ZINĀTNE: Nobela prēmijas šūnu pētniekam, molekulāro mašīnu radītājiem un fiziķiem – teorētiķiem
Šonedēļ Stokholmā paziņoti 2016. gada Nobela prēmiju ieguvēji medicīnā un fizioloģijā, fizikā un ķīmijā. Laureātiem (pavisam viņi ir septiņi) izdevies izskaidrot, kādā veidā notiek dzīvu organismu šūnu pašattīrīšanās, ielūkoties dīvainu, ar neparastām īpašībām apveltītu vielu pasaulē un izgatavot funkcionējošas mašīnas, kuru izmērs ir tūkstoš reižu mazāks par cilvēka matu biezumu.
Oficiālā balvu pasniegšana notiks Stokholmā 10. decembrī, kad apritēs tieši 120 gadu kopš Alfreda Nobela nāves. Līdz ar medaļām, goda rakstiem un pasaules mēroga atzinību laureāti saņems arī naudas prēmiju, kas katrā nozarē ir 8 miljoni Zviedrijas kronu jeb 834 000 eiro.
Šūnu autofāgija - noderīga veselībai
Par pirmo šāgada Nobela prēmijas laureātu tika pasludināts Tokijas Tehnoloģiskā institūta profesors biologs Jonisori Osumi, kurš veicis nozīmīgus atklājumus šūnu autofāgijas mehānisma izpētē un identificējis gēnus, kas ir atbildīgi par šo procesu. Mutācijas attiecīgajos gēnos un autofāgijas procesa apstāšanās var novest pie neiroloģiskām slimībām un citām kaitēm, jo cilvēka šūnas pašas sevi pārstāj remontēt, norādījusi Nobela komiteja. Maksa Planka Bioķīmijas institūta speciālists Tomass Vollerts intervijā Deutsche Welle skaidrojis, ka cilvēku un citu dzīvu organismu šūnās nepārtraukti uzkrājas kaitīgas vielas. «Piemēram, kad mitohondriji ar laiku noveco un kļūst bojāti, tie sāk izdalīt toksiskos brīvos radikāļus. Šūnām ir nepieciešams pēc iespējas ātrāk atbrīvoties no šādiem mitohondrijiem,» viņš sacījis.
Grieķu valodā phagein nozīmē «ēst», bet auto - «sevi», tādēļ autofāgiju mēdz saukt arī par «pašēšanu». Terminu pirmais ieviesa beļģu zinātnieks Kristiāns de Djūvs, kurš 1974. gadā saņēma Nobela prēmiju medicīnā un fizioloģijā par to, ka bija atklājis, ka šūnas tām nevajadzīgos un kaitīgos proteīnus un organellas spēj iesaiņot un nogādāt lizosomā, kur tās tiek iznīcinātas, raksta AFP. 71 gadu vecais J. Osumi ir turpinājis sava beļģu kolēģa iesākto darbu, deviņdesmitajos gados veicot virkni eksperimentu, kas ļāvuši izprast autofāgijas mehānismu un par to atbildīgo gēnu darbību. «Cita starpā viņš pierādīja, ka lizosoma nav vis atkritumu izgāztuve, bet gan to pārstrādes rūpnīca,» sacījusi Zviedrijas Karolinskas institūta profesore Džulīna Zīrata.
Kembridžas universitātes Medicīnisko pētījumu institūta direktors Deivids Rubinšteins sarunā ar Reuters uzsvēris, ka J. Osumi pētījumi zinātniekiem visā pasaulē devuši «svarīgus instrumentus», lai saprastu, kā autofāgijas procesa pārtraukšana veicina dažādu slimību - arī infekcijas slimību, dažādu vēža formu un neirodeģeneratīvo slimību, piemēram, Hantingtona vai Pārkinsona slimības, attīstīšanos. Karolinskas institūta profesors Kristers Hūgs piebildis, ka jaunu cilvēku organismā autofāgijas mehānisms parasti darbojas nevainojami, bet problēmas rodas, kad organisms noveco, - sistēmai sabojājoties, šūnas vairs nespēj atbrīvoties no liekā materiāla. Francijas Nacionālā veselības un medicīnisko pētījumu institūta (Inserm) zinātnieks Gvido Krēmers sarunā ar AFP skaidrojis, ka zinātnieki jau meklē iespējas, kā stimulēt autofāgiju un šādā veidā kavēt novecošanas procesu un dažādu kaišu attīstīšanos. «Pirmie eksperimenti ar pelēm jau ir veikti, bet eksperimenti ar cilvēkiem sāksies ne agrāk kā pēc vairākiem gadiem,» viņš sacījis.
Vēl viens interesants atklājums, ko veicis J. Osumi, - autofāgijas mehānisms ne tikai palīdz cilvēka organismam cīnīties ar baktērijām un vīrusiem, bet arī pretoties bada sajūtai. «Bada laikos šūna norobežo daļu savas citoplazmas un sagremo to, šādā veidā iegūstot vajadzīgās barības vielas. Tas ļauj šūnai turpināt pildīt vitāli svarīgās funkcijas,» norādījis T. Vollerts. Savukārt Bernes universitātes Patoloģijas institūta zinātnieks Rūperts Langers atgādinājis, ka autofāgijas mehānisms cilvēku organismā sāk darboties pēc aptuveni 12 stundu ilgas badošanās. Laboratorijās veikti eksperimenti ar dzīvniekiem, un tie liecina - ja šo mehānismu pilnībā atslēdz un dzīvniekus tur badā, tie nobeidzas jau pēc salīdzinoši neilga laika. «Organisms bez autofāgijas nespēj pārvarēt bada radīto stresu,» R. Langers uzsvēris sarunā ar Deutsche Welle.
Fiziķi meklē eksotiskās vielas
Lai gan, tuvojoties Nobela nedēļai, aizvien skaļāk un drošāk tika prognozēts, ka balvu fizikā piešķirs saistībā ar gravitācijas viļņu atklāšanu, Nobela komiteja parūpējusies par pārsteigumu, par laureātiem pasludinot trīs britu fiziķus - teorētiķus, kuri visi pašlaik gan strādā ASV. Deividam Dž. Tulesam, Dankanam Haldeinam un Maiklam Kosterlicam balva fizikā piešķirta «par teorētiskiem atklājumiem topoloģisko fāzu pāreju un matērijas topoloģisko fāzu jomā». AFP skaidro, ka topoloģija ir matemātikas nozare, kas pēta tās vielas fizikālās īpašības, kas paliek nemainīgas noteiktu deformāciju rezultātā, kā arī īpašības, kas kādā noteiktā brīdī strauji mainās, vielai pārejot citā topoloģiskajā fāzē.
LiveScience.com norāda, ka zinātnieki, izmantojot matemātiskas metodes, aprakstījuši neparastu pasauli, kurā viela spēj atrasties dažādos dīvainos un eksotiskos stāvokļos. Kā piemēru var minēt suprašķidrumus, kuriem absolūti nepiemīt viskozitāte, un tādēļ to atsevišķas daļiņas izturas kā viena liela superdaļiņa. Cits piemērs ir supravadītāji, kuriem nepiemīt elektriskā pretestība. Nobela komiteja norādījusi, ka šie pētījumi jau tiek un arī nākotnē tiks izmantoti jaunu materiālu izstrādāšanā un droši vien spēlēs savu lomu kvantu datoros.
73 gadus vecais M. Kosterlics, kurš pašlaik strādā Rodailendas Brauna universitātē, gan mudinājis nesteigties notikumiem pa priekšu, intervijā AFP pa pusei nopietni, bet pa pusei jokojot sakot: «Es jau gadiem ilgi gaidu, ka uz mana darba galda parādīsies kvantu dators, taču tāda kā nav, tā nav. Varbūt es smagi kļūdos, taču domāju, ka līdz praktiskām lietām kvantu datorikas jomā vēl ir ļoti tālu.» Intervijā Deutsche Welle šādam vērtējumam piekritusi Štutgartes universitātes Funkcionālās vielas un kvantu tehnoloģiju institūta speciāliste Marija Darghofera, sakot, ka līdz brīdim, kamēr šāgada fizikas prēmijas laureātu pētījumam varēs atrast praktisku pielietojumu, vēl esot jāpagaida, taču neesot nekādu šaubu, ka šāds brīdis reiz pienāks.
Ķelnes universitātes fiziķis - teorētiķis Aleksanders Altlands, paužot sajūsmu par Nobela komitejas lēmumu, atzinis, ka plašākai sabiedrībai šī pētījuma nozīmi izskaidrot ir ļoti sarežģīti, jo tas pats par sevi ir abstrakts. Lai to izprastu, nepieciešams iedziļināties kvantu mehānikas dzīles, saprast, ka mikropasaulē viela (atomi un vēl sīkākās daļiņas, no kā tie sastāv), ir veidota no viļņiem, kurus var aprakstīt ar matemātisku vienādojumu palīdzību. Šie viļņi ir ļoti trausli, skaidrojis vācu zinātnieks, salīdzinot tos ar ūdens viļņiem, kas rodas baseinā vai ūdenskrātuvē, - pietiek ar visniecīgāko šķērsli, lai viļņu forma mainītos. A. Altlands skaidrojis, ka šāgada Nobela prēmijas laureātiem izdevies atrast paņēmienu, kā stabilizēt kvantu mehāniskos viļņus, - šo procesu varot salīdzināt ar mezgla iesiešanu. «Iedomājieties virvi, kurā iesiets mezgls. Jūs šo virvi varat locīt, kā vēlaties, taču mezgls paliks turpat, kur bijis. Tāpat ir arī ar jaunajiem materiāliem, kuriem ir unikālas kvantu mehānikas noteiktas īpašības, kas atkarīgas tikai no mezglu skaita,» viņš sacījis.
Reuters norāda, ka mezglu vietā tikpat labi kā piemēru var izmantot caurumus, un tieši tā rīkojies Nobela komitejas pārstāvis Tors Hanss Hansons. Preses konferencē, kas bija veltīta laureātu paziņošanai, viņš uz galda nolicis kanēļmaizīti, baranku un mazu astoņnieka formas kliņģeri. «Viens no tiem ir salds, cits sāļš, bet topologus interesē tikai viena lieta - caurumu skaits. Barankai ir viens caurums, kliņģerim divi, bet nevienam no tiem nevar būt puse vai, sacīsim, 2 un 2/3 cauruma,» skaidrojis T. H. Hansons, piebilstot, ka materiālu īpašības mainās līdz ar katra jauna cauruma parādīšanos vai izzušanu, ko arī sauc par topoloģisko fāzu pāreju.
Molekulāro mašīnu konstruktori
Nobela prēmija ķīmijā piešķirta trim zinātniekiem, kuri projektējuši un sintezējuši molekulārās mašīnas - nanoobjektus, kas nav lielāki par cilvēka mata tūkstošo daļu, bet, saņemot nepieciešamo enerģiju, spēj pildīt noteiktus uzdevumus. 71 gadu vecais francūzis Žans Pjērs Sovāžs, 74 gadus vecais brits Freizers Stodarts un 65 gadus vecais nīderlandietis Bernards Feringa savus pētījumus veikuši neatkarīgi cits no cita, papildinot kolēģu darbu, un, kā norādījusi Zviedrijas Karaliskā zinātņu akadēmija, «ir miniaturizējuši mašīnas un pacēluši ķīmiju jaunā dimensijā».
Molekulārās mašīnas nākotnē varētu izmantot jauna veida mikroshēmu izgatavošanā, baterijās, enerģijas akumulēšanas sistēmās un medicīnā, taču patiesībā pat visgaišākajiem prātiem nav īsti skaidras šīs izmantošanas perspektīvas. Nobela komiteja situāciju salīdzinājusi ar to, kāda bija aptuveni 19. gadsimta 30. gados pēc pirmajiem elektrisko motoru demonstrējumiem, - raugoties uz rotējošajiem kloķiem un riteņiem, diez vai kāds iedomājās par elektriskajiem vilcieniem, veļas mazgājamajām mašīnām, fēniem un citiem mūsdienās ikdienā izmantojamiem priekšmetiem. «[To izmantošanas] iespēju ir bezgalīgi daudz. Iedomājieties, piemēram, pavisam sīciņu mikrorobotu, ko ārsts kaut kad nākotnē varētu ievadīt jūsu asinsrites sistēmā, lai tas dotos, piemēram, uzmeklēt vēža šūnas vai kādā konkrētā organisma punktā nogādātu nepieciešamos medikamentus,» intervijā Reuters sacījis Groningenas universitātes organiskās ķīmijas profesors B. Feringa.
LiveScience.com raksta, ka 1999. gadā viņš pielicis loģisku punktu savu kolēģu uzsāktajam darbam, izstrādājot pirmo molekulāro motoru pasaulē, bet 2011. gadā viņa vadītā grupa sintezējusi īstu nanoautomašīnu ar četriem riteņiem - motoriem, kas turas uz molekulu šasijas bāzes. Šīs nozares pētījumu pamatlicēja gods gan pienākas Ž. P. Sovāžam, kurš pašlaik ir goda profesors Strasbūras universitātē un viens no Francijas Nacionālā zinātniskās izpētes centra (CNRS) vadītājiem. 1983. gadā viņam pirmo reizi izdevās divas lodveida molekulas savienot nevis ar kovalento, bet gan mehānisko saiti, kas ļāva tām samērā brīvi kustēties vienai attiecībā pret otru. Bet 1994. gadā viņa vadītā grupa panāca, ka molekulas, kurām tiek pievadīta enerģija, rotē viena ap otru, turklāt šo rotāciju bija iespējams kontrolēt. Savukārt Lielbritānijā dzimušais F. Stodarts, kurš pašlaik strādā ASV Ziemeļrietumu universitātē, 1991. gadā pirmais savienoja lodveida un hanteles formas molekulas tā, ka hanteles formas molekula pildīja ass funkcijas.
Nobela prēmijas piešķiršana tieši par šo atklājumu atkal uzjundījusi runas par fiziķa Ērika Drekslera 1986. gadā izteiktajām bažām, ka nanoroboti ar laiku varētu atteikties pakļauties cilvēkiem un visu mūsu planētu aprīs tā sauktās pelēkās gļotas - roboti, kuri, lai nepārtraukti vairotos, kā barību izmantos cilvēkus un citus dzīvos organismus. Par šādu scenāriju jautājums uzdots arī B. Feringam, taču viņš ir optimistiski noskaņots. «Es melotu, ja apgalvotu, ka katru nakti pamostos bailēs par to, ko varētu sastrādāt molekulārās mašīnas. Pirmkārt, pašlaik tās ir pilnīgi nepatstāvīgas - ja mēs atslēdzam enerģijas padevi, tās apstājas, pārtrauc strādāt,» norādījis nīderlandiešu ķīmiķis. Viņš gan pieļāvis iespēju, ka ar laiku tiks izstrādātas molekulārās mašīnas, kas darbosies tikpat patstāvīgi kā, piemēram, mikrobu vai cilvēka organisma šūnas. «Mums būs jāpadomā, kā tās padarīt drošas un nedraudīgas, taču es par to īpaši neuztraucos. Ja mēs spēsim sasniegt tādu līmeni, lai izstrādātu šādas mašīnas, tad spēsim arī tajās iestrādāt dažādas drošības sistēmas, kas novērsīs jebkādus draudus,» ir pārliecināts 2016. gada Nobela prēmijas laureāts ķīmijā.