Почему так важны открытия, отмеченные Нобелевской премией в 2023 году

Новое семейство вакцин, способных лечить рак; прибор, позволящий заглянуть внутрь атомов; полупроводники, открывающие путь к производству ярких цветных дисплеев, солнечных батарей и красителей: Нобелевский комитет определил лауреатов трех естественно-научных премий этого года. «Детали» разбирались, что открыли эти ученые, и почему это действительно важно.

Физиология и медицина. Вакцины без вирусов

Словосочетание «мРНК-вакцина» вы наверняка слышали. Это, можно сказать, прививка третьего поколения.

На заре вакцинации людям кололи настоящий вирус, убитый или ослабленный, чтобы натренировать иммунные клетки и подготовить их к встрече с этим врагом. Вторым поколением стали векторные вакцины, когда в геном какого-нибудь безобидного вируса встраивали фрагменты генов опасного возбудителя и так сравнительно безопасно знакомили с ним иммунитет. А вот в мРНК-вакцинах вообще нет вируса. Собственно, мРНК – это такая маленькая молекула, которая служит в клетке инструкцией по сборке конкретного белка. Если ввести человеку много таких молекул, нужный белок будет собираться прямо в клетках его организма, и иммунитет тут же с ними познакомится.

Более того, самими этими мРНК заинтересуются особые клетки иммунитета – дендритные. Они выполняют в нашем организме функцию доски «разыскивается полицией»: распознают чуждые генетические фрагменты и заставляют другие элементы иммунитета знакомиться с опасностью.

• Читайте также:
• Нобелевская премия по физике за 2023 год: кому и за что
• Минюст России признал иностранным агентом Нобелевского лауреата
• Россию, Беларусь и Иран не пустят на церемонию вручения Нобелевской премии

В общем, идея вакцин на базе мРНК давно манила ученых, тем более что такие молекулы уже в 1980-х научились синтезировать в пробирке. Но ничего не получалось: синтетические мРНК вызывали у подопытных животных сильное раздражение. Кроме того, не было придумано, как упаковать молекулы для введения в организм.

К 1990-м в концепции разочаровались. Все увлеклись векторными вакцинами, и лишь немногие энтузиасты, такие, как нынешние нобелевские лауреаты Каталин Карико и Дрю Вайсман, продолжали исследовать мРНК-вакцины. И эти двое ученых из Пенсильванского университета сумели найти решение основной проблемы. Решение, которое оказалось весьма неожиданным.

Выяснилось, что мРНК из пробирки были… слишком чистыми! А вот если заменить часть буковок генетического кода слегка модифицированными веществами, раздражения не будет. Результаты работы ученых были опубликованы в 2005 году и, фактически, открыли дорогу к разработке мРНК-вакцин.

Своей главной цели Вайсман не достиг – он мечтал сделать прививку от ВИЧ. Зато его открытие позволило спасти миллионы жизней во время пандемии COVID-19. Особенность этого вида вакцин в том, что их можно сделать очень быстро — ведь не нужно ни живых вирусов, ни культур клеток. Именно к этому семейству принадлежали прививки Pfizer/BioNTech и Moderna, разработанные в рекордно короткие сроки. Но коронавирусом дело отнюдь не ограничивается.

Уже в 2008 году начали испытывать первые мРНК-вакцины от рака. В данном случае это не прививка, которую надо сделать заранее, чтобы предотвратить заболевание, а так называемая терапевтическая вакцина. Когда человек уже болеет, можно взять белки, характерные для клеток именно его конкретной опухоли, и вколоть ему мРНК с инструкцией по сборке этих белков. Иммунитет запомнит их и начнет бороться.

В декабре Moderna отчиталась в успешном прохождении второй фазы клинических испытаний вакцины от меланомы. Она снизила риск рецидива и смерти пациентов на поздней стадии на 44%. Ее конкурент, компания BioNTech собирается построить в Иерусалиме целый завод по производству мРНК-вакцин от рака. Сейчас она испытывает в Британии препараты сразу от нескольких видов онкологических заболеваний.

Дальше – больше. В работе сейчас — мРНК-вакцины от болезней сердца. Они должны доставить в организм инструкции по сборке одного необходимого в сердечной мышце белка. И, наконец, новый подход сделал возможным то, что никогда раньше не удавалось – создать вакцину от бактериальных инфекций. Первый в мире такой препарат – мРНК-вакцину от чумы – недавно создали ученые Тель-Авивского университета.

Все это стало возможным благодаря нынешним нобелевским лауреатам.

Физики. Камера смотрит в атом

По контрасту с премией по физиологии и медицины, открытие нынешних нобелевских лауреатов по физике вряд ли найдет в ближайшее время практическое применение, понятное простым смертным. Зато оно способно сильно продвинуть вперед фундаментальную науку и лучше понять, как устроена материя.

Начнем с жутковатого термина «аттосекунда» – это 1×10⁻¹⁸ секунды. Понять, сколь она мала, поможет красивая аналогия. Аттосекунда относится к секунде так же, как секунда к более чем к 31 миллиарду лет, что в полтора раза больше возраста нашей вселенной! Так вот, нынешние нобелевские лауреаты смогли произвести сверхкороткие световые импульсы, чья продолжительность измеряется в этих самых аттосекундах.

Зачем нам вообще что-то изучать на таких коротких отрезках времени? Дело в том, что именно на этой временной шкале происходят процессы внутри атомов. Скажем, не переход электрона от одного атома к другому требуется 320 аттосекунд.

Сами атомы в молекулах движутся в тысячи раз медленнее, там уже речь счет идет на фемтосекунды. В тех же фемтосекундах измеряется частота колебаний видимого света. Поэтому до 80-х годов прошлого века считалось, что никак нельзя «подсветить» процессы, происходящие на больших скоростях.

Но одна из нынешней тройки лауреатов, Анн Л’Юилье, догадалась, как преодолеть этот предел! Объясним совсем в общих чертах: облучая лазером инертный газ, можно заставить электроны его атомов колебаться и выделять энергию кратно быстрее, чем колеблется волна в этом самом лазере. Те же обертоны, что у звуковой волны в музыке — но быстрее.

Второй лауреат, Ференц Краус, сумел в 2001 году не только сгенерировать такие быстрые световые импульсы, но и измерить их. Он добился одиночных импульсов длительностью 650 аттосекунд. А другая группа ученых во главе с третьим лауреатом, Пьером Агостини, смогла породить серии импульсов продолжительностью 250 аттосекунд каждый.

Это позволило ученым отследить передвижения электронов в режиме реального времени. Фактически, благодаря их исследованиям родилась новая область науки – аттосекундная физика. Теперь ученые могут заглянуть в мир электронов и понять, какие законы управляют этим миром.

История науки показывает, что каждый такой скачок в точности измерений порождает целую серию новых открытий. Пока прошло слишком мало времени, чтобы говорить о практических результатах работы нынешних лауреатов. Но потенциал применения необычайно широк: от электроники и материаловедения до медицинской диагностики.

Химия. Нанотехнологии, которые видно

Ученые, удостоившиеся премии по химии, ждали Нобелевку гораздо дольше. Особенно 78-летний физик Алексей Екимов, который добился своих результатов еще в 1981 году в Государственном оптическом институте имени Вавилова в Ленинграде. Вместе с химиками Луи Брюсом и Мунги Бавенди он получил премию за открытие наноточек – крошечных объектов, делающих нашу жизнь ярче.

Эти точки – объекты столь маленькие, что их свойства определяются квантовыми явлениями. Они состоят всего из нескольких тысяч атомов. И от малейших изменений размера меняются их основные физические характеристики, включая температуру плавления и, что особенно важно для практики, цвет.

Поэтому именно на их основе делают мониторы и телевизоры нового поколения, которые, в отличие от прошлых жидкокристаллических мониторов дают гораздо более яркие и сочные цвета. Еще они позволяют регулировать оттенки светодиодов и производить миниатюрные фотодатчики.

Другое важное применение квантовых точек – зеленая энергетика. Их использование позволяет изготавливать более эффективные и дешевые в производстве солнечные панели.

Наконец, квантовые точки – это новый шаг в изготовлении красителей. Казалось бы, разного рода краски человечество и так неплохо освоило. Но иногда нужны метки особенно яркие и стойкие — например, в медицине и биотехнологиях. С помощью квантовых точек можно помечать, а потом подсвечивать клетки раковых опухолей. Размечать разные биологические ткани. Метить лейкоциты и потом отслеживать их миграцию в организме.

Кто все эти люди?

Русскоязычную публику, конечно, привлекло наличие в числе лауреатов советского ученого. Это первая за последние 13 лет нобелевская премия в области точных наук, данная за открытие, сделанное на территории России. Впрочем, Алексей Екимов последнюю четверть века живет и работает в США.

Разделивший с ним номинацию Луи Брюс – урожденный американец. А третий лауреат Мунги Бавенди учился и работал в Америке, но родился во франко-тунисской семье в Париже.

Лауреат премии о физики Пьер Агостини тоже француз, но родившийся в Тунисе. Так что у тунисцев сегодня двойной повод для гордости. Открытие свое он сделал во Франции, а затем перебрался в США. Первооткрывательница аттосекндных импульсов Анн Л’Юилье тоже француженка, работающая в Швеции. А поделивший с ними премию Ференц Краус родом из Венгрии, но открытия сделал в Германии.

Так уж совпало, что Каталин Карико тоже из Венгрии. Она покидала социалистическую еще страну в 1985 году и везла все свои скромные сбережения контрабандой в плюшевом мишке дочери. Открытия сделала уже в США. Ее соавтор Дрю Вайсман – урожденный американец из еврейско-итальянской семьи.

Размер Нобелевской премии в каждой номинации составляет 11 млн шведских крон — 3,85 млн шекелей по нынешнему курсу. Лауреаты по физике и химии получат, соответственно, по трети это суммы, а Карико и Вайсман разделят 11 млн крон на двоих.

Никита Аронов, «Детали». На фото: нобелевский лауреат Луи Брюс
Фото: AP Photo/Eduardo Munoz Alvarez