расчетов, основанных на законах классической физики (то есть физики, существовавшей еще до появления квантовой теории).

Однако сегодня в центре внимания исследователей гораздо чаще находятся функции сложных молекул, а не их структура. Вопрос "как это происходит" стал гораздо важнее вопроса "на что это похоже". Химические реакции происходят с молниеносной скоростью: перемещение электронов от одного атомного ядра к другому занимает миллисекунды; и классических методов экспериментальной химии – наблюдения за процессом в пробирке – уже недостаточно для того, чтобы отследить каждый шаг всего химического процесса. 

Поэтому для понимания возможных путей протекания химической реакции также используется компьютерное моделирование. Воссоздавая при помощи специального программного обеспечения картину взаимодействия молекул между собой, можно получить представление о том, какую роль играют конкретные атомы на разных этапах химической реакции. И уже получив правдоподобную модель реакционного пути, значительно легче проводить реальные эксперименты, подтверждающие или опровергающие корректность разработанной модели. Эти эксперименты, в свою очередь, могут предоставить новые данные, позволяющие еще более точное моделирование процесса; таким образом, теория и практика постоянно взаимодействуют друг с другом. В наши дни химики проводят возле своих компьютеров не меньше времени, чем среди пробирок.

Именно Карплус, Левитт и Уоршел в 1970-х заложили основу для создания мощных программ, которые сейчас используются для изучения и предсказания химических процессов. Их методика, удостоенная в этом году Нобелевской премии, позволяет смоделировать при помощи компьютеров сложные химические процессы, такие как каталитическая очистка выхлопных газов или фотосинтез в листьях растений.

Революционный смысл работы Карплуса, Левитта и Уоршела заключается в том, что они сумели совместить классическую физику Ньютона с принципиально иной квантовой физикой. В классической модели объектом, на котором фокусируется основное внимание, являются целые атомы или группы атомов. Таким образом, методы классической физики основаны на том, что количество энергии в системе может можно легко оценить, а преимущество заключается в использовании простых расчетов для моделирования действительно сложных молекул. Ее недостаток же в том, что в рамках классической физики не существует никакого способа моделирования химических реакций; для этого химикам приходилось использовать уравнения квантовой физики. В квантовой химической модели в центре внимания находятся электроны и атомные ядра, а значит, ее методы позволяют изучать системы, в которых молекулы образуются и разрушаются. Но моделирование химических реакций в рамках квантовой физики требует огромных вычислительных мощностей, поэтому его можно было выполнять только для небольших молекул или не очень сложных химических систем.

Ранее химикам неизбежно приходилось выбирать что-то одно. Лауреаты Нобелевской премии этого года взяли лучшее от обоих миров и разработали методы, в основе которых лежит и классическая, и квантовая физика. Например, при моделировании взаимодействия лекарственного препарата с белком-мишенью в организме компьютер выполняет теоретические квантовые расчеты для атомов белка-мишени, которые непосредственно взаимодействуют с лекарством. Остальная часть белка моделируется с помощью менее сложной классической физики.

Одним из наиболее значимых достижений методов, разработанных учеными, является их универсальность. Детальное понимание процесса химических реакций позволяет оптимизировать любую технологию, которая на них основана: от простейшей химической промышленности до сложной органики живых существ. Изучение механизмов катализа химических реакций необходимо для оптимизации работы двигателей; моделирование взаимодействия между лекарствами и их молекулярными мишенями в организме человека – для разработки более безопасных и действенных препаратов; имитация процесса фотосинтеза – для создания эффективных солнечных батарей. И область применения молекулярного моделирования на этом не заканчивается; так, в одной из своих публикаций Майкл Левитт пишет о том, что мечтает осуществить имитацию живого организм на молекулярном уровне.