Вторая неделя октября прошла под знаком науки. Весь мир пристально следил, кому шведский научный комитет присудит нобелевские премии за лучшие научные открытия. Каждый день оглашались новые лауреаты. В понедельник - по медицине и физиологии, во вторник - по физике, в среду - по химии. Остаток недели был уже не так интересен, поскольку премии мира и по литературе к науке не имеют никакого отношения. Разве что по экономике (суббота) иногда дают интересные премии математикам (например, за прикладное применение теории игр, как несколько лет назад). Вот небольшой обзор открытий, отмеченных премиями 2009 года.

Накрутка счетчика для хромосом

Нобелевская премия по медицине и физиологии

Открытие защитных механизмов хромосом от концевой недорепликации с помощью теломер и теломеразы: Элизабет Блекберн (Elizabeth Blackburn), Кэрол Грейдер (Carol Greider), Джек Шостак (Jack Szostack), все - США.

Трое американских ученых в 1984 году обнаружили теломеразу1 - уникальный фермент, который может увеличить количество раз, которое хромосоме позволено копировать себя. В клетке организма роль счетчика делений выполняет теломера - специальный отросток хромосомы. С каждым делением от него откусывается кусочек, пока теломера совсем не закончится. Так вот, теломераза прикрепляет на кончик отростка фрагмент TTAGGG, который помогает восстановить длину теломеры после деления.

Каждая клетка организма изначально запрограммирована на то, сколько раз ей позволено делиться (фиксированный размер теломеры при отсутствии теломеразы). Когда срок выходит (достигнут предел Хейфлика2), клетка умирает, а вместе с ней и весь организм. У людей это называют "старость". А вот теломераза дает бессмертие некоторым клеткам, например, 90% раковых клеток.

Ученые нашли способ обмануть природу и запустить счетчик на бесконечный цикл. Это оказалось совсем несложно. Достаточно всего лишь поддерживать физическую длину белковой цепочки (теломеры) на постоянном уровне. Теломера состоит из РНК и белкового компонента, причем РНК постоянно синтезируется в организме. Так что достаточно лишь добавить необходимый белок. Его называют "каталитическим компонентом теломеразы".

Производство бессмертных клеток в организме идет постоянно. Это стволовые клетки, которые нужны для производства постоянно генерируемых тканей организма (например, эпителий). Кроме них, на аналогичный бессмертный цикл запрограммированы раковые клетки.

Некоторые фармакологические корпорации уже начали тестировать лекарства3, подавляющие теломеразу в раковых клетках. Теоретически это должно остановить рост опухолей.

Если совсем отключить теломеразу в клетках организма, то все клетки будут жить вечно, а организм превратиться в одну сплошную раковую опухоль. Это очень опасное оружие. Поэтому если мы хотим продлить жизнь организма, то счетчик нужно не обнулять, а просто чуть-чуть подкручивать. Например, раз в 25 лет проходить специальную процедуру продления жизни, генную терапию.

ПЗС и оптоволокно

Нобелевская премия по физике

1. Изобретение ПЗС-сенсора: Уиллард Бойл (Willard Boyle), Джордж Смит (George Smith), оба - США.
2. Выдающиеся достижения в области передачи света по волоконно-оптическим линиям связи: Чарльз Као (Charles Kao), Великобритания/США.

8 сентября 1969 года двое американских инженеров из Лабораторий Белла (AT&T Bell Labs) придумали, а позже самостоятельно сконструировали первую в мире микросхему, работающую по принципу пузырьковой памяти, то есть когда заряды под воздействием электромагнитного поля перемещаются в полупроводниковой пленке как цельные "пузырьки", отказываясь разделиться на фрагменты меньшего размера. Бойл и Смит создали аналог таких "пузырьков" в микрочипе, где заряд накапливается и может перемещаться в указанном направлении. Новое устройство назвали "прибором с зарядовыми пузырьками", а позже - ПЗС (прибор с зарядовой связью).

Практически сразу ПЗС начали дополнять кремниевыми фотодиодами, использующими фотоэлектрический эффект для получения заряда. Так появились первые ПЗС-сенсоры, спустя десятилетия совершившие революцию в цифровой фотографии, астрономии, телевидении, медицинской диагностике и других областях.

Интересно, что за объяснение фотоэлектрического эффекта Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию 1921 года, и это была его единственная премия в жизни.

Через несколько лет после изобретения Бойла и Смита американская компания Fairchild Camera and Instrument Corporation (сейчас Fairchild Semiconductor) наладила массовое производство ПЗС-сенсоров. Первая потребительская цифровая фотокамера была изготовлена фирмой Sony в 1981 году (японцы вложили огромные деньги в доработку технологии). Позже ПЗС-сенсоры стали основой для целых классов цифровых устройств нового поколения. Недавно этому выдающемуся изобретению исполнилось 40 лет.

Изобретатели ПЗС-сенсора разделили Нобелевскую премию по физике с уроженцем Китая, гражданином Великобритании и США Чарльзом Као (Charles Kao), который награжден "за выдающиеся достижения в области передачи света по волоконно-оптическим линиям связи".

Британский инженер Чарльз Као проводил свои исследования в 60-х гг. прошлого века, когда передача сигнала по оптоволокну на расстояние двадцать метров считалась огромным достижением. Стандартный уровень затухания сигнала составлял 100 дБ/км. Оптоволокно имело ограниченную сферу применения, например, использовалось в медицине для передачи изображения из желудка пациента.

В 1966 году Као опубликовал научную работу с теоретическим обоснованием, что можно уменьшить затухание до 20 дБ/км, то есть дальность передачи можно довести аж до 100 км, если увеличить прозрачность стекла. Это был невероятный прорыв, ибо никто раньше предположить не мог, что такое теоретически возможно. Работа Као была первой на эту тему, и породила целую волну научных изысканий от других исследователей. В 1971 году американская компания Corning Glass Works изготовила первый километровый образец оптоволокна из плавленого кварца.

Новый материал позволил уменьшить затухание до 17 дБ/км, а добавка диоксида германия снизила его до 4 дБ/км. В наше время лучшие образцы оптоволокна имеют показатель затухания менее 0,2 дБ/км.

3D-модель рибосомы на атомном уровне

Нобелевская премия 2009 по химии

Исследования функций и структуры рибосом: Венкатраман Рамакришнан (Venkatraman Ramakrishnan), США; Томас Стейц (Thomas Steitz), США; Ада Йонат (Ada Yonath), Израиль.

Как известно, структура любого организма запрограммирована изначально в генетическом коде и сохраняется в ДНК. По этой программе (после ее копирования в РНК) происходит производство каждой молекулы нашего организма. Непосредственно компиляцией протеинов занимаются рибосомы - своеобразные роботизированные мини-фабрики, которые присутствуют в каждой клетке. До XXI века наука не знала подробностей этого процесса, но он стал гораздо понятнее благодаря работе, которую нынешние нобелевские лауреаты практически параллельно выполнили и опубликовали в 2000 году. Они в малейших деталях засняли рибосому с помощью криоэлектронного микроскопа и составили функциональную 3D-карту этого органоида. За что и получили Нобелевскую премию по химии 2009 года.

Рамакришнан и Йонат сняли рибосому бактерии Haloarcula marismortui. На иллюстрации показана ее трехмерная модель на атомном уровне. На странице4 нобелевского лауреата Ады Йонат можно посмотреть еще больше анимированных 3D-моделей рибосомы.

Пару слов о патентах. Оглашение Нобелевским комитетом лауреатов премии в области химии стало еще одним доказательством, насколько современная биология запатентована вдоль и поперек, даже самые фундаментальные ее компоненты. Как только был смоделирован функционал рибосом, сразу стало понятно, как рибосомы реагируют на другие молекулы различной структуры. Появилась возможность моделировать на компьютере действие различных искусственных молекул (лекарств), которые могут повлиять на работу рибосом тем или иным способом, в том числе нарушая их работу. Так действуют антибиотики тетрациклин, неомицин и другие. Они убивают вредоносные клетки в организме, присоединяясь к их рибосомам и останавливая их.

Патенты на все лекарства, созданные при помощи этой модели, которая сейчас получила Нобелевскую премию, принадлежат фармацевтическим корпорациям5, которые отчисляют свой процент в том числе нобелевскому лауреату Томасу Стейцу.

Впрочем, патенты всегда были частью науки. Собственно, сама Нобелевская премия выдается с денег, полученных с патента на динамит, который Альфред Нобель оформил в 1867 году.

Анатолий АЛИЗАР