На минувшей неделе вручили Нобелевские премии по физиологии и медицине, а также по физике и химии. Ирина Воробьева разбиралась вместе с молекулярным биологом Ириной Якутенко, кто и за что был отмечен высшими научными наградами.

Фото: AP / ТАСС

– Начнем с медицины. Нобелевскую премию дали за разработку вакцин. Видимо, придется напоминать, что это такое, хотя про это писали много, особенно в период ковида…

Ирина Якутенко. Фото: соцсети

– Премию дали не совсем за вакцины, а скорее за работы, которые сделали возможными разработку вакцин. Что такое вакцина? Идея любой вакцинации заключается в том, что мы должны познакомить организм с антигеном – с какими-то характерными фрагментами вируса или бактерии, против которых мы хотим выработать защиту. И когда настоящий вирус или настоящая бактерия попадут внутрь, то организм сможет «узнать» их сразу, запустив иммунный ответ, благодаря которому человек не заболеет или заболеет в легкой форме.

Есть разные типы вакцин. Исходно это были живые вирусы, потом – ослабленные, потом – мертвые, потом – части вирусов. Ученые все время пытались как-то упростить производство вакцин, повысить их эффективность и снизить риски для человека. Потому что живые вакцины, очевидно, могут быть опасны.

Еще в 80-е прошлого века появилась идея вакцины на основе нуклеиновых кислот, суть которой в том, что клетка сама будет синтезировать нужный нам вирусный антиген, например белок. Для этого нужно дать клетке ген с кодом того белка, который мы хотим синтезировать. Было два основных направления поиска решения: дать ген в форме ДНК или в форме мРНК, то есть копии гена, записанной на языке РНК. В наших клетках белки не синтезируются прямо с ДНК, сначала всегда создается РНК-копия, молекула-посредник, и именно ее предлагали давать клетке сторонники второго подхода.

ДНК-направление считалось более перспективным, потому что это более стабильная молекула. Однако опыты показали, что эффект, по разным причинам, оказался низким.

С мРНК при этом вообще ничего не получалось. Когда одна из лауреаток этой премии Каталин Карико научилась стабильно помещать мРНК в определенные типы иммунных клеток, важных для формирования ответа на патоген или вакцину, то обнаружила, что они реагируют на это разрушительным иммунным ответом, который не создает защиту от патогена, а разрушает все вокруг.

По итогам длительных эксперимертов Карико вместе со вторым лауреатом – Дрю Вайссманом, с которым они к тому времени уже давно совместно работали, в том числе, решая проблему создания вакцины от ВИЧ, поняли, в чем была причина разрушительного ответа. Дело в том, что мРНК в клетках человеческого организма после синтеза подвергаются определенным химическим модификациям, причем довольно существенным. Эти модификации, с одной стороны, «сервисные пометки», а с другой – по ним клетка узнает свою родную РНК. Когда Карико и Вайссман вводили в клетки искусственно синтезированную чистенькую мРНК безо всяких пометок, клетки немедленно узнавали в ней чужеродную РНК, скажем, вируса, и начинали бурную реакцию уничтожения, до того как нужный белок успевал синтезироваться.

Ученые продолжили исследования и выяснили, какие ключевые модификации необходимы для того, чтобы клетка перестала принимать созданную in vitro мРНК за чужеродную, а затем научились синтезировать такие измененные мРНК. И они добились того, чтобы клетки начали эффективно синтезировать нужные белки, что впоследствии позволило создать мРНК-вакцины.

Каталин Карико и Дрю Вайссман. Фото: The Royal Swedish Academy of Sciences

– Это же все произошло еще до того, как начался ковид?

– Да. Если бы это произошло после, у нас было бы совсем другое количество жертв пандемии. Хотя в научных кругах Карико с ее идеей фикс, что искусственные мРНк могут работать, считали немного странненькой, денег ей на исследования давали плохо. Поэтому они сначала с Вайссманом и создали коммерческую компанию, но она как-то не пошла. Тогда Карико ушла в фарму и даже какое-то время работала во всем теперь известной BioNTech старшим вице-президентом, так что она имеет самое непосредственное отношение к созданию вакцины от ковида.

– А что касается Вайссмана, который таким же образом хотел создать вакцину от ВИЧ…

– Но не создал.

– То есть ему это открытие не помогло? Они придумали механизм, но в части ВИЧ это не сработало?

– Нет, не помогло. Так часто бывает в науке: исследуют что-то одно, а в ходе исследования открывают какой-то другой эффект, который может оказаться даже более значимым. Вакцину от ВИЧ давно хотят сделать, но работы буксуют в силу природы вируса. Так что тут Вайссман не продвинулся, но зато у него теперь есть Нобелевка.

– А как проводится тестирование подобных открытий? Люди, когда читают о подобном, думают, что опыты проводятся на живых людях, которым что-то вкалывали и смотрели, что с ними в итоге произойдет…

– Ну конечно, нет. Исследуют сначала на культурах клеток. Ученые смотрят, как в принципе это все работает, не умирают ли клетки. Потом испытывают на животных, в том числе дают огромные дозы, чтобы проверить токсичность. И только затем приступают к опытам на людях, которые тоже проходят в три фазы. И если на любой стадии возникают сомнения, проект тормозят и перерабатывают либо закрывают. На все существуют жесткие протоколы, безопасность соблюдается очень четко. Потому что в случае прокола фармкомпании попадают на огромные деньги.

Кстати, для того чтобы сделать вакцину, нужна была еще липидная оболочка. То есть по уму в списке лауреатов премии должны были бы быть еще люди – те, кто сделал эту оболочку.

Ведь, собственно, во многом почему Карико не давали денег на исследования? Потому что было неясно, как эти мРНК доставлять в клетки – способы, которые Карико и Вайссман использовали в лаборатории, для массового применения не подходят. Поэтому все и относились скептически. При этом разработка оболочек шла, ее начинали еще в академии, а закончили люди в фарме: в Moderna и BioNTech, это произошло за несколько лет до пандемии. Китайцы же тоже пытались сделать мРНК-вакцину, но у них не вышло: скорее всего, дело как раз в оболочке и правильных модификациях.

И когда ковид начался, уже был состав оболочки, уже было ясно, куда и как запихивать эти вакцины, и, естественно, уже тестировали это все для лечения или профилактики других заболеваний. Поэтому и стало возможным так быстро начать клинические испытания.

Фото: picture alliance / SvenSimon

– То есть на основе этой технологии, за которую сейчас дали Нобелевку, сделали две мРНК-вакцины, о которых мы знаем: это Moderna и Pfizer, правильно?

– Да.

– А теперь давайте про физику. Премия присуждена за экспериментальные работы, которые позволили получить аттосекундный импульс для изучения поведения электронов вещества. Что я сейчас прочитала, как это понять?

– Да, это сложная «физическая физика», то есть такая настоящая фундаментальная наука. Ключевое слово здесь «аттосекунда». Мы в нашем обычном мире привыкли к другим временам и живем в мире часов, минут, секунд, лет. При этом надо понимать, что физические процессы вокруг нас протекают в разных временах. Например, галактики эволюционируют на протяжении миллиардов лет, а у чего-то очень маленького, наоборот, все процессы протекают сумасшедше быстро. Например, электрон вертится вокруг атома с такой невероятно огромной скоростью (мы говорим о миллионах метров в секунду), что когда мы смотрим на него, то видим лишь размытое облако. Это примерно как если мы пытаемся фотографировать футбольный мяч в момент движения – он перемещается быстрее, чем мы успеваем зафиксировать его на фото.

Значимые изменения в жизни электрона происходят за времена порядка фемтосекунды, то есть 10-15 секунды. И для того, чтобы сфотографировать такие быстрые процессы, затвор камеры, условно говоря, должен открываться на еще более короткое время. Потому что если он будет открыт дольше, у нас получится то самое смазанное изображение. Другими словами, чтобы изучать фемтосекундные процессы, нам нужно аттосекундное время открытия затвора.

На нобелевской конференции докладчик приводил такое сравнение: один удар сердца соотносится со временем жизни Вселенной, которой 13,8 млрд лет, так же, как одна аттосекунда с одним биением сердца. Долгое время считалось, что такой короткий импульс света – то есть такое короткое открытие затвора нашей условной камеры – получить невозможно. Ведь что такое фотография? Это когда мы фиксируем отраженный от объекта поток фотонов. Но можно использовать и, например, электроны: мы посылаем их к объекту, они возбуждают его, и от этого возбуждения объект испускает какие-то частицы, например, тоже электроны, которые отскакивают обратно в нашу камеру или прибор. Мы анализируем этот сигнал и получаем изображение.

Лауреаты, которые получили Нобелевскую премию по физике, решили эту проблему хитрым способом. Энн Л`Юилье еще в конце 80-х провела первые опыты. Она пропускала фемтосекундный лазер через газ. Идея была в том, что энергия лазера как бы выдирала из молекул газа электроны, которые потом возвращались обратно. Но для того, чтобы вернуться обратно, электрон должен отдать лишнюю энергию, которую получил от лазера. И электрон испускает ее в виде короткого импульса. Таких электронов много, и они испускают немножко разные волны, потому что успели убежать на разное расстояние от своих атомов. Те, что убежали дальше, отдадут больше энергии, ну и наоборот. Вот эти импульсы, которые они испускают, сложным образом складываясь, дают аттосекундные вспышки.

Пьер Агостини, Ференц Крауш и Энн Л`Юилье. Фото: The Royal Swedish Academy of Sciences

– А остальные, кто получил вместе с Л`Юилье эту премию, они вместе проводили эксперименты?

– Они не вместе работали. Л`Юилье провела самый первый эксперимент, который показал, что это вообще можно сделать. Потом второй лауреат – Пьер Агостини – сумел сделать так, что эти вспышки шли друг за другом, как бы поездом, – то есть некоторое количество вспышек, связанных вместе. А Ференц Краус научился изолировать и точно измерять отдельные вспышки: фиксировать их характеристики. Это все разработки вокруг одного и того же, но разными людьми и в разное время.

– Нам это что даст? Изображение чего-то, что двигается очень быстро?

– Например, с использованием этих технологий смогли получить новые данные о том, как происходит фотоэффект. 100 лет назад за это Нобелевку дали Эйнштейну, и, казалось бы, это – фундаментальный процесс, чего там нового можно открыть. А просто не могли уйти глубже в эти процессы, понять, что делают электроны при этом, потому что не было способа увидеть. Благодаря работам лауреатов нынешней премии ученые смогли увидеть, как именно перемещаются электроны в процессе фотоэффекта. Если раньше мы могли смотреть только до глубины атомов, а электроны всегда у нас выглядели как нечто размытое, такие облака вероятностей, потому что очень быстро крутились, то теперь можем увидеть все более детально. Соответственно, это позволит углубить наше понимание физических процессов, лучше проработать существующие теории и, может быть, создать новые. Ну и, конечно, подобные открытия потом всегда находят практическое применение. Вот сейчас у нас есть мобильные телефоны, GPS и другие революционные технологии, а когда-то то, что лежит в их основе, было фундаментальными открытиями. Сомневаться не приходится, здесь будет точно так же.

– Ну и, наконец, химия: создание квантовых точек. Тут что-то, что мы уже давно знаем, и все это уже применяется, за что же дали Нобелевку?

– Нобель, кстати, завещал давать премию за практические изобретения… Итак, что такое квантовые точки? Это наночастицы полупроводников, используя которые, мы можем видеть проявления квантово-механических законов на объектах нашего макромира. Мы уже говорили, что времена, в которых живут эти маленькие частицы, удивительны. Ну так у них и много чего другого столь же удивительного. Например, для маленьких частиц работают законы квантовой механики. Для нас не работают, потому что мы большие, у нас много этих частиц, они взаимодействуют друг с другом, и квантовые эффекты, взаимно складываясь и вычитаясь, как бы стираются, перестают быть заметными за другими эффектами. Но если мы спускаемся на уровень наночастиц, то они все подчиняются законам квантовой механики (как тут не вспомнить Шрёдингера и его кота).

Алексей Екимов. Фото: AP / TASS

И одно из таких свойств крошечных частиц заключается в том, что частицы с одним и тем же химическим составом в зависимости от размера могут быть разного цвета. Нам это кажется невероятным: зеленая краска – что в маленькой капле, что в ведре – остается зеленой. И если мы хотим получить другой цвет, нужно добавить другую краску. А здесь вещество ведет себя совершенно нелогично, потому что оно меняет цвет, хотя химический состав не поменялся. Это связано с квантово-механическими эффектами. Из-за того что в таких очень маленьких частичках электроны оказываются в стесненном пространстве, они не могут летать абсолютно свободно, а вынуждены считаться с тем, что у них мало места. И чем меньше пространства, тем больше ограничений на их движение. Когда мы облучаем эти частички светом, то есть даем дополнительную энергию, – электроны могут прыгать внутри своих атомов, но чтобы вернуться на прежнее место, им нужно полученную энергию отдать. А так как им ограничили возможность прыгать, испускаемый свет получается строго определенного цвета, причем что это будет за цвет – зависит от размера частицы и, соответственно, количества свободного пространства для электронов.

Два лауреата нынешней премии по химии – Алексей Екимов и Луи Брус, не только обнаружили этот эффект, но сразу поняли, с чем он связан.

Луи Брус. Фото: Википедия

Екимов работал со стеклами, это было еще при Советском Союзе. Он знал, что стекла бывают разноцветными – в зависимости от того, какие вещества мы добавляем туда. Но также цвет меняется и от того, как именно изготовлено стекло. Это казалось ему нелогичным, и он решил разобраться. Он брал стекла, в которые был добавлен хлорид меди в одинаковом количестве, а потом нагревал при разных температурах и охлаждал тоже по-разному. В итоге у него получилось огромное количество разных по цвету стекол. Екимов изучал их строение при помощи рентгена и обнаружил, что внутри образовывались кристаллики хлорида меди. Он увидел закономерность: в зависимости от размера этих кристаллов стекло получается разного цвета – более синим или более красным. Екимов описал все это в статье в 1981 году. Но дело было в СССР, поэтому с другой стороны «железного занавеса» узнать об этом было практически невозможно.

Луи Брус занимался солнечными батареями и для этого изучал наночастицы полупроводников в суспензии. На два года позже Екимова он обнаружил для них тот же эффект. Но у Бруса не было способа стабильно получать наночастицы разного размера: выходила смесь, ее надо было разделять и чистить, что было долго, дорого и не слишком эффективно.

Третий лауреат – Мунги Бавенди – придумал простой в исполнении способ, как можно получать наночастицы строго определенного заданного размера и к тому же с очень красивой ровной поверхностью. То есть он фактически придумал технологию, которая позволила эти наночастицы разного цвета – их, собственно, и называют наноточки – стабильно производить, что уже напрямую подходило для практики. Наноточки применяют, например, для производства разноцветных LED-лампочек, потому что исходно они голубовато-белые, мертвенные. Также при помощи наноточек красного, зеленого и синего цвета получают очень четкое и яркое цветное изображение в так называемых QLED-мониторах.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

«Йони-стим» и фронтовое броне-какао

Наши страницы в соцсетях