Щороку в жовтні стежимо за оголошенням Нобелівських лауреатів, сподіваємося побачити серед переможців українців і дізнаємося про нові й нові досягнення науки. Цією можливістю завдячуємо Альфреду Нобелю, який заповів усі свої статки на створення фонду для вшанування внесків у розвиток науки, культури та суспільства.

Сьогодні разом із експертами МАН розповідаємо, хто і за що має Нобелівську премію 2022 року з фізики, хімії та фізіології або медицини.

Про квантову заплутаність, поради МАНівцям і не тільки: «Нобелівка» з фізики

Цього року Нобелівську премію з фізики отримали Ален Аспе, Джон Клаузер і Антон Цайлінґер «за експерименти із заплутаними фотонами, встановлення порушення нерівностей Белла та новаторство в галузі квантової інформатики». Француз Ален Аспе працює в Університеті Париж-Сакле та Політехнічній школі Палезо, американець Джон Клаузер керує компанією в Каліфорнії, а австрієць Антон Цайлінґер працює у Віденському університеті. 

Про «Нобелівку» з фізики 2022 року поговорили з Юрієм Шиховцевим — викладачем МАНЛаб, молодшим науковим співробітником відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «МАНУ», аспірантом фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Юрій пояснив, що цьогорічні переможці експериментально, на прикладі фотонів — частинок світла — вивчали явище квантової заплутаності. За визначенням експерта МАН, квантова заплутаність — це явище, за якого квантові системи, наприклад, частинки або сукупності частинок, можуть зберігати «зв’язок» між собою навіть на значній відстані. Таким чином, ці системи виявляють певну кореляцію, тобто можуть змінювати фізичні властивості одночасно і за спільними законами. 

Аби зрозуміти, який внесок у науку зробили цьогорічні лауреати, Юрій пропонує зануритись в історію фізики — у 20-ті роки ХХ століття, коли вчені відкрили квантову механіку. Нова галузь змінила уявлення науковців про закони природи, щоправда, не всіх — з цього випливає суперечка Альберта Айнштайна та Нільса Бора. Перший схилявся до думки, що будь-які зміни у природі можна точно передбачити та промовляв: «Бог не грає в кості». Натомість Нільс Бор вважав, що діє статистичний розподіл, тобто можемо тільки передбачити, з якою ймовірністю станеться те чи інше явище. У відповідь він казав: «Айнштайн, припини говорити Богу, що йому робити». 

Ця наукова дискусія сприяла розробці квантової заплутаності у 30-х роках ХХ століття. Пізніше фізик Джон Стюарт Белл запропонував уявний експеримент, який міг би вирішити, хто має рацію — Альберт Айнштайн чи Нільс Бор. «А вже цьогорічні лауреати Ален Аспе, Джон Клаузер і Антон Цайлінґер поставили послідовність реальних експериментів, розроблених як втілення ідеї Белла.  Вони довели, що квантова заплутаність існує, і вона така, якою її уявляв Нільс Бор», — пояснює Юрій. До слова, квантова заплутаність уможливлює роботу квантових комп’ютерів, які нині використовують для машинного навчання, шифрування комунікації та інших видів обробки інформації.

Експерт МАН наголошує, що успіх цьогорічних лауреатів може бути прикладом для тих, хто планує займатися науковою роботою. «Нобелівці» працювали з аж ніяк не мейнстримною темою: вона стала «популярною» лише наприкінці минулого століття, а до цього квантову заплутаність сприймали як абстрактність. Тож Юрій зазначає: «Аналіз тогочасних наукових знань і встановлення стратегічних пріоритетів дозволили фізикам, подолавши початкові перешкоди, отримати цінні результати і світове визнання».  

Про органічні реакції, що здатні рятувати життя: «Нобелівка» за клік-хімію

Нобелівську премію з хімії цьогоріч присудили «за дослідження в галузі клік-хімії» та її застосування для спостереження біохімічних процесів усередині живих клітин. Нагороду отримали троє науковців, серед яких американець Баррі Шарплесс, данець Мортен Мелдал і американка Каролін Бертоцці. До речі, Баррі Шарплесса вже вдруге відзначили «Нобелівкою» — вперше він її отримав 2001 року.

Розберемося в тому, що ж таке клік-хімія і яка її наукова та практична цінність, разом з Олександром Толстовим — завідувачем відділу полімерних композитів Інституту хімії високомолекулярних сполук НАН України, методистом лабораторії хіміко-біологічних наук НЦ «МАНУ». 

Клік-хімія, або «миттєва хімія», — це низка органічних реакцій, які дозволяють швидко й гарантовано отримувати необхідні речовини. Основна їхня особливість — можливість чітко передбачити кількість кінцевих продуктів, а також уникнути утворення небажаних побічних речовин-забруднювачів. А це ж бо поширена в органічній хімії проблема: цінні вихідні речовини йдуть на побічні реакції. Клік-хімія спрощує весь процес — тут не треба вдаватися до багатостадійного складного синтезу та не менш важких процедур очищення речовини. 

Саме цю простоту ставив собі за мету Баррі Шарплесс, який є одним із розробників методів клік-хімії. Натомість Мортен Мелдал допоміг їх удосконалити, запропонувавши шлях прискорення процесу. Внесок Каролін Бертоцці у трійці переможців — у тому, що науковиця показала можливість використовувати методи клік-хімії в живих клітинах або з біомолекулами, що входять до їхнього складу. Раніше вчені теж уміли проводити схожі хімічні реакції, але здебільшого це призводило або до руйнування біомолекул, або до втрати їхніх функцій, або навіть до загибелі клітин. А от новий спосіб із залученням клік-хімії дозволяє робити такі маніпуляції неруйнівними та безпечними.

Але що робить цей винахід таким цінним? Олександр каже, що однією зі сфер застосування клік-хімії в живих організмах є візуалізація: «Так можна легко побачити раніше невідомі або приховані біохімічні процеси, які відбуваються з біомолекулами всередині клітин. Клік-реакції з’єднують досліджуваний об’єкт із молекулами-мітками, які роблять його видимим для “озброєного” ока науковця/-иці».

Також Нобелівське журі вшанувало премією вчених за те, що вони показали потенціал реакцій клік-хімії для створення новітніх ліків і боротьби з онкологічними, генетичними та іншими специфічними хворобами. З багатьма цими захворюваннями важко впоратися тими методами, які пропонує сучасна медицина.

Олександр навів приклад протипухлинної терапії: «Припустимо, пацієнт/-ка приймає речовину А, яка не завдає шкоди, але здатна потрапляти безпосередньо в пухлинну тканину і накопичуватися в ній. Потім вступає у гру клік-хімія: людина вживає лікарський засіб, який з’єднується з біомолекулами ракових клітин, що містять частинки речовини А. Відтак ці змінені біомолекули у складі пухлинних клітин не можуть виконувати свої функції та руйнуються, а самі клітини гинуть». Така процедура майже не завдає шкоди здоровим клітинам, тоді як усі наявні зараз протипухлинні засоби руйнують не лише ракові, а й деякі інші клітини — шкодять важливим органам та імунній системі людини.

Експерт наголошує, що цьогорічна «Нобелівка» з хімії — це приклад того, як науковці можуть у колаборації реалізовувати найсміливіші ідеї на стику багатьох дисциплін: органічної та біохімії, молекулярної та клітинної біології, фізіології, імунології тощо. Цілі команди вчених застосовували увесь свій досвід і сучасні надбання науки, аби перенести прості реакції органічної хімії на складні біологічні об’єкти і таким чином досягти амбітної цілі — відкрити нові шляхи протидії небезпечним хворобам і зберегти безліч людських життів.

«Це про сміливість у генеруванні ідей і їх реалізації. Це важливий приклад для амбітної молоді, для МАНівців, для молодих науковців — уміти розглядати кожне явище з різних боків, відкидати штучні обмеження та сумніви й застосовувати власні знання та знання однодумців, поєднувати різні науки, аби втілювати в життя найшаленіші ідеї, задуми та мрії», — ділиться науковець. 

Що поєднує неандертальців і народи Тибету та до чого тут Covid-19: «Нобелівка» з фізіології або медицини

Цьогорічну Нобелівську премію з фізіології або медицини присудили «за відкриття, що стосуються геномів вимерлих гомінінів та еволюції людини». Переможцем став Сванте Паабо — дослідник зі Швеції, який працює одразу у двох наукових установах: Інституті еволюційної антропології Макса Планка в Німеччині та Окінавському інституті науки та технологій у Японії. 

Про те, чим саме займається Сванте Паабо та яких успіхів йому вдалося досягти у своїй галузі, поговорили з Інною Горюновою — кандидаткою біологічних наук, методисткою лабораторії хіміко-біологічних наук МАН.

Спершу експертка пояснила, який статус-кво панував у науці перед тим, як до справи взявся Сванте Паабо. Вчені проводили палеонтологічні розкопки, знаходили та досліджували кістяки скелетів давніх людей. Так за морфологічними ознаками їм вдалося з’ясувати, що в давнину існували кроманьйонці, неандертальці та деякі інші види. І нас, євразійців, науковці вважали прямими нащадками кроманьйонців, бо ми найбільше схожі саме до них за будовою тіла. Наприклад, підборіддєвий хрящ є ознакою сучасної людини та кроманьйонців. У неандертальців підборіддя відсутнє, натомість їх вирізняють дуже великі надбрівні дуги — нам такі не дісталися. 

Ускладнює вивчення давніх людей за будовою те, що не завжди можна знайти повний кістяк. Ти ж помітив/-ла сині ділянки на черепі, який тримає Сванте Паабо на світлині вище? Справа в тому, що цей череп знайшли розтрощеним ще наприкінці ХІХ століття. Археологи докладали гіпсом ті фрагменти, яких не вистачало, але така реконструкція часом призводить до помилок. Колись це трапилося з тиранозавром рексом: вперше його череп знайшли поруч із фрагментами фаланги пальців, але дійшли хибної думки, що це частина голови, як ріг у носорога.

Метод, який розробив Сванте Паабо, дозволяє уникати такої плутанини. Він винайшов власний спосіб досліджувати геноми стародавніх людей за тими рештками, які вдається знаходити, і став зачинателем нового напряму науки — палеогеноміки. Науковець скористався сучасними методами геноміки та молекулярної генетики задля «розшифровки» геному стародавніх людей, зокрема проводив полімеразні ланцюгові реакції (ПЛР) і визначав, який набір нуклеотидів у ДНК відповідає за певні ознаки наших предків. 

Інакше таку «розшифровку» називають секвенуванням, і вчені 1999 року анонсували, що вдалося повністю секвенувати геном людини. Це мало дуже велике значення для розуміння, які гени є і за що вони відповідатимуть. 

Та все-таки одна справа, коли науковці здобувають ДНК-матеріал для досліджень у лабораторних умовах, і геть інша — коли матеріал міститься в кістяках, які пролежали мільярди років притрушені землею і які люди голими руками дістають чи перекладають. Через це до молекул ДНК потрапляють бактерії, епітелій шкіри рук чи й чужорідна ДНК, які спотворюють результати досліджень. Крім того, вплив атмосферних факторів, як-от вологості чи сонячного випромінювання, руйнує молекули ДНК, що унеможливлює дослідження його коротких фрагментів. 

Авторська методика виділення, екстраочищення та копіювання молекул ДНК, проведення ПЛР та інших досліджень стародавніх викопних рештків, яку запропонував Сванте Паабо, працює навіть за таких обставин. І цим науковець займається з 1988-го, тобто вже майже 34 роки. 

Цьогорічний «Нобелівець» дослідив геноми сучасної та стародавніх людей і довів, що нинішні жителі Європи й Азії походять не лише від кроманьйонців, а ще й мають 1–7% геному неандертальців. Щобільше, він з’ясував, що існує ще один вид стародавніх людей, який співіснував із цими двома та був нашим прямим предком. Фрагменти кісток представників цього виду знайшли 2010 року на Алтаї, а пізніше й у Тибеті, зокрема частину п’ястка руки та щелепи. І хоча цілого черепа віднайти не вдалося, метод Сванте Паабо дозволив «розшифрувати» геноми цих решток і виокремити новий підвид людини розумної — денисівську людину.

«Він показав, що якраз у азійців, зокрема у представників Тибету та Філіппін, у процентному співвідношенні більше геному саме денисівської людини й неандертальців», — пояснює Інна результати аналізу. 

Серед інших вдалося секвенувати ген EPAS1, який відповідає за здатність народів Тибету жити у високогір’ї, де європейцям бракує кисню. Ознаку високої стійкості до гірської хвороби тибетці успадкували від неандертальців — це доводить теорію Сванте Паабо, що ми походимо не лише від кроманьйонців, а також від неандертальців і денисівської людини.

Попри те, що вчений працює з викопними рештками та досліджує стародавніх людей, він відповів і на зовсім свіже наукове питання: чому одні люди дуже важко переносять COVID-19, а інші відносно легко чи й цілком безсимптомно. На основі своїх досліджень Сванте Паабо пояснив, що люди, у геномі яких більший відсоток від неандертальців, мають стійкість до важкого перебігу захворювання ковідом. «Це відкриття може посприяти формуванню стійкості до коронавірусної інфекції Covid-19 у всіх людей на планеті завдяки методам редагування геному», — пояснює значення роботи «Нобелівця» експертка.

Насамкінець Інна поділилась історією про шлях Сванте Паабо в науці. Виявляється, на початку кар’єри він вибрав для дисертації тему з імунології, хоч палеонтологія цікавила науковця вже тоді. Сванте Паабо досліджував єгипетські мумії, як пишуть у наукових джерелах, майже таємно від свого наукового керівника, і врешті вченому дісталася Нобелівська премія аж ніяк не з імунології.

«Справжнього великого успіху досягають ті науковці, що йдуть до своєї мети в напрямку, який їм цікавий. Для того, щоб займатися серйозно наукою і врешті прийти до успіху, серед усього різноманіття біології чи фізики треба вибрати саме те, що цікаво, і багато працювати», — робить висновок експертка.

Нобелівський комітет присудив премії в галузі природничих дисциплін за квантову інформатику, клік-хімію та палеогеноміку. Які досягнення відзначили у трьох інших номінаціях — з економіки, літератури та миротворчості, читай у другій частині статті.

Текст: Катерина Нікішова і Анастасія Шкрьоба

Ілюстрації: Анастасія Василенко