Kolejny rok, kolejni laureaci nagrody Nobla zostali ogłoszeni! Ale czy zasłużyli na to wyróżnienie? Pozwól, że wyjaśnię, za co został przyznany Nobel 2023!
Nobel 2023 w dziedzinie medycyny lub fizjologii: szczepionki mRNA!
Tegoroczną nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny lub fizjologii otrzymali po połowie: Katalin Karikó oraz Drew Weissman, “za ich odkrycia dotyczące modyfikacji zasad nukleozydowych, które umożliwiły opracowanie skutecznych szczepionek mRNA przeciwko COVID-19″. Warto jednak zauważyć, że zastosowanie technologii modyfikowanego mRNA nie tylko pozwoliło w rekordowym tempie opracować szczepionki przeciw COVID-19; daje również perspektywy szybszego i łatwiejszego opracowywania szczepionek na wiele innych chorób. I jak to zwykle bywa, komisja stała przed trudnym zadaniem: które z odkryć prowadzących do opracowania szczepionek mRNA było tym kluczowym, które najbardziej zasługuje na wyróżnienie?
Postawili na modyfikacje zasad nukleozydowych. Po co je modyfikować? Choć uczymy się, że w RNA występują cztery konkretne zasady1Adenina, cytozyna, guanina i uracyl, to w komórkach ssaczych podlegają one rozmaitym modyfikacjom. Co więcej, okazało się, że wstrzyknięcie ssakowi “normalnego” mRNA prowadzi do stanów zapalnych. Ten problem udało się wyeliminować w bardzo dużym stopniu, gdy mRNA podda się niewielkiej modyfikacji – uracyl wstawi się do niego w nieco innej orientacji.
Ale po co nam ta cała technologia mRNA? Żeby szczepionki były dostępne szybciej i były bezpieczniejsze. Szczepionki z osłabionych wirusów wymagają długiego procesu produkcji. Owszem, można kombinować z podawaniem pacjentom konkretnych białek, czy nawet po prostu ich fragmentów, ale choć możemy je stosunkowo łatwo zsyntezować, to białko musi przyjąć odpowiednią strukturę przestrzenną. A o to wcale nie jest tak łatwo. Tymczasem już w kilka dni po ogłoszeniu sekwencji genetycznej koronawirusa badacze mieli sekwencję szczepionki, a w dwa miesiące później zaczęły się próby na ludziach.
To właśnie za umożliwienie tak szybkiego rozwoju szczepionek jest ta nagroda, bardzo zresztą zasłużona. Już pandemia pokazała, jak wielkie znaczenie ma szybka reakcja – a trzeba pamiętać, że technologia mRNA pozwoliła również na modyfikację boosterów tak, żeby lepiej chroniły przed nowymi wariantami wirusa. A przed nami zapewne wysyp nowych szczepionek, ale też terapii – w tym antynowotworowych. A wszystko dzięki naszym nowym noblistom.
Nobel 2023 w dziedzinie fizyki: elektrony w rozbłyskach światła
W dziedzinie fizyki nagrodą Nobla podzieli się w tym roku w równych częściach troje naukowców: Pierre Agostini, Ferenca Krausz i Anne L’Huillier. Zostali nagrodzeni “za metody eksperymentalne generujące attosekundowe impulsy światła do badania dynamiki elektronów w materii.” Innymi słowy – za bardzo szybkie mruganie laserem. Brzmi prosto? Cóż, wcale takie nie jest.
Nie jesteśmy w stanie w żaden sposób tak szybko włączać i wyłączać lasera. Zresztą nawet gdyby się dało, przyniosłoby to inne problemy2Związane z zasadą nieoznaczoności Heisenberga. Przysłona? Też nie. Mówimy tu o naprawdę krótkich czasach. Wiecie, ile to jest jedna attosekunda? Weźcie jedną sekundę i podzielcie ją na milion kawałków. Następnie jeden z takich kawałków podzielcie znów na milion. Gratulacje! Otrzymaliście wycinek czasu o długości… Tysiąca attosekund. W jednej sekundzie mieści się więcej attosekund niż sekund minęło od początku wszechświata do dnia dzisiejszego!
Jak więc uzyskać takie krótkie impulsy? Poprzez interferencję. O co chodzi? Pozwól, że wyjaśnię! Jeśli dwie fale się ze sobą spotykają, to zaczynają się nakładać – i zachodzi między nimi interferencja. Tam, gdzie obie fale są “wygięte” w tę samą stronę, powstaje silniejsza fala. Tam, gdzie są “wygięte” w strony przeciwne, powstająca fala jest słabsza. Więc gdyby tak nałożyć na siebie kilka fal zbliżonych do tej emitowanej przez laser, ale jednak o nieco innej częstotliwości… I to właśnie się dzieje. Noblowskie odkrycie wykorzystuje tak zwane “nadtony”3Tak, te same, które niektórzy mogą kojarzyć z muzyki, żeby zmodyfikować oryginalną falę – wytłumić ją na większości jej długości, pozostawiając tylko ultrakrótkie impulsy.
Pozostaje pytanie – skąd wziąć te nadtony? Wkład Anne L’Huillier w odkrycie w dużej mierze polegał właśnie na stwierdzeniu, że w promieniu lasera przepuszczonym przez gaz takie nadtony się pojawiają. Potem tylko odpowiednia instalacja techniczna… I pojawiły się pierwsze impulsy liczące kilkaset attosekund. Dziś udało się już zejść do kilkudziesięciu, i mamy otwartą drogę w dół, do jeszcze niższych wartości, co jeszcze 30 lat temu zdawało się niemożliwe.
I właśnie te impulsy zostały wykorzystane do badania, jak zachowują się elektrony w procesach chemicznych. Ale to nie jedyne ich zastosowanie. Okazuje się, że można je wykorzystać nie tylko w naukach podstawowych, takich jak chemia fizyczna czy fizyka materii skondensowanej. Pojawiają się już próby stosowania ich w diagnostyce medycznej, gdzie pozwolą badać skład płynów biologicznych (krwi, śliny itp.). Których składniki, potraktowane takimi impulsami, będą “odpowiadały” czymś, co można opisać jako ich unikalny “odcisk palca”. Krótko mówiąc, odkrycie sposobu wytwarzania tak krótkich impulsów otworzyło nam okno na świat, który niedawno jeszcze był dla nas zupełnie niedostępny.
Nobel 2023 w dziedzinie chemii: kolory w nano-skali
Nagrodą Nobla z chemii również podzieli się trzech badaczy: Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus oraz Alexei I. Ekimov. A dostaną ją “za odkrycie i syntezę kropek kwantowych”. Jest tu zachowany podobny trend, jak w nagrodzie z dziedziny fizyki: nagradzamy odkrycia w małej skali. Nie aż tak małej jak attosekundowe impulsy lasera, ale wciąż małej: poniżej dziesięciu nanometrów. Cóż takiego dzieje się w tej skali?
Efekty kwantowe przejmują władzę nad tymi efektami, które znamy z chemii. Jesteśmy przyzwyczajeni do tego, że różne pierwiastki i związki mają różne kolory. Każdy zna kolor srebra, złota czy miedzi. Nie wszyscy wiedzą, że selenek kadmu – a to on jest najpopularniejszym materiałem, z którego robi się kropki kwantowe – jest zielonobrązowy lub ciemnoczerwony… W skali makro. Kolorem tym, obserwowanym w skali “makro”, zarządzają efekty chemiczne, zależne od struktury elektronowej – czyli liczby elektronów, ich rozłożenia w atomach, tego, jak mocno są z jądrami atomowymi związane… Ale jeśli zaczniemy przechodzić do mniejszej skali, otrzymując mniejsze cząstki, do gry wchodzą efekty kwantowe. Elektrony po prostu nie mają takiej swobody, jak w dużych kawałkach materii, a to wpływa na jej kolor[mnf]Między innymi. Wpływa też na temperaturę topnienia i kilka innych właściwości.[/mfn].
A ponieważ efekty są zależne od wielkości, to możemy zmieniać barwę kropek, manipulując ich wielkością. I w ten sposób można przejść przez cały zakres barw – wciąż korzystając z jednego tylko związku, ale podzielonego na porcje różnej wielkości. I właśnie za wykorzystanie tego zjawiska nagrodzeni zostali nasi nobliści: Ekimov – za pierwsze efekty tego typu uchwycone w szkle, Brus – za kropki swobodnie pływające w cieczy, i wreszcie Bawendi – za dopracowanie metody syntezy kropek o ściśle określonej wielkości.
Dobrze, ale po co nam to wszystko? Na przykład – do oglądania telewizji. Słyszeliście kiedyś o technologii QLED4Tak, tam na początku jest litera Q, nie O!? Pierwsza litera wzięła się właśnie od słowa “quantum”, czyli kwantowy. Ale są też i poważniejsze zastosowania. Na przykład – w diagnostyce medycznej. Wyobraźcie sobie mini, a właściwie nanosensory, które świecą tylko w obecności komórek nowotworowych. Albo jeszcze lepiej: kropki kwantowe, które znajdują te komórki nowotworowe, i do nich dostarczają konkretne leki. Co jeszcze? Na przykład czulsze tranzystory, owocujące lepszą elektroniką. Albo udoskonalone panele słoneczne. Dzięki wyróżnionemu nagrodą Nobla odkryciu świat stał się mniejszy – w zupełnie innym znaczeniu tego słowa, niż zwykle się wykorzystuje.
Źródła:
Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!