„Bioortogoninė chemija darbe
Šių metų apdovanojimai įvertina darbą su iškastinėmis žmogaus DNR, kvantinio susipynimo paslaptimis ir „spustelėjimo“ chemija
PIRMOJI Nobelio premija, kuri būna paskelbta kiekvienais metais, dažnai vadinama „Nobelio medicinos premija“. Bet tai nėra tikrasis jos pavadinimas. Iš tikrųjų tai yra fiziologijos ar medicinos prizas. Ir šių metų apdovanojimas buvo tvirtai fiziologinėje takoskyroje. Nugalėtojas – ir buvo tik vienas, o ne įprasti du ar trys – buvo Svante Paabo, žmogus, turintis retą išskirtinumą – jis daugiau ar mažiau pats išrado visą mokslinę discipliną – paleogenomiką.
Paleogenomika yra senovės, dažnai išnykusių, biologinių rūšių genomų tyrimas. Visų pirma, daktaras Paabo daugiausia dėmesio skyrė senovės Homo genties atstovams. Jo ankstyvieji darbai, pradedant 1985 m., buvo susiję su Egipto mumijomis. Mumifikacija Egipte prasidėjo maždaug prieš 4600 metų – paleontologiniu požiūriu – akies mirkstelėjimas, o šios šalies dykumos klimatas ypač palankus DNR išsaugojimui. Taigi tai buvo gera vieta pradėti. Tačiau palaipsniui, tobulėjant genetinės sekos nustatymo technikoms, jis sugebėjo atstumti savo darbą laike atgal.
Pirmasis didelis jo proveržis įvyko 1997 m., kai jis nustatė mitochondrijų DNR iš neandertaliečių, Europoje ir Vakarų Azijoje gyvenusių žmonių, kurie išnyko maždaug prieš 30 000 metų. Ląstelės mitochondrijos yra jos energijos paketai, išgaunantys energiją iš gliukozės ir pernešančios ją į molekulę, vadinamą ATP, kuri vėliau skatina medžiagų apykaitos reakcijas. Kadangi mitochondrijos kilo iš bakterijų, kurios prieš maždaug 2 milijardus metų tapo simbiotinėmis su ląstelėmis, iš kurių kilo gyvūnai, augalai ir pan., mitochondrijos turi savo DNR, atskirą nuo ląstelės branduolio. Kadangi ląstelėje jų yra daug, o branduolys yra tik vienas, jų DNR yra daug gausesnė, todėl labiau tikėtina, kad ji išgyvens aptinkamais kiekiais.
Daktaro Paabo analizė parodė, kad neandertaliečių mitochondrijų DNR iš tiesų skiriasi nuo Homo sapiens. Remiantis skaičiavimais, pagrįstais tokios DNR raidos greičiu, buvo apskaičiuota, kada šios dvi rūšys išsiskyrė (prieš 800 000 metų). Tačiau tikrasis prizas atiteko 2009 m., kai jis ir jo kolegos iš Maxo Plancko evoliucinės antropologijos instituto Leipcige (Vokietija), kurį jis padėjo įkurti, paskelbė neandertaliečių branduolinės DNR seką – technologiniams patobulinimams. kad „aptinkamų kiekių“ apibrėžimas iki to laiko pasikeitė. Tai kartu su sekančiomis sekomis leido sudaryti būdingų tik Homo sapiens, bet ne Homo neanderthalensis genų katalogą. Ir tame kataloge, matyt, slypi dar neišaiškintas paaiškinimas, kodėl Homo sapiens yra tokia nepaprasta rūšis.
Vis dėlto didžiausias daktaro Paabo karjeros netikėtumas, tikriausiai, buvo visos naujos rūšies Homo denisova identifikavimas, remiantis jo DNR. Originalus šios rūšies genomas buvo išgautas iš piršto kaulo, rasto Rusijos Altajaus kalnų oloje. Denisovanai buvo artimesni su neandertaliečiais nei su Homo sapiens, o vėlesnė analizė parodė, kad jiedu kartais kryžminosi. Žvelgiant iš šių dienų perspektyvos, svarbiau yra tai, kad abi taip pat kryžminosi su Homo sapiens, kai ši Afrikos rūšis pradėjo atsirasti savo Europos ir Azijos tėvynėse prieš 70 000 metų.
Pėdsakai vis dar yra – šiuolaikiniai europiečiai turi 1–2% neandertaliečių DNR, o kai kurie Azijos ir Australijos gyventojai – net 6% Denisovo DNR.
Taigi daktaro Paabo karjera yra mokslinio aptikimo turas. Ir yra dar vienas dalykas. Nors didžiąją savo karjeros dalį praleido Vokietijoje, jis yra švedas. Alfredo Nobelio testamente buvo nurodyta: „Aiškiai noriu, kad skiriant premijas nebūtų atsižvelgta į tautybę, o būtų įteikta vertingiausiam žmogui, nesvarbu, ar jis skandinavas, ar ne“. Vis dėlto buvo sunku nepastebėti lengvo patriotinio pasididžiavimo išsipūtimo, kai Karolinskos instituto Nobelio asamblėjos sekretorius Thomas Perlmann perskaitė pranešimą.
Susivėlusi dėlionė
Fizikos prizas atiteko trijulei mokslininkų, kurių kvantinės mechanikos pagrindų įžvalgos padėjo pagrindą naujai technologijų erai. Kvantiniai kompiuteriai, kvantiniai tinklai ir saugi kvantinė kriptografija yra pagrįsti eksperimentais, kuriuos kelis dešimtmečius atliko Alainas Aspectas, Johnas Clauseris ir Antonas Zeilingeris.
Jų darbas sukasi aplink reiškinį, vadinamą kvantiniu susipynimu, kai dalelių poros susieja viena su kita, todėl jos elgiasi taip, lyg būtų identiški vienetai. Tai sukelia priešingus intuicijai efektus – pakeitus vienos dalelės savybes tokioje susipynusioje poroje, iš karto pasikeis kita, nesvarbu, kiek toli vienas nuo kito yra dalelės. Jos gali būti šalia viena kitos arba priešinguose galuose galaktikoje.
Albertas Einšteinas, kuris nebuvo kvantinės mechanikos tikimybinio pobūdžio gerbėjas, apibūdino susipainiojimą kaip „baisų veiksmą per atstumą“. Jis ir kiti nerimavo, kad atrodo, kad tai pažeidžia specialiosios reliatyvumo teorijos taisykles, numatančias, kad niekas negali skristi greičiau, nei šviesos greitis. Jis teigė, kad jei įsipainiojusias daleles skiria didelis atstumas, kaip informacija galėtų akimirksniu sklisti tarp jų?
1935 m. Einšteinas ir du kolegos Borisas Podolskis ir Natanas Rosenas pasiūlė minties eksperimentą (vėliau vadinamą „EPR paradoksu“), kad išsiaiškintų, ar keistas elgesys, pastebėtas įsipainiojus, reiškia, kad kvantinė mechanika nėra išsamus tikrovės aprašymas. Galbūt dalelės taip pat nešė paslėptą informaciją, neaprašytą kvantinės mechanikos, apie tai, kaip jos gali veikti eksperimentų metu arba kada buvo išmatuotos. 1964 m. Johnas Stewartas Bellas, fizikas iš CERN, Ženevoje, toliau plėtojo EPR paradoksą ir pateikė patikrinamas prognozes, kad nustatytų, ar paslėpti kintamieji tikrai egzistavo, ar ne.
Beveik po dešimtmečio Johnas Clauseris sukūrė pirmąjį eksperimentą, kad patikrintų Bello idėją. Jo rezultatai sutapo su kvantinės mechanikos prognozėmis ir parodė, kad paslėptų Einšteino kintamųjų, tikriausiai, nėra. Tačiau eksperimentai paliko keletą spragų, kurias devintojo dešimtmečio pradžioje uždarė Alainas Aspectas, tuometinis Paryžiaus-Sud universiteto Orsė mieste, Prancūzijoje, aspirantas. Tikslindamas ir tobulindamas daktaro Clauserio eksperimentus, daktaras Aspectas įdėjo paskutinę vinį į Einšteino paslėptų kintamųjų karstą.
Trečiasis fizikos laureatas Antonas Zeilingeris iš Vienos universiteto dešimtmečius ieškojo būdų, kaip panaudoti kvantinį susipynimą. 1997 m. jis parodė, kad įmanoma perduoti informaciją tarp dalelių, o šis procesas vadinamas „kvantine teleportacija“. Jis taip pat parodė, kad dvi susipynusių dalelių poros gali įdomiai sąveikauti. Visų pirma, sujungus vieną kiekvienos įsipainiojusios poros narį, dvi likusios dalelės (kurios niekada nebuvo kontaktuotos) pačios susipainioja.
Manipuliavimas įsipainiojusių dalelių sistemų kvantinėmis būsenomis tapo tokių technologijų, kaip kvantinis skaičiavimas ir kvantinis šifravimas, pagrindu. Remiantis šių metų fizikos laureatų darbais, signalai, sudaryti iš įsipainiojusių fotonų (šviesos dalelių), buvo siunčiami kelių kilometrų ilgio optinėmis skaidulomis ir netgi perduodami tarp žemės ir šimtus kilometrų virš Žemės skriejančio palydovo.
„Kvantinės informacijos mokslas yra gyvybinga ir sparčiai besivystanti sritis“, – sakė Eva Olsson, Švedijos karališkosios mokslų akademijos fizikos premijų skyrimo komiteto narė. „Jis turi platų ir potencialų poveikį tokiose srityse, kaip saugus informacijos perdavimas, kvantinis skaičiavimas ir jutimo technologija, o prognozės atvėrė duris į kitą pasaulį."
Kalbėdamas po to, kai buvo paskelbtas pranešimas, daktaras Zeilingeris sakė, kad buvo nustebęs, kai sulaukė akademijos skambučio prieš valandą. „Aš vis dar esu šokiruotas, – sakė jis, – bet tai labai teigiamas šokas."
Trečioji mokslo premija, skirta už chemiją, atiteko technikos, vadinamos „spustelėjimo“ chemija, išradėjams. Visa chemija yra molekulių sujungimas ir atskirimas. Detalės neišvengiamai skiriasi priklausomai nuo reakcijos. Tačiau yra daug temos sričių, kuriose būtų naudinga turėti būdą sujungti didelių molekulių blokus, neatsižvelgiant į tų mažesnių vienetų chemines savybes, ir tai daro paspaudimų chemija.
Du iš trijų laimėtojų, Mortonas Meldalas iš Kopenhagos universiteto ir Barry Sharplessas iš Scripps Research, La Jolla, Kalifornijoje (jau yra laureatas už darbą su katalizatoriais), išrado pagrindinį triuką. Trečioji, Carolyn Bertozzi iš Stanfordo universiteto, pritaikė jį naudoti biologinėse sistemose.
Tačiau abiem atvejais jame naudojama cheminių grupių pora – azidai (kuriuose trys azoto atomai yra sujungti iš eilės) ir alkinai (kuriame du anglies atomai yra sujungti triguba jungtimi) – tai, esant tinkamoms aplinkybėms, sureaguoja, kad susidarytų struktūra, vadinama triazolu (penkių narių žiedas, sudarytas iš dviejų anglies ir trijų azoto atomų), o taip pat lieka prijungtas prie pradinių molekulių. Iš esmės azidas ir alkinas yra tarsi dvi sujungtos diržo sagties pusės.
Spustelėkite ir surinkite
Prieš tai, kai dr. Meldal ir dr. Sharpless 2001 ir 2002 m. savarankiškai taikė šiuo klausimu, buvo žinoma, kad azidų ir alkinų reakcija veikė, tačiau tik lėtai ir su tendencija sudaryti produktų mišinį. Jie siekė tai pakeisti ir, šiek tiek eksperimentuodami, atrado, kad vario jonai labai pagerina greitį ir grynumą. Taip gimė paspaudimų chemija.
Ir grynai cheminiams procesams jų metodas pasiteisino. Rezultatas pagerino vaistų kūrimą, DNR sekos nustatymą ir geresnių medžiagų kūrimą, įvardijant tik tris sritis.
Tačiau kai chemija pereina į biologiją, iškyla problema. Vario jonai dažnai yra nuodingi biologinėms sistemoms. Taigi daktarė Bertozzi nusprendė ieškoti būdų, kaip priversti azidus ir alkinus reaguoti be jų dalyvavimo. Jos sprendimas, kurį ji paskelbė 2004 m., buvo įtraukti alkininę sagties pusę į molekulę, kuri ją įtemptų ir taip padarytų reaktyvesne. Ji tai padarė įterpdama trigubo ryšio anglies atomus į aštuonių narių žiedą. Anglies atomų žiedai yra stabiliausi, kai juos sudaro šeši nariai. Aštuonių narių žiedas iškraipo susijusias jungtis, taigi ir sudaro įtampą.
Siekdama išspręsti konkrečią ją dominančią problemą, ty ištirti angliavandenių polimerus, vadinamus glikanais, kurie dažnai randami ląstelių paviršiuose, ji prijungė azidų grupes prie cukraus molekulių, kurios sudaro glikanų subvienetus, ir padavė gautą rezultatą į jos tiriamas ląsteles. Kaip ji tikėjosi, šie modifikuoti cukrūs buvo įtraukti į glikanus. Tada ji galėjo pritvirtinti fluorescencines žymenų molekules prie tų glikanų, kai jie buvo veikiami išorinio pasaulio, pritvirtindama žymenis įtemptais alkino žiedais.
Toks molekulėms būdingas fluorescencinis žymėjimas vis dar yra svarbus bioortogonalinės chemijos panaudojimas, kaip dr. Bertozzi pavadino savo išradimą, kad atskirtų jį nuo vario pagrindu pagamintos versijos. Dabar jis gali būti naudojamas ne tik molekulėms žymėti, bet ir sekti jas aplink ir pamatyti, kaip jos sąveikauja ląstelėje. Be kita ko, tai leidžia geriau suprasti atskirų ligų procesus ir taip pat gali būti panaudota kuriant vaistus. Todėl paspaudimų chemija ir jos bioortogonalioji atšaka yra vieni iš svarbiausių XXI amžiaus cheminių išradimų, o jų išradėjai tikrai yra verti premijos laureatai." [1]
1. "To the winners, the spoils; The 2022 Nobel science prizes." The Economist, 8 Oct. 2022, p. 79(US).
Komentarų nėra:
Rašyti komentarą