Nobel 2022 – tłumaczymy nagrodzone odkrycia naukowe

Czas czytania w minutach: 8

Tydzień Noblowski wciąż trwa: dziś zostaną ogłoszeni laureaci nagrody pokojowej, a w poniedziałek – nagrody im. Nobla w dziedzinie ekonomii. Ale my, tak jak rok temu, pozostajemy przy tym, co nas interesuje najbardziej! Oto podsumowanie i wyjaśnienie, za co został przyznany Nobel 2022 w dziedzinach nauk ścisłych: medycyny lub fizjologii, fizyki oraz chemii. Zapraszamy!

Nobel 2022 w dziedzinie medycyny lub fizjologii: Svante Pääbo

Tegoroczna nagroda Nobla w dziedzinie medycyny lub fizjologii została przyznana „za odkrycia dotyczące genomów wymarłych człowiekowatych i ewolucji człowieka”. O tym, co to są geny i jak można odczytać kod genetyczny, możecie poczytać na naszym blogu. Teraz więc zajmijmy się tym, co najistotniejsze. Co konkretnie odkrył Svante Pääbo i dlaczego to odkrycie zostało wyróżnione najważniejszą nagrodą naukową na świecie?

Cóż, takie osiągnięcia jak “odkrył nieznany gatunek człowiekowatych”, czy “doprowadził do powstania nowej dziedziny nauki” mogły się do tego przyczynić. A dziedziną tą była paleogenetyka, czyli jak łatwo się domyślić genetyka dotycząca skamieniałości. To właśnie możliwość sekwencjonowania genomów wymarłych organizmów zafascynowała naszego laureata. Ale trzeba pamiętać, że początki jego kariery przypadały na czas, kiedy dopiero kończono sekwencjonować genom ludzki. A do dyspozycji był świeży materiał genetyczny wysokiej jakości. Sekwencjonowanie genomu wymarłych gatunków? Przecież neandertalczycy wyginęli 30 000 lat temu! Przez ten czas DNA w ich szczątkach ulegało degradacji i zanieczyszczeniu materiałem choćby pochodzenia bakteryjnego.

Dlatego też Svante Pääbo zaczął od czegoś prostszego, niż “pełny” genom neandertalczyka. Skupił się na mitochondriach: te małe organelle są czymś w rodzaju elektrowni naszych komórek. Co ciekawe mają swoje DNA odmienne od tego, które jest obecne w naszych jądrach komórkowych. A w każdej komórce jest tych mitochondriów wiele, więc i kopii materiału genetycznego mamy więcej. Stanowiły więc one świetny poligon doświadczalny do dopracowywania metod, które później pozwoliły nobliście przejść do sekwencjonowania “głównej części” DNA. Czyli przede wszystkim na dopracowanie metod pracy z próbką tak, żeby wyizolować czyste DNA organizmu, który nas interesuje.

Gdy w końcu udało się odczytać DNA neandertalczyka, wnioski były interesujące i zaskakujące. Po pierwsze, udało się odkryć, kiedy żył nasz ostatni wspólny przodek. Otóż linie Homo sapiens i Homo neanderthalensis rozeszły się około 800 000 lat temu. Ale, co ciekawsze, współcześni ludzie wywodzący się z terenów Europy i Azji charakteryzują się większym podobieństwem genetycznym do neandertalczyków, niż ludzie wywodzący się z Afryki! Jest to jasny dowód na to, że przedstawiciele gatunku Homo sapiens krzyżowali się z neandertalczykami.

Nowy człowiekowaty

Mało tego, w 2008 roku w Jaskini Denisowej na Syberii znaleziono fragment kości. Jego badania genetyczne – wykonane rzecz jasna przez naszego noblistę – wykazały, że należał do nieznanego wcześniej gatunku człowiekowatych! Nazwano go Denisowianinem i zauważono, że wśród populacji Melanezji i Azji południowo-wschodniej około 6% genów pasuje właśnie do genów tego gatunku.

Z jednej strony pokazuje to, w jaki sposób paleogenetyka pozwala nam zrozumieć, jak wyglądał świat dziesiątki i setki tysięcy lat temu: gdzie żyły które gatunki, i jak wyglądały ich relacje z innymi. Z drugiej, odkrycia laureata mają też znaczenie dziś. Choćby to, że rozpowszechniony wśród współczesnych Tybetańczyków gen ułatwiający przeżycie na dużych wysokościach pochodzi od denisowian. Ale jest tu jeszcze jedna kwestia. Mianowicie badania te mówią nam o tym, co nas odróżnia od pozostałych człowiekowatych – czyli co czyni nas człowiekiem w biologicznym sensie. Jakie różnice na poziomie genetycznym sprawiły, że ludzie są w stanie tworzyć złożone kultury, a neandertalczycy przez kilkaset tysięcy lat swojego istnienia tego nie dokonali? Na to pytanie będą się starały odpowiedzieć badania zapoczątkowane przez tegorocznego noblistę.

Nobel 2022 w dziedzinie fizyki: Alain Aspect, John F. Clauser oraz Anton Zeilinger

Einstein nazwał je kiedyś “upiornym działaniem na odległość”. Z kolei Erwin Schrödinger nazywał je “najbardziej fundamentalną cechą mechaniki kwantowej”. Nobel 2022 w dziedzinie fizyki został przyznany za “eksperymenty ze splątanymi fotonami, potwierdzenie naruszenia nierówności Bella i pionierską informatykę kwantową”. Czym jest to splątanie kwantowe? I dlaczego jest takie ważne? Pozwól, że wyjaśnię!

Od razu zaznaczę,że nie będę tu wyjaśniał całej mechaniki kwantowej, bo temat jest zbyt szeroki. Przecież nawet jeden z jej ojców, Richard Feynman, powiedział: „Jeśli sądzisz, że rozumiesz mechanikę kwantową, to nie rozumiesz mechaniki kwantowej”. Więc jak zrozumieć splątanie kwantowe? Wyobraźmy sobie dwa fotony. Załóżmy, że każdy z nich może drgać w jednej z dwóch płaszczyzn¹: albo góra-dół, czyli w pionie, albo w poziomie, czyli prawo-lewo. Splątanie tych fotonów oznacza, że kierunek drgań jednego i drugiego są ze sobą związane². Ale teraz wchodzi jedna z podstawowych zasad mechaniki kwantowej: jeśli wygenerujemy taką parę fotonów, to do momentu przeprowadzenia pomiaru każdy z nich drga w obu kierunkach jednocześnie. Dopiero gdy przeprowadzimy pomiar, foton musi się zdecydować i zacząć drgać w jednym, określonym kierunku. Co to oznacza w praktyce?

laureaci nagrody nobla z zakresu fizyki 2022

Wyobraźmy sobie, że generujemy taką parę fotonów. Następnie kierujemy je do laboratoriów po przeciwnych stronach kuli ziemskiej, czyli w linii prostej przeszło 6000 kilometrów od siebie. Następnie jedno z laboratoriów mierzy swój foton. W tym momencie zdecydować się na określony kierunek drgań muszą… oba fotony. Natychmiast. I co w tym niezwykłego? Otóż na pierwszy rzut oka wydaje się to być sprzeczne z teorią względności, która mówi, że nic – nawet informacja – nie może się rozprzestrzeniać szybciej niż światło.

Rzeczywistość jest dziwniejsza, niż nam się wydaje

Więc może jednak jest inaczej? Może fotony, zanim się jeszcze rozdzielą, w jakiś sposób ustalają, jak będą drgać po pomiarze? Może ta informacja jest nam niedostępna, ale jest w jakiś sposób w fotonach zakodowana? Otóż nie. I to właśnie udowodnili nasi tegoroczni nobliści. W jaki sposób? Otóż irlandzki fizyk, John Bell, kilkadziesiąt lat temu doszedł do wniosku, że jeśli informacja jest zakodowana w naszych fotonach³, to te cząstki będą się zachowywały nieco inaczej, niż jeśli faktycznie mechanika kwantowa ma rację i fotony decydują się dopiero w momencie pomiaru. Matematyczny opis tej różnicy nosi nazwę nierówności Bella. Spełnienie tej nierówności oznacza, że informacja jest zakodowana w fotonie. Jeśli ta nierówność jest złamana, to znaczy, że tej ukrytej informacji nie ma i decyzja następuje w momencie pomiaru. Czyli faktycznie w wypadku splątania kwantowego informacja pomiędzy fotonami przenosi się natychmiastowo.

I właśnie złamanie nierówności Bella udowodnili laureaci tegorocznej nagrody. W jaki sposób? Otóż rozwijali eksperyment, w którym wysyłali splątane fotony w przeciwnych kierunkach. Na drogach tych fotonów ustawione były cienkie szczeliny – takie, jakie są w okularach przeciwsłonecznych z polaryzacją. Przez taką szczelinę przedostać się mogą tylko fotony drgające w określonej płaszczyźnie, zbliżonej do kierunku, w którym ustawiona jest szczelina. Te szczeliny były ustawione pod nieco innymi kątami. Następnie mierzono, jak często splątane fotony przechodzą tylko przez jedną szczelinę, a jak często przez obie.

I wyniki były jednoznaczne: nierówność Bella jest złamana. Oczywiście, pierwsze, najprostsze eksperymenty to było za mało, żeby z pewnością stwierdzić, że mechanika kwantowa jest poprawnym opisem rzeczywistości. Dlatego też eksperyment był poprawiany i modyfikowany tak, żeby załatać wszelkie dziury. Na przykład zgłoszono uwagę, że być może fotony w jakiś sposób „wiedzą” jak są ustawione szczeliny, i to wpływa na ich zachowanie. Więc badacze zaczęli zmieniać ustawienie szczelin pomiędzy momentem wystrzelenia fotonów a momentem ich dotarcia do szczeliny. Ale może my jesteśmy tendencyjni, ustawiając szczeliny? No to nie będziemy sami ustalać, jak mają być ustawione, tylko skorzystamy z generatora liczb losowych. Albo jeszcze lepiej: na liczby będziemy przetwarzać migotanie odległych galaktyk. Na marginesie – tak właśnie, jak już kiedyś pisałem, działa nauka. Ktoś przedstawia swoje wyniki badań, a następnie inni naukowcy starają się znaleźć wszystko, do czego można się przyczepić. A wtedy inni starają się eksperymenty poprawić. Dopiero jeśli wszystkie próby wykazania błędu nic nie dadzą, możemy uznać, że wyniki są prawidłowe. I tak też było tutaj. Poprawione na wszelkie możliwe sposoby eksperymenty wciąż dawały tę samą odpowiedź: informacja między splątanymi fotonami rozchodzi się natychmiast.

Słyszę teraz Wasze trybiki w głowach, i niestety muszę Was rozczarować. Splątania nie da się wykorzystywać do komunikacji szybszej niż światło⁴. Owszem, informacja o tym, jak drga jeden foton, natychmiastowo przedostaje się do drugiego. Ale nie jesteśmy w stanie tej informacji kontrolować. Innymi słowy: jeśli weźmiemy jeden ze splątanych fotonów i zmienimy kierunek, w którym on drga, to ten drugi, odległy o tysiące kilometrów, nie zacznie nagle drgać w innym kierunku. Zamiast tego fotony po prostu przestaną być splątane. Więc do czego mogą się takie splątane cząstki przydać? Do rozwoju informatyki kwantowej. Czyli na przykład komputerów kwantowych, które mogą przynieść kolejną rewolucję w kwestii czasu skomplikowanych obliczeń. Albo kryptografii kwantowej, która pozwoli na szyfrowanie nie do złamania. I za otwarcie tych perspektyw przyznany został Nobel 2022 w dziedzinie fizyki

Nobel 2022 w dziedzinie chemii: Carolyn R. Bertozzi, Morten Meldal oraz K. Barry Sharpless

Bawiliście się kiedyś klockami Lego? Jeśli tak, to wiecie, jak wygląda łączenie ich: wskakują na miejsce z satysfakcjonującym kliknięciem⁵. A najlepsze jest to, że nie ma problemu z połączeniem dwóch dużych kawałków budowli. Można zbudować jeden skomplikowane kawałek, potem drugi – a następnie połączyć je razem w bardzo prosty sposób. I za wprowadzenie czegoś bardzo podobnego do chemii przyznany został Nobel 2022: „za rozwój chemii 'klik’ i chemii bioortogonalnej”.

laureaci nagrody nobla z zakresu chemii 2022

Mianem “chemii klik” określa się zestaw reakcji, które pozwalają bezproblemowo łączyć duże kawałki molekuł. Te reakcje muszą, oczywiście, spełniać kilka warunków: zachodzić łatwo i szybko, w tym w wodzie i w obecności tlenu, mieć wysoką wydajność, nie produkować zbyt dużo odpadów… Myślę, że widzicie już pewne analogie z klockami Lego. Jeśli dodamy do tego, że produkty reakcji powinny być łatwe do oddzielenia od materiałów startowych i ewentualnego rozpuszczalnika i nie wymagać skomplikowanych katalizatorów, to mamy cały obraz sytuacji. Ale dlaczego to jest takie ważne?

Wiele leków ma naprawdę bardzo skomplikowaną budowę i zawiera wiele tzw. grup funkcyjnych. To fragmenty, które nadają związkowi określony charakter i łatwo ulegają konkretnym reakcjom. Jeśli takich grup trzeba wprowadzić do związku – albo zmodyfikować – wiele, to pojawia się problem. Warunki, w których jedna grupa reaguje tak, jak chcemy, mogą wywołać niepożądaną reakcję innej grupy. Wracając do przykładu klocków lego. Wyobraźcie sobie, że za każdym razem, gdy dołączacie do budowli klocek koloru niebieskiego, wszystkie żółte klocki zmieniają kolor na zielony. W zależności od oczekiwanego efektu mogłoby to sprawić, że budowa całego układu jest albo zdecydowanie trudniejsza, albo zupełnie niemożliwa.

Chemiczne klocki

I tu wchodzi chemia ‘klik’. Pozwala nam ona zmontować niezależnie mniejsze części leków, każdy o znacznie prostszej strukturze, a następnie łatwo połączyć je w jedno. Czyli, wracając do naszych klocków, najpierw budujemy fragment zawierający wszystkie żółte klocki, potem fragment zawierający wszystkie klocki niebieskie, a następnie łączymy je ze sobą⁶. Taka możliwość jest szczególnie przydatna przy poszukiwaniu nowych leków, gdy chcemy przetestować wiele podobnych do siebie związków. Znacznie łatwiej jest przygotować po 10 wariantów każdego z 3 fragmentów związku, i połączyć je na wszystkie możliwe sposoby, niż przygotować 1000 różnych cząsteczek od początku do końca.

Ale to jeszcze nie wszystko. W opisie nagrody była wspomniana “bioortogonalność”. Co to oznacza? Sama “ortogonalność” to spolszczenie angielskiego słowa oznaczającego prostopadłość. W matematyce zbiory ortogonalne to takie zbiory, które nie mają części wspólnej. A w chemii? Dwie grupy są ortogonalne, jeśli w warunkach, w których jedna ulega jakiejś reakcji, druga jej nie ulega, i odwrotnie. I to powinno nam już podpowiedzieć, na czym polega bioortogonalność. Chodzi po prostu o reakcje, które można przeprowadzać w żywych komórkach, nie wpływając negatywnie na ich biochemię.

A po co nam takie coś? Okazuje się, że bywa to bardzo przydatne do badań nad mechanizmami działania komórek. Pozwala na przykład przyłączyć fluorescencyjne związki do konkretnych białek albo fragmentów DNA, a następnie śledzić je pod odpowiednim mikroskopem, a tym samym – dowiedzieć się, w której części komórki się znajdują, oraz kiedy i gdzie się przemieszczają. I właśnie nad tym wszystkim pracowali tegoroczni laureaci: Sharpless jako pierwszy wprowadził koncept chemii ‘klik’. Następnie on i Meldal – niezależnie od siebie – zaprezentowali reakcję, która do dziś jest uznawana za szczytowe osiągnięcie chemii ‘klik’⁷. A Bertozzi zaczęła stosować bioortogonalne reakcje ‘klik’ do badania komórek. Każde z nich przyczyniło się do tego, że możemy syntezować wiele związków łatwiej, czyściej i taniej niż kiedykolwiek, a nasze zrozumienie biochemii na poziomie pojedynczych komórek znacznie wzrosło.

Warto tu jeszcze dodać, że Nobel 2022 to dla Barry’ego Sharplessa druga taka nagroda: został piątą osobą w historii wyróżnioną dwoma nagrodami Nobla. Pierwszego, również z chemii, dostał w 2001 roku za katalizowane chiralnie reakcje utleniania, które pozwoliły na syntezę miedzy innymi tzw. Beta-blokerów, czyli popularnej grupy leków nasercowych. Czy ktoś z Was potrafi wymienić pozostałą czwórkę “podwójnych noblistów”?