ЭкспертНаука

Кислородное голодание, батарейки и звезды

Шведская академия объявила о присуждении Нобелевских премий в области медицины и физиологии, по химии и физике. Каждую премию разделили по трое ученых

Заур Мамедьяров

В Стокгольме прошла 118-я Нобелевская неделя, объявлены имена лауреатов премии в естественных науках. Размер премии не изменился и составляет девять миллионов шведских крон (около 917 тыс. долларов), а получат награду победители 10 декабря, в день памяти Альфреда Нобеля. Как всегда перед началом Нобелевской недели аналитики и научные издания по всему миру пытались угадать, кто же получит премию на этот раз, и, конечно, предположений было много.

В области медицины и физиологии конкуренция огромна: ведется множество передовых исследований, значительная часть которых направлена на борьбу со старением и онкологическими заболеваниями. Ученые пытаются разобраться со сложными молекулярно-генетическими процессами в организме, лучше понять работу клеток, обеспечить задел для создания таргетированных лекарств и лечения не только болезней, но индивидуально каждого пациента. Дэвид Пендлбери из авторитетного агентства Clarivate Analytics, которое публикует списки самых цитируемых ученых, предполагал, что премию может получить Ханс Клеверс из Утрехтского университета. Клеверс исследует сигнальный путь Wnt, что поможет лучше понять ход развития онкологических заболеваний. Другие кандидаты аналитика — Джон Капплер и Филиппа Маррак, открывшие механизм толерантности Т-клеток. Открытие ученых уже позволило прояснить природу аутоиммунных заболеваний, в том числе ревматоидного артрита, волчанки и синдрома Гийена— Барре. Журналисты Inside Science посчитали, что премию по медицине присудят генетикам Мэри-Клэр Кинг и Марку Сколнику за исследования генов BRCA, мутации в которых повышают риск развития рака молочной железы. Правда, Нобелевская премия прошлого года уже была присуждена за открытие на стыке онкологии и иммунологии, поэтому казалось маловероятным, что лауреатами второй год подряд станут исследователи в этих областях. По прогнозу Inside Science, премию могли получить также Чарльз Райс и Ральф Бартеншлагер, благодаря достижениям которых в области выращивания вирусов в клеточных культурах удалось создать препараты от гепатита C. Все догадки оказались ошибочными. Премию присудили за исследования механизма регулирования уровня кислорода в организме. Проще говоря, за исследования того, как клетки реагируют на кислород и его нехватку.

Премию в области химии многие предрекали изобретателям методов синтеза и секвенирования ДНК (позволили расшифровать геном человека) — Марвину Карутерсу, Лерою Худу и Майклу Ханкапиллеру. По мнению редакции Inside Science, Нобелевскую премию по химии мог получить Омар Яги, первооткрыватель в области металлоорганических каркасных структур — такие материалы благодаря своей пористой структуре способны поглощать и высвобождать газы и жидкости. Альтернативное предположение — Эдвин Саузерн, разработавший метод выявления определенной последовательности ДНК; его исследования позволили развивать современную диагностику и персонализированную медицину. Верную догадку высказал только журнал Chemical and Engineering News, посчитавший, что премию могут вручить изобретателям литий-ионных батарей.

На премию по физике тоже претендовало немало видных ученых. Почти все предположения крутились около исследований квантовых явлений — сегодня большие надежды возлагаются на будущее квантовой криптографии и квантовых компьютеров. Журнал Physics World в числе вероятных лауреатов указал Алена Аспе, Джона Клаузера и Антона Цайлингера за их работу в области проверки неравенств Белла, а также Питера Шора, Жиля Брассара и Чарльза Беннетта за достижения в области квантовых вычислений и квантовой криптографии. По мнению редакции журнала, премию также могли получить Петер Цоллер и Игнасио Сирак за их вклад в создание схем обработки квантовой информации. Все эти прогнозы оказались неверными — угадало издание Inside Science, которое в числе наиболее вероятных лауреатов указало астрономов, открывших первые известные экзопланеты. Правда, и эта догадка верна лишь наполовину: вторая часть премии по физике была присуждена за теоретические открытия в области физической космологии.

Достойных претендентов было много, все не могут стать победителями. Как заметил лауреат Нобелевской премии в области медицины 1993 года Филлип Шарп, «в мире много хороших ученых, которые никогда не получают признания». Мир уделяет массу внимания Нобелевской премии, но наука гораздо шире, чем одна-единственная неделя в году.

Медицина: кислород для клеток

Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2019 году присудили Уильяму Келину, Питеру Рэтклиффу и Греггу Семенце за исследование реакции клеток организма на кислород. Ученые выявили молекулярный механизм, регулирующий активность клеток в зависимости от изменения уровня кислорода.

Лауреаты работают в разных институтах: Питер Рэтклифф — в Институте Фрэнсиса Крика и Оксфордском университете в Великобритании, Уильям Келин — в Институте Говарда Хьюза и Гарвардской медицинской школе, Грегг Семенца — в Университете Джонса Хопкинса в США.

Нобелевский комитет подчеркивает, что открытия Келина, Рэтклиффа и Семенцы заложили основу для нашего понимания того, как уровень кислорода влияет на клеточный метаболизм и физиологические функции, а также проложили путь к новым перспективным стратегиям борьбы с анемией, раком и другими заболеваниями. Ученым давно известно, например, что развитию многих опухолей сопутствует процесс роста кровеносных сосудов, которые снабжают опухоль кислородом. Если каким-то образом ограничить доставку кислорода в опухоль, можно замедлить ее рост или вообще уничтожить. Однако клетки умеют адаптироваться, и в случае нехватки кислорода в организме запускаются процессы, которые увеличивают его доставку. Понимание этих процессов и есть суть работы лауреатов.

В условиях гипоксии (низкого уровня кислорода) организм человека и других млекопитающих начинает активно вырабатывать гормон эритропоэтин (EPO), который стимулирует образование эритроцитов (чтобы они транспортировали кислород) и тем самым повышает уровень гемоглобина в крови. Сложный вопрос в том, как клетки понимают, что им недостаточно кислорода, и запускают процесс выработки EPO. В 1990-е годы Грегг Семенца пытался найти это связующее звено и исследовал ген, отвечающий за выработку EPO. Параллельно с ним исследования в этой области проводил и Питер Рэтклифф. Обе группы ученых обнаружили, что уровень кислорода влияет на выработку EPO практически во всех тканях, а не только в клетках почек, где он производится обычно.

В ходе дальнейших экспериментов Семенца выявил транскрипционный фактор (связующее звено), отвечающий за реакцию на снижение уровня кислорода, — это белковый комплекс, которые ученый назвал HIF (hypoxia-inducible factor; фактор, индуцируемый гипоксией). Он установил, что HIF состоит из двух компонентов: уже известного на тот момент белка ARNT и нового фрагмента HIF-1α. При низком уровне кислорода количество HIF-1α возрастает, и HIF дает сигнал противогипоксическим генам, что необходимо стимулировать выработку кислорода.

Примерно в то же время, когда Семенца и Рэтклифф изучали выработку эритропоэтина, онколог Уильям Келин исследовал болезнь фон Гиппеля—Линдау (болезнь VHL) — генетическое заболевание, приводящее к резкому увеличению риска развития некоторых видов рака в семьях с наследственными мутациями гена VHL. В своих исследованиях Келин показал, что ген VHL кодирует белок, предотвращающий развитие рака. Кроме того, он выяснил, что раковые клетки, не имеющие функционального гена VHL, экспрессируют аномально высокие уровни генов, регулируемых гипоксией. Так ученые выявили связь между HIF-1α и VHL. А уже в начале 2000-х Рэтклифф и Келин одновременно опубликовали статьи, в которых объясняли, как VHL распознает HIF-1α: при нормальном уровне кислорода в HIF-1α добавляются две гидроксильные группы — VHL связывается с ними и способствует распаду HIF-1α. Таким образом, если кислорода достаточно, HIF-1α просто постоянно распадается и не успевает образовать HIF. А если клетка страдает от гипоксии, HIF-1α вместе с ARNT образует HIF, который связывается с ДНК и стимулирует выработку кислорода.

«Столь фундаментальное открытие влияет на все аспекты организма, — заявил Рэндалл Джонсон, член Нобелевского комитета этого года, на церемонии объявления премии в Каролинском институте в Стокгольме. — Области применения очень широки». Механизм распознавания уровня кислорода критически важен для многих физиологических процессов в организме — для метаболизма или для адаптации к высоте. С этим же процессом напрямую связаны многие болезни — например, инфаркты или рак. Так, раковые опухоли постоянно задействуют механизм регулирования уровня кислорода в организме: для разрастания им нужно больше кислорода, чем обычным клеткам, и они посылают сигналы о кислородном голодании. А пациенты с почечной недостаточностью регулярно страдают от анемии из-за недостаточной выработки EPO, ответственного за образование красных кровяных клеток.

Открытие Семенцы, Келина и Рэтклиффа может стать важной ступенью к принципиально новым способам терапии: уже сейчас ученые пытаются разработать препараты, которые смогут влиять на различные заболевания, активируя или, наоборот, блокируя механизм регулирования уровня кислорода. Ведутся разработки препаратов, воздействующих на процессы определения содержания кислорода в тканях, в том числе в раковых опухолях. Разрабатываются лекарства для лечения анемии и почечной недостаточности, в 2018 году первый из таких препаратов уже получил одобрение регуляторов в Китае.

Химия: чтобы не села батарейка

Лауреатами Нобелевской премии по химии в этом году стали Джон Гуденаф из Техасского университета в Остине, Стэнли Уиттингем из Университета штата Нью-Йорк и японец Акира Ёсино из Университета Мейдзё. Премию им присудили за разработку литий-ионных батарей. Как отмечает Нобелевский комитет, «своей работой ученые создали необходимые условия для существования беспроводного и бестопливного общества и тем самым принесли человечеству огромную пользу».

Работа над литий-ионной батареей началась во время нефтяного кризиса 1970-х годов. Стэнли Уиттингем искал технологии, которые позволили бы генерировать и аккумулировать энергию без ископаемого топлива: существовавшие на тот момент свинцовые и никель-кадмиевые батареи не подходили для аккумулирования большого объема энергии. При изучении сверхпроводников Уиттингем обнаружил способность лития к обратимой интеркаляции в слоистых сульфидных материалах — это означает, что ионы лития могут внедряться и затем удаляться из межатомных промежутков другого вещества. Сначала ученый интеркалировал ионами лития дисульфид тантала — в результате создалось электрическое напряжение около двух вольт. Ему пришла в голову мысль разработать аккумулятор, основанный на этом явлении, и компания Exxon согласилась профинансировать разработку.

Уиттингем заменил тантал на более легкий титан, а анод батареи изготовил из лития. Чтобы нейтрализовать взрывоопасность лития, ученый добавил к нему алюминий. Разработанный Уиттингемом аккумулятор стали производить небольшими партиями в качестве батарейки для часов — однако вскоре нефтяной кризис закончился, и финансирование исследования свернули.

В 1980-е годы Джон Гуденаф показал, что для интеркаляции лития можно использовать оксид кобальта — так удастся производить до четырех вольт. Это стало важным прорывом, но батарее не хватало подходящего анода, поскольку металлический литий мог взорваться при падении или резком ударе.

Здесь свою роль сыграл Акира Ёсино: взяв за основу открытие Уиттингема и катод Гуденафа, в 1985 году он создал первую коммерчески жизнеспособную литий-ионную батарею. Вместо реактивного лития в аноде японский ученый использовал нефтяной кокс — углеродный материал, способный интеркалировать ионы лития подобно оксиду кобальта в катоде. В результате получился легкий износостойкий аккумулятор, который можно было заряжать сотни раз, прежде чем его производительность падала. К 1991 году эти аккумуляторы вышли на серийное производство — и до сих пор массово используются в электронике.

Обычно Нобелевскую премию присуждают за фундаментальные исследования, но в данном случае очевидна прикладная польза открытий Гуденафа, Уиттингема и Ёсино. Литий-ионные батареи есть практически во всех электронных устройствах, которыми мы пользуемся, — от смартфонов и «умных» часов до электромобилей. Они способствовали распространению альтернативной энергетики (солнечной или ветроэнергетики), поскольку именно в литий-ионных аккумуляторах хранят энергию, полученную из возобновляемых источников.

Однако литий-ионные аккумуляторы несовершенны: они могут перегреваться и протекать, срок их службы ограничен не столько количеством циклов зарядки, сколько их возрастом. «Есть ощущение, что существующие литий-ионные батареи и связанные с ними технологии зарядки скоро достигнут предела развития», — говорилось в статье исследовательской компании CCS Insight в конце 2017 года. Литий-ионные батареи подходят для портативной электроники с ее ограниченным сроком службы и даже для электротранспорта, но их недостатки не позволяют использовать их в промышленных целях. Поэтому сегодня ученые уже ищут им альтернативу — например, разрабатывают проточные батареи, реакции в которых проходят в резервуарах с жидкими электролитами.

Физика: тоже является частью Вселенной

Нобелевская премия по физике в этом году была присуждена «за вклад в наше понимание эволюции Вселенной». Премию разделили надвое: половину присудили Джеймсу Пиблзу за теоретические исследования в области физической космологии, а вторую часть — Мишелю Майору и Дидье Келосу за открытие экзопланеты на орбите звезды, аналогичной Солнцу. Казалось бы, открытия разные, но Нобелевский комитет привел их к общему знаменателю: обе научные работы позволили лучше понять наше место во Вселенной.

Как отметил Нобелевский комитет, открытия Джеймса Пиблза в физической космологии заложили основу для трансформации этой области знаний и появления современных представлений о Вселенной. Когда Пиблз только начинал карьеру в начале 1960-х годов, было мало доказательств широко известной сегодня теории Большого взрыва. Тогда ученые задавались всевозможными математическими вопросами относительно начального состояния Вселенной. Если Вселенная в момент рождения была точкой и при этом обладала бесконечной массой, то что это значит? Как из точки появилось все остальное, какие законы работали в тот момент — все эти проблемы еще только предстояло решить.

В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон в ходе эксперимента обнаружили микроволновое реликтовое излучение, и в 1978 году получили за это Нобелевскую премию. Как вспоминает Пиблз, его наставник Роберт Дик тогда предложил ему подумать о теории образования Вселенной — на этом ученый и сконцентрировался.

Молодой теоретик из Принстона, тридцатилетний Пиблз в 1965 году высказал предположение, что вне зависимости от начального состояния Вселенной излучение и материя должны были быть в тепловом равновесии с самого начала. У Пиблза возникла идея: если бы в первые минуты существования Вселенной не было мощного фонового излучения, то в результате из водорода образовалось бы гораздо больше тяжелых химических элементов, чем мы наблюдаем. Но поскольку большую часть Вселенной составляет как раз водород, она должна была изначально заполнена мощнейшим излучением, которое «разрывало» тяжелые ядра обратно по мере их образования. И вскоре после открытия Пензиаса и Уилсона Пиблз вместе с коллегами изложил основное объяснение того, что такое реликтовое излучение и как оно связано с Большим взрывом. Они утверждали, что по мере расширения Вселенной излучение становилось все более слабым, падала его температура. На основании экспериментальных данных ученые сделали вывод, что эквивалентная температура на ранних стадиях жизни Вселенной превышала 10 млрд градусов Цельсия.

Пиблзу принадлежит и идея о темной материи как об одном из важнейших факторов образования крупномасштабных структур во Вселенной. Еще в 1982 году он опубликовал работу, в которой предположил существование во Вселенной «холодной темной материи» — холодных сверхтяжелых частиц. Это шло вразрез с общепринятой тогда идеей, что носителями темной материи являются легкие горячие нейтрино. «Результаты исследований показали нам Вселенную, в которой известны лишь пять процентов ее содержания: звезды, планеты, деревья и мы сами. Остальные 95 процентов — это неизвестная темная материя и темная энергия. Это загадка и вызов современной физике», — отмечает Нобелевский комитет.

Вторую половину Нобелевской премии по физике разделили Мишель Майор и Дидье Келос. В 1995 году ученые объявили об открытии экзопланеты, вращающейся вокруг звезды в нашей галактике — Млечном Пути. Так человечество узнало, что и за пределами Солнечной системы есть звезды с планетами-спутниками. До 1990-х годов считалось, что планеты, подобные вращающимся вокруг Солнца, большая редкость, если не уникальность. Это ставило крест на попытках лучше понять историю возникновения Земли. Теперь же говорят, что Солнечная система — весьма типичная в масштабах Вселенной планетарная система и перспектив для понимания истории нашей планеты все больше. Открытие Майора и Келоса положило начало революции в астрономии, за последние двадцать лет в Млечном Пути обнаружено уже более 4000 экзопланет — некоторые из них по размеру сопоставимы с Землей, есть и те, по сравнению с которыми Юпитер покажется карликом. Возможно, в процессе поиска новых экзопланет ученые однажды смогут ответить и на вопрос, есть ли там жизнь.

Коллаж Кирилла Рубцова; Josh Reynolds/AP/TASS; Facundo Arrizabalaga /EPA /ТАСС; Ose Luis Magana/AP/TASS; Alastair Grant/AP/TASS; Sebastian Gollnow/DPA/Picture-Alliance/ТАСС; Koji Sasahara/AP/TASS; Ustin Lane/EPA/ТАСС; Laurent Gillieron/EPA/ТАСС;

Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl