Noble 2025 – wyjaśniamy - Pozwól, że wyjaśnię

Czas czytania w minutach: 6

Tak jak co roku, śledzimy Tydzień Noblowski, i tak jak co roku chcemy wyjaśnić Wam, o co chodzi w odkryciach, które zostały wyróżnione. Oczywiście skupiamy się na nagrodach w dziedzinach ścisłych, czyli fizjologii lub medycynie, fizyce i chemii – na temat pozostałych znajdziecie wzmianki na naszym facebooku. A teraz przed Wami – Nobel 2025!

Nobel 2025 w dziedzinie fizjologii lub medycyny: obwodowa tolerancja immunologiczna

Nasz układ odpornościowy jest wspaniałym obrońcą. Codziennie chroni nas przed setkami różnych patogenów, z którymi mamy kontakt¹. Problem polega na tym, że trzeba go bardzo ściśle kontrolować. W idealnych warunkach będzie on niszczył wszystko, co jest wrogie, a zostawiał to, co jest neutralne lub pomocne. Problem w tym, że układ ten nie dysponuje inteligencją – ma tylko zdolność rozpoznawania “swój-obcy”. Ale i ją musi sobie wykształcić.

A co jeśli nie wykształci? Wtedy mamy problem. Pół biedy, jeśli jako szkodliwe potraktuje coś neutralnego – wtedy mamy do czynienia z alergią. Ale zdarza się, że układ odpornościowy nie rozpoznaje właściwie innych komórek należących do naszego ciała. Efekt? Choroby autoimmunologiczne. A jak organizm temu zapobiega? Do podstawowych mechanizmów należą tolerancja centralna i obwodowa. Obydwie dotyczą limfocytów, czyli komórek, które rozpoznają zagrożenia, produkują przeciwciała i ostatecznie zabijają wrogie komórki.

Tolerancja centralna była znana już od dawna. Gdy limfocyty dojrzewają, czy to w szpiku kostnym, czy w grasicy, są “testowane” – jeśli wiążą się z białkami naszego organizmu, są niszczone. I przez długi czas wydawało się, że to wszystko: zbyt bojowo nastawione komórki są eliminowane, koniec tematu. Ale nasi nobliści, Mary E. Brunkov, Fred Ramsdell i Simon Sakaguchi wykazali, że rzeczywistość jest bardziej skomplikowana.

Przyczyniły się do tego eksperymenty na myszach. Gdy kilkudniowym myszom chirurgicznie usunięto grasicę, zaczęły zapadać na choroby autoimmunologiczne. To logiczne – część systemu centralnej tolerancji została usunięta, więc limfocyty T niszczące komórki własne myszy nie były usuwane – stąd choroba. Ale okazało się, że wstrzyknięcie takiej zoperowanej myszy limfocytów T od jej genetycznego bliźniaka chroni przed chorobą autoimmunologiczną! Ale dlaczego? Przecież nie usuwamy nadaktywnych limfocytów?

Sakaguchi uznał, że wśród limfocytów T istnieje podklasa, która zajmuje się “uspokajaniem” nadaktywnych limfocytów, które “wymknęły się” z sita w grasicy. Badania zajęły mu 10 lat, ale udało mu się w końcu tę podklasę wyizolować i opisać. A jaki udział w odkryciu miała pozostała dwójka, Brunkov i Ramsdell?

Oni pracowali w firmie biotechnologicznej, szukając leków na choroby autoimmunologiczne. Dowiedzieli się, że w laboratorium w Oak Ridge zaczęły się rodzić myszy z wrodzoną chorobą autoimmunologiczną – a dotykała ona około połowy samców. Oznaczało to, że wystąpiła jakaś mutacja na chromosomie X. Również około 10 lat zajęło im znalezienie, który konkretnie gen uległ mutacji. Ale gdy to osiągnęli, byli w stanie powiązać tę mutację z ludzką chorobą autoimmunologiczną – IPEX – wykazując, że u dotkniętych nią chłopców zmutowany jest ludzki analog tego samego genu, co u myszy. A co więcej, ich wyniki pozwoliły potwierdzić i wzmocnić odkrycie Sakaguchiego. Istnieje klasa regulacyjnych limfocytów, które powstrzymują zbyt czułe limfocyty przed niszczeniem komórek “właściciela”.

Te odkrycia dają podwaliny pod nowe terapie chorób autoimmunologicznych. Bazują one choćby na namnażaniu regulatorowych limfocytów chorego i podawaniu mu ich, albo na nakłanianiu jego organizmu do produkowania ich w większej ilości. Są również próby modyfikowania regulatorowych limfocytów tak, żeby chroniły przeszczepione organy przed atakiem – to potencjalnie może pozwolić uniknąć terapii immunosupresorami i co za tym idzie wrażliwości na infekcje. Choć jeszcze daleka droga przed nami, to Nobel 2025 w dziedzinie fizjologii lub medycyny został przyznany ludziom, którzy przyczynią się do ogromnej poprawy jakości życia ludzi.

Nobel 2025 w dziedzinie fizyki: mechanika kwantowa w skali makro

Mechanika kwantowa jest… dziwna. Wirtualne cząstki pojawiają się w pustej przestrzeni i w niej znikają, wszystko jest falą, wyniki eksperymentów są niedeterministyczne, a elektrony tunelują, czyli przenikają przez nieprzenikalną barierę, żeby Twój pendrive działał jak trzeba. Ale to wszystko działa tylko w skali mikro, w skali makro żadnych dziwnych efektów nie obserwujemy, prawda?

Nieprawda. I tego właśnie dowiedli John Clarke, Michel H. Devoret oraz John M. Martinis, którym przypadł w udziale Nobel 2025 w dziedzinie fizyki. Zajmowali się oni badaniami nad nadprzewodnikami, czyli materiałami, w których nie ma żadnego oporu elektrycznego. A konkretniej – takimi nadprzewodnikami, które składają się z dwóch osobnych części rozdzielonych barierą izolacyjną. Co teoretycznie powinno sprawić, że elektrony zostaną w tym kawałku nadprzewodnika, w którym zaczęły swoją przygodę… Ale przecież to, że pojedyncze elektrony mogą tunelować, wiadomo już od dawna, więc o co to całe halo?

O to, że w nadprzewodniku elektrony zachowują się nietypowo. Można by powiedzieć, że tracą swoją indywidualność i zachowują się tak, jakby wszystkie łączyły się w jeden duży elektron. Nie mamy więc do czynienia z wieloma pojedynczymi elektronami – dla nich tunelowanie przez tę izolującą barierę byłoby normalne². Ale tu mamy do czynienia z jednym układem składającym się z wielu połączonych elektronów. I pomimo tego naukowcy zaobserwowali tunelowanie przez izolującą barierę w swoim układzie. Ale to nie wszystko! Udało im się uzyskać dodatkowy dowód potwierdzający ich obserwacje.

Sama nazwa “mechanika kwantowa” pochodzi od “kwantów”, czyli “pakietów” energii – mechanika kwantowa zakłada, że układ może absorbować lub emitować energię nie płynnie, tylko w ściśle określonych dawkach. Innymi słowy, musimy ją dostarczać w pakietach określonej wielkości – tak jakbyśmy komuś spragnionemu mogli podawać wodę tylko po szklance, podawanie po pół szklanki – albo po dużym kubku – byłoby niemożliwe. I coś takiego również zauważyli tegoroczni nobliści. Gdy dostarczali układowi energię w postaci mikrofal, to tylko niektóre długości fali były przez układ absorbowane. A im więcej energii układ zaabsorbował, tym szybciej zachodziło tunelowanie, dokładnie tak, jak mechanika kwantowa przewiduje: gdy elektron ma więcej energii, łatwiej mu przebić się przez barierę.

I po co nam to wszystko? Na przykład do tworzenia kubitów, a co za tym idzie – budowy komputerów kwantowych. Ale również po to, żeby lepiej rozumieć otaczający nas świat – pamiętajcie, że drogę do badań stosowanych otwierają badania podstawowe.

Nobel 2025 w dziedzinie chemii: chemiczne klatki

Cząsteczki związków chemicznych mają charakterystyczną dla siebie wielkość i kształt. A co za tym idzie, są miejsca do których pasują, i takie, do których nie pasują. Natura wykorzystuje to bardzo intensywnie: na tej zasadzie działają na przykład enzymy, które przyspieszają określone reakcje chemiczne. Kształt jest również istotny przy działaniu wszystkich innych białek – stąd ubiegłoroczny Nobel z chemii – jak i DNA czy RNA… Łatwo więc sobie wyobrazić miniaturowy regał z przegródkami, do których będą pasowały określone cząsteczki, a inne – nie.

Łatwo wyobrazić, trudniej zrobić – a jednak się udało. I dlatego właśnie Nobel 2025 w dziedzinie chemii powędrował do Susumu Kitagawy, Richarda Robsona oraz Omara M. Yaghiego. Bo im jako pierwszym udało się takie regały zbudować, a tym samym stworzyć nową dziedzinę chemii. Jak to zrobili?

Wykorzystali dość podstawowe właściwości rozmaitych chemicznych bloków budulcowych. Pierwszy był Robson, który wykorzystał to, że grupa nitrylowa w związkach organicznych lubi wiązać jony miedzi. A jony miedzi lubią wiązać cztery grupy nitrylowe naraz, ustawiając je w wierzchołkach czworościanu³. Oznacza to, że przygotowanie bloku budulcowego o kształcie czworościanu, zawierającego w wierzchołkach grupy nitrylowe i zmieszanie go z jonami miedzi pozwoliło na uzyskanie materiału o bardzo regularnej strukturze zbliżonej do diamentu, ale różniącej się od niego jedną, bardzo charakterystyczną cechą: był porowaty. Żeby lepiej to zrozumieć, spójrzcie na grafikę poniżej:

I taki materiał jest silnie porowaty. Tak silnie, że pole powierzchni jednego grama materiału opracowanego przez Yaghiego jest porównywalne z powierzchnią boiska piłkarskiego. I to była jedna z cech, która odróżniała te nowe materiały od znanych już glinokrzemianowych zeolitów, czyli materiałów porowatych wykorzystywanych na przykład do usuwania metali ciężkich z wody. Ale to było coś nowego: układy składające się z metali i części organicznych… Szkieletowe układy metaloorganiczne, czyli z angielska metal-organic frameworks, w skrócie MOF.

A ponieważ układy te zawierały część organiczną, która jest stosunkowo łatwa w modyfikacji i ma dość przewidywalne właściwości, to manipulując nią, można znacząco wpłynąć na właściwości całego materiału. Na przykład, jak Kitagawa, sprawić, że będą elastyczne. Albo dopasować wolne przestrzenie w nich do wielkości i kształtu określonych cząsteczek.

I dzięki temu MOFy mogą być prawdziwym materiałem przyszłości. Mogą pochłaniać bardzo duże ilości gazów, jak na swoją objętość – i to nie “jak leci”. Odpowiednio je projektując, mamy możliwość ustalić, które konkretne gazy zostaną usunięte. Na przykład mogą usuwać ze środowiska zanieczyszczenia. Ale nie muszą ich składować – mogą też katalizować, czyli przyspieszać reakcje rozpadu gazów bojowych. Albo odwrotnie – być wykorzystane do składowania i powolnego oddawania gazowego paliwa. Ale ich użyteczność nie ogranicza się do pracy z gazami – czy to filtracji, czy składowania. Ciecze również mogą w nie wnikać, co pozwala wykorzystać je na przykład do usuwania określonych toksyn z wody. Niektóre z tych zastosowań na razie są testowane pilotażowo, inne weszły już do użytku komercyjnego. A temat MOFów zdobywa coraz większą popularność, więc prawdopodobnie odkrycie wielu ciekawych zastosowań jest jeszcze przed nami.

Bibliografia

Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!

Nobel 2025 w dziedzinie fizjologii lub medycyny: obwodowa tolerancja immunologiczna

Nobel 2025 w dziedzinie fizyki: mechanika kwantowa w skali makro

Nobel 2025 w dziedzinie chemii: chemiczne klatki

Bibliografia

Powiązane wpisy: