Ведомости. За какие открытия в биологии, физике, химии и экономике были вручены Нобелевские премии 2012 года? В чём их значение для человечества? Об этом журналистам Новосибирска рассказали учёные СО РАН, работающие в тех же сферах, что и нобелевские лауреаты.

НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ по медицине (физиологии)

Перепрограммирование клеток

КТО? Джон Гёрдон (Великобритания) и Синья Яманаки (Япония)

ЗА ЧТО? За открытие того, что зрелые клетки могут быть перепрограммированы в плюрипотентные (эмбриональные стволовые клетки)

Доктор биологических наук, заведующий лабораторией генетики развития Института цитологии и генетики СО РАН, профессор НГУ Олег СЕРОВ объяснил, за что получили премии англичанин Гёрдон и японец Яманаки.

— Все мы с вами развиваемся из одной единственной оплодотворённой яйцеклетки. Затем из этой клетки, которая начинает делиться, возникает около 220 типов специализированных клеток — клеток печени, нервной ткани, мышечной и так далее. То есть одна яйцеклетка способна давать развитие полному организму через сложные этапы онтогенеза. Встаёт вопрос: а клетки, уже прошедшие дифференцировку и ставшие специализированными, утратили окончательно такое свойство или всё-таки нет? Это один из базовых вопросов в биологии развития. Переформулирую: меняется ли наш геном (совокупность наследственного материала) в процессе нашего развития? Если меняется, то развитие необратимо. Кстати, природа не знает обратного развития ни в одном случае. Гёрден был не первым, кто искал ответы на эти вопросы. Смысл его экспериментов таков: из яйцеклетки убирали её собственное ядро (яйцеклетка, из которой удалено ядро, называется энуклеированной) и вместо него в цитоплазму энуклеированной яйцеклетки помещали ядро специализированных клеток. В частности, фибробластов — клеток, содержащихся в среднем слое кожи, и «нервных клеток» — нейронов. В итоге было доказано, что такая реконструированная яйцеклетка способна при определённых условиях дать полное развитие организму. Первые опыты Гёрдера относятся к 60-м годам, они были проведены им на амфибиях, более поздние опыты — уже на мышах. Этим было доказано, что ядро (а значит, и геном) дифференцированных клеток содержит полную информацию, идентичную той, что содержится в оплодотворённых яйцеклетках. Только нужны условия, чтобы восстановить в такой клетке потенциал, свойственный яйцеклетке. Его заслуга в том, что он показал обратимость специализированных клеток. То есть, если эта клетка фибробласт, то это не значит, что она навсегда приговорена. В природе так и есть, а экспериментатор может придать ей свойства яйцеклетки.

Чтобы объяснить, за что получил премию Яманаки, вспомним другого нобелевского лауреата и тот факт, что в начале нашего развития клетка делится на две, на четыре, на восемь и так далее. Нобелевский лауреат 2007 года биолог Эванс в 80-е годы предложил методику расчленения эмбриона, состоящего из 200—300 клеток, то есть когда клетка поделилась всего 7—8 раз. Он взял определённую часть эмбриона, высадил «в пробирку» и она начала расти. Это были так называемые эмбриональные стволовые клетки. В норме именно из этой небольшой группки в 40—50 клеток мы и развиваемся от начала до конца со всеми нашими органами и тканями, в том числе гаметами (половыми клетками), обеспечивающими нам будущее потомство. Эванс предложил методику их культивирования, и конечно, это был прорыв.

Что сделал Яманака? Анализируя спектры активности генов на ранней стадии их развития, в том числе в эмбриональных стволовых клетках, и сравнивая эти профили генной активности с обычными соматическими дифференцированными клетками (печёночными, мышечными, нейронами), он обнаружил около 50 транскрипционных факторов (белков), которые отличают эмбриональные стволовые клетки от всех других. Дальше, пользуясь генно-инженерным подходом, он провёл эксперимент: транскрипционные факторы клонировал, из 25 факторов сделал «коктейль» и этим «коктейлем» обработал обычную клетку — в его случае фибробласт (клетку кожи). В итоге фибробласты стали превращаться в эмбриональные стволовые клетки и приобрели свойства, характерные для ранней стадии развития. Такие клетки — в отличие от эмбриональных стволовых клеток — были названы IPS-клетки. Важно, что если IPS-клетки, полученные из фибробласта мыши, ввести в ранний эмбрион мыши, то они вырастут, и получится химерное животное, которое в дальнейшем даст потомство. А это прямые доказательства того, что с помощью всего лишь четырёх факторов (их оказалось достаточно) фибробласт приобрёл свойства эмбриональных стволовых клеток. Произошло полное перепрограммирование. Яманака подтвердил вывод Гёрдана о том, что в процессе развития у ряда клеток геном остаётся неизменным и при определённых условиях — при переносе ядра в цитоплазму энуклеированной яйцеклетки либо при воздействии внешней экспрессии транскрипционных факторов — эти клетки восстанавливают свой потенциал. На прошлой неделе появилась статья других японских учёных о том, что из фибробластов из хвоста мыши, обработанных теми же факторами, были получены IPS-клетки, из них культивированы яйцеклетки, которые удалось оплодотворить, трансплантировать натуральным мышам и получить рождение мышей! Осмыслите! Это ведь чудо — из хвоста мыши получено потомство.

Используя IPS-клетки, в перспективе можно будет решить такую важную проблему, как иммуносовместимость: мы не всегда можем пересадить орган от человека к человеку, потому что он отторгнется. Другое дело, если взять у вас же с плеча кусочек кожи и получить ваши собственные IPS-клетки, вернув им состояние, в котором они пребывали на 4-й день зачатия. Сейчас все усилия учёных направлены на то, чтобы научиться дифференцировать эти клетки и создать регенерационную и репаративную медицину, то есть «выращивать» человеку своего рода запчасти. На уровне клеток это уже возможно, органы выращивать — пока нет, но к этому всё идёт. В этом же научном направлении работает и наша лаборатория.

НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ по физике

Квантовый компьютер стал ближе

КТО? Серж Арош (Франция) и Дэвид Вайнленд (США)

ЗА ЧТО? За то, что эксперименты этих учёных открыли дверь для непосредственного наблюдения, измерения и управления квантовыми системами без их разрушения

О премиях по физике попытался рассказать Игорь РЯБЦЕВ — доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией нелинейных резонансных процессов и лазерной диагностики Института физики полупроводников СО РАН.

— То, за что в этом году дали премию, очень близко тем исследованиям, которые мы проводим в нашей лаборатории. Формулировка обеих премий — за прорывные экспериментальные методы, которые позволяют измерять и манипулировать индивидуальной квантовой системой. Все говорят сейчас, что их исследования приблизили возможность создания квантового компьютера. И я согласен: это шаги к созданию такого компьютера. Арош и Вайнленд независимо друг от друга развили методы манипуляции отдельными частицами, сохранив их квантово-механическую природу, и предложили прямые методы наблюдений индивидуальных квантовых частиц без их разрушения. Кубиты (кубит — квантовый бит информации, наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере) квантового компьютера могут быть самыми разными. Так, Вайнленд занимается тем, что заключает одиночные ионы (заряженные атомы) в ловушки, управляет ими, измеряет их параметры с помощью фотонов (частиц света) и создаёт упорядоченные структуры из одиночных ионов, которые могут представлять собой кубиты гипотетического квантового компьютера. Серж Арош поступал наоборот: он захватывал в ловушки «фотоны», изучал их и манипулировал ими.

Чем отличается квантовый компьютер от обычного? Он использует квантовые биты информации, которые могут находиться не только в определённом положении, но и в квантовой суперпозиции. Квантовый компьютер сможет решать некоторые классы задач намного быстрее: если на обычном компьютере задача будет решаться тысячи лет, то на квантовом — один день. Вершиной экспериментальных достижений Вайнленда стало создание специального чипа, который может являться прототипом простейшего квантового компьютера. На сегодня его группа уже продемонстрировала манипуляции с небольшим числом ионов — до 10. Однако для создания полноценного квантового компьютера необходимо около тысячи кубитов. И основная задача в этой сфере сегодня — научиться управлять как отдельными кубитами, так и их ансамблями.

На мой взгляд, оба учёных получили премию по совокупности заслуг, поскольку прорыва в создании квантового компьютера до сих пор нет.

К слову, первое практическое применение экспериментам лауреатов уже нашли — в оптических часах, которые в сотни раз точнее атомных часов. Пока, правда, такие часы существуют только в лабораторных условиях.

НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ по химии

Командуют рецепторы

КТО? Роберт Лефковиц и Брайан Кобилка (США)

ЗА ЧТО? За исследования рецепторов, сопряжённых с G-белками

Интересными деталями исследований Лефковица и Кобилки поделился доктор биологических наук, заведующий лабораторией функциональной нейрогеномики Института цитологии и генетики СО РАН, профессор НГУ Николай ДЫГАЛО.

— Роберт Лефковиц и Брайан Кобилка ключевое для этих исследований время работали вместе, Роберт был научным руководителем Брайана. Премию они получили за исследования рецепторов, сопряжённых с G-белками. Поясню. Наш организм состоит из сотен миллиардов клеток, которые должны очень точно взаимодействовать между собой. Что обеспечивает такое взаимодействие? Рецепторы. Они бывают нескольких типов. И один из них открыли Левковиц и Кобилка. До этого открытия люди знали: есть что-то такое в организме, что реагирует на вещества, например, на наркотики. Это «что-то» назвали рецепторы. Но когда Левковиц начинал в 70-е годы свои исследования, понятие «рецепторы» было абстрактным, более того, фармакологи, вводя тот или иной лекарственный препарат и наблюдая ответные реакции организма, скептически говорили, что рецепторы — это просто удобная концепция, которая позволяет описывать ответы организма на препараты. Левковиц справедливо считал, что это не абстрактная концепция, а совершенно определённые молекулы белков, имеющие свою структуру и механизм действия. Но вот проблема — поскольку рецепторы находятся в мембране клетки, то получить их в чистом виде было чрезвычайно трудно. У его лаборатории ушло на это около 10 лет. Он до середины 80-х получал эти белки, чтобы выделить те гены, которые эти белки кодируют, а потом определить структуру этих генов и понять, как эти белки устроены. Наконец, в 1986 году ему это удалось. Пять лет он и его лаборатория определяли структуру рецепторов, и как раз на этой стадии исследований к нему подключился Кобилка.

Итак, рецепторы — это то, что обеспечивает взаимодействие клеток в организме. Если клетки не будут упорядоченно функционировать, ничего не будет. Типов рецепторов немного и один из них такой: он напоминает пачку цилиндров, которая пронизывает клеточную мембрану, часть рецепторов находится вне клетки, часть внутри. То, что снаружи, и взаимодействует с сигнальными молекулами, например, с гормонами. Лауреаты премии установили, как именно эти молекулы связываются с рецептором и запускают цепь событий внутри клетки при помощи этого G-белка (G — это гуанин, то есть гуанин-связывающий белок). Эти рецепторы (белки) — цепочки из аминокислот, свёрнутые в сложные и динамичные формы, а поскольку эта цепочка пронизывает мембрану клетки семь раз, то их ещё называют 7-трансмембранные рецепторы.

По сути, открывателями этого семейства рецепторов являются Левкович и Кобилка. Выдающееся значение их работ по иcследованию рецепторов, сопряжённых с G-белками, определяется тем, что действие 80% всех известных гормонов и нейротрансмиттеров (таких, как адреналин, серотонин, гистамин и другие), а в добавок к ним рецепция света и запаха осуществляются рецепторами именно этого типа. Второе — более 60% всех назначаемых в настоящее время лекарств также действуют на рецепторы этого типа. Поэтому, безусловно, работы этих учёных создали основу для прогресса исследований рецепторов во всем мире, в том числе в России.

Нам необходимо знать, как работает та «машина», на которую мы поставляем те или иные препараты, как она распознаёт молекулы этих препаратов. Почему это важно? Потому что всё создано природой для определённых нужд. Например, мы имеем собственные лиганды (получение клеткой сигнала от первичных посредников обеспечивают рецепторы, для которых первичные посредники являются лигандами) для тех рецепторов, которые используют наркоманы, потребляя морфий. Собственно морфия у нас в организме, конечно, нет, но есть эндогенные, то есть вырабатываемые в организме, лиганды, которые нужны не для того, чтобы вредить здоровью, а совсем наоборот — чтобы закреплять позитивные для человека события. Можно сказать, любую физиологическую реакцию, которую мы имеем, осуществляют эти рецепторы, например, учащение пульса, восприятие света, запаха и даже закрепление в памяти текста любимой песни. Изучая, с какими конкретно участками молекул связывается тот или иной лиганд, фармакологи могут синтезировать препараты, которые будут распознавать каждый отдельный рецептор. Например, для адреналина в нашем организме имеются девять рецепторов, все они из одного семейства, но все немного разные. Есть препарат клофелин (аналог адреналина) для понижения артериального давления, но помимо тех рецепторов, которые нужно запустить, чтобы снизить давление, он воздействует на массу других рецепторов. Сейчас возникла надежда, что вскоре можно будет создавать препараты без побочных эффектов, которые будут воздействовать только в том направлении, в котором хочет врач. Я очень рад за этих учёных и свои поздравления им направил. Кстати, сам Левкович сказал в интервью, что «да, нобелевские премии выдают персонально, но этим выбором нобелевский комитет отметил целое научное направление и его важность для здоровья людей».

НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ по экономике

Все по парам

КТО? Элвин Рот и Ллойд Шепли (США)

ЗА ЧТО? За теорию стабильных распределений

Кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории методов оптимизации Института математики СО РАН, доцент НГУ Сергей КОКОВИН вышел на связь из Санкт-Петербурга.

— Ллойд Шепли в сотрудничестве с умершим в 2008 году Дэвидом Гейлом разработали алгоритм Гейла—Шепли, который доказал, что в условиях, когда число мужчин и женщин равно, всегда можно выработать механизм, который позволит создать равное количеству мужчин (и женщин) количество стабильных браков. Рот впоследствии исследовал, как применить этот алгоритм на практике. Самый старый пример, который изучал Шепли, — это распределение интернов в госпитали США в 20-е годы прошлого века. Студентов, желающих пойти в интерны, было не очень много, а вот госпиталей, которые в них нуждались, очень много. Чтобы «застолбить» себе будущего интерна, госпитали начали приглашать интернов сначала с 4-го курса, затем с третьего, затем со второго... Ситуация складывалась абсурдная, поскольку на втором курсе студенты зачастую не имели представления о том, какую специализацию они выберут к концу учёбы. Лишь в 1952 году был предложен алгоритм создания единой системы распределения выпускников по местам потенциальной занятости. Это происходило так: каждый студент подавал в общий банк данных список тех госпиталей, куда бы он хотел наняться.

Уже позже, в 1962 году, Гейл и Шепли поняли, что эффективный алгоритм поиска соответствий между желающими наняться и нанять существует. Но они подошли к решению проблемы через… женитьбу. Предположим, в городе наступает брачный сезон. Женихи и невесты съезжаются на бал, и у каждого есть предпочтения — условный список из тех, кого бы он (или она) желал. Оказалось, что механизм, который исторически действовал в высшем свете, является механизмом создания стабильных пар. Его и назвали алгоритмом Гейла — Шепли. Что значит стабильныепары? Это значит, что после того, как все пары будут созданы, не останется ни одной пары, которую бы кто-то из оставшихся без пары смог разрушить. Механизм таков: в первый день женихи делают предложения тем невестам, которые им нравятся больше всего, каждая невеста одному из них говорит «может быть», а остальным говорит «нет». Следующий тур. Каждый из женихов идёт к следующей из «самых желанных» невест в своём списке, и ситуация повторяется. Как только невеста выберет из своих «может быть» одного, она говорит ему «да» и — пара готова. После некоторого количества таких «телодвижений» все мужчины и женщины оказываются разбитыми на пары.

Рот провёл большую работу по применению алгоритма на практике. Так на основе системы распределения выпускников медицинских вузов он создал ещё более эффективный механизм распределения для некоторых других специальностей. В частности, он работает сегодня во Франции для распределения кандидатов наук по экономике по университетам. Среди других его работ — создание системы, которая помогает школьным округам оптимально распределять тысячи учащихся по школам. Экономическую теорию Шепли Рот использовал и для решения проблемы, связанной с поиском донорских органов. Разработанная им система призвана помочь тем, кто при всём желании не может стать донором для своих близких из-за несовместимости типов крови, обмениваться органами с другими, такими же несовместимыми парами доноров.     

 Нобелевская премия вручается по пяти направлениям — физике, химии, физиологии и медицине, литературе и за содействие установлению мира во всём мире. Все они присуждаются с 1901 года.

Кроме того, уже не по завещанию Альфреда Нобеля, а по инициативе Шведского банка с 1969 года присуждается премия его памяти по экономике. Она присуждается на тех же условиях, что и другие Нобелевские премии. В отличие от остальных премий, вручаемых на церемонии награждения нобелевских лауреатов, средства для данной премии выделяются не из наследства Альфреда Нобеля.  В каждой номинации в 2012 году победители получают по 8 млн шведских крон, или 1,2 млн долларов (поскольку их во всех номинациях по двое, премия поделится пополам).

За мир и «галлюцинаторный реализм»

Лауреатом Нобелевской премии по литературе в 2012 году стал китайский писатель, доктор филологии Мо Янь. Премию ему выдали с формулировкой за «галлюцинаторный реализм, с которым он сочетает народные сказания, историю и современность».

Жюри сравнило литературные миры Мо Яня с созданиями Фолкнера и Маркеса и отметило, что прозаик ориентируется в своих произведениях на древнюю китайскую литературу и фольклорную традицию. Известность за пределами Китая 57-летнему прозаику принёс роман, по которому был снят фильм «Красный гаолян». Но в официальном твиттере Нобелевский комитет особо порекомендовал второй роман Мо Яня «Чесночные баллады».

Довольно неожиданным оказалось решение присудить премию мира Европейскому союзу «за историческую роль в объединении Европы». «Евросоюз и его предшественники на протяжении более шести десятилетий вносили свой вклад в продвижение мира и урегулирование конфликтов, развитие демократии и прав человека в Европе», — сказано в сообщении Нобелевского комитета.

Подготовила Елена Квасникова

Рисунки Натальи Журавлёвой

Фото Валерия Панова