Нейроны и «левые» аминокислоты: как на нас влияют открытия нобелевских лауреатов

Нобелевской премии — 125 лет. В честь этого Нобелевский фонд увеличил денежную награду до 12 млн крон (около 1,2 млн долларов) во всех шести номинациях. Представляем лауреатов в области медицины, физики и химии.

Переключатель нервных клеток

За открытия, касающиеся светоуправляемых ионных каналов и оптогенетики, премию вручили американскому биоинженеру Карлу Дейссероту и немецким биофизикам Петеру Хегеманну и Георгу Нагелю.

В начале 2000-х Петер Хегеманн и Георг Нагель обнаружили в одноклеточной зеленой водоросли хламидомонаде новый белок — каналородопсин. Под воздействием синего света в белке открывался ионный канал, и заряженные ионы поступали в клетку, создавая электрический импульс.

Карл Дейссерот превратил каналородопсин в оптогенетический переключатель нервных клеток. Он вводил ген этого белка в нервные клетки крыс и мышей и запускал синим светом нервный сигнал. Таким способом ученые выявили нейронные цепи, отвечающие за память, эмоции, боль, зависимость, тревогу, депрессию и другие состояния. Оптогенетический метод уже применяют для восстановления зрения при тяжелых наследственных заболеваниях сетчатки: например, в 2021 году удалось частично вернуть зрение человеку после 40 лет слепоты. Оптогенетика открывает перспективы для поиска более эффективных методов лечения болезней Альцгеймера и Паркинсона, глухоты, для разработки новых типов систем реабилитации, нейропротезов и проч.

Ловушка для посланий из космоса

Нобелевскую премию по физике присудили бельгийскому физику Фрэнсису Хальцену «за решающий вклад в создание нейтринной обсерватории IceCube и открытие высокоэнергетических нейтрино астрофизического происхождения».

В 1988 году ученый предложил построить телескоп для поиска нейтрино (частица, которая не имеет электрического заряда и почти не имеет массы) в леднике Южного полюса. К 2011 году обсерватория IceCube («Ледяной куб») была готова. В сеть скважин глубиной 1,5–2,5 км погружены более 5 тыс. светочувствительных датчиков. Получился детектор объемом около 1 км³, рабочей средой которого является лед.

Когда высокоэнергетическое нейтрино сталкивается с ядром атома во льду, рождаются заряженные частицы, например мюон. Если частица движется в среде быстрее, чем свет, возникает слабое голубое свечение — черенковское излучение (его открыл советский ученый Павел Черенков, за что и получил в 1958 году Нобелевскую премию). Датчики ловят эти вспышки. Анализируя, в какие модули и с какой задержкой пришел свет, ученые восстанавливают, откуда прилетела частица, а по яркости оценивают ее энергию. Так были пойманы «послания» с блазара TXS 0506+056 в районе созвездия Орион (2017 год) и, предположительно, из активного ядра галактики Messier 77 (2022 год).

В России работает аналогичный телескоп Baikal-GVD — в толще воды Байкала. Если IceCube «смотрит» в основном на северное небо, то Baikal-GVD лучше видит южную часть. Вместе с установкой KM3NeT в Средиземном море они входят в состав Глобальной нейтринной сети.

«Российские ученые занимают лидирующие позиции в мире по изучению свойств нейтрино разных энергий, — рассказал «СР» научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ) академик Александр Сергеев. — В частности, нам в НЦФМ интересны нейтрино крайне низких энергий. В рамках проекта «Сатурн» мы создаем комплекс для детектирования таких нейтрино на основе мощного тритиевого источника. Сейчас проект находится на стадии разработки детекторов. Мы надеемся не только впервые зарегистрировать нейтрино на атомах и измерить его магнитный момент, но и выйти за рамки Стандартной модели, описывающей элементарные частицы и их взаимодействия. Есть свидетельства, что она неполна. Изучение нейтрино — один из самых перспективных путей к новой физике, в том числе к пониманию природы темной материи».

Поиски чистоты в фармацевтике и жизни

Лауреатами Нобелевской премии по химии стали француз Анри Каган и японец Кэнсо Соаи «за открытие нелинейных эффектов и автокатализа в асимметрическом органическом синтезе».

Многие молекулы, например аминокислоты, существуют в двух несимметричных зеркальных формах — как левая и правая рука. Это явление называют хиральностью (от греч. «рука»). По составу молекулы идентичны, но их биологическое действие может быть совершенно разным. Вспомним нашумевшую историю с препаратом талидомид: одна форма молекулы действовала как успокоительное, другая вызывала тяжелые пороки развития плода у беременных. Работы Анри Кагана и Кэнсо Соаи позволили сделать управляемым процесс получения молекулы нужной ориентации.

Анри Каган еще в 1986 году показал, что можно создавать катализаторы, которые направляют реакцию так, чтобы образовывалась преимущественно одна из двух форм молекулы. Это стало фундаментом асимметрического катализа — метода, который сейчас используют во всем мире.

Кэнсо Соаи в 1995 году опубликовал исследование, описавшее первую в истории химическую реакцию, способную привести к гомохиральности: молекулы сами ускоряют образование себе подобных. Это автокатализ — эффект снежного кома на молекулярном уровне, когда крошечный перевес одной формы вырастает почти до 100 %. Открытие крайне важно для понимания того, как возникла хиральная чистота в живой природе — почему, например, белки всех организмов построены почти исключительно из «левых» аминокислот, а ДНК и РНК — из «правых» сахаров. Химики бились над этим вопросом с прошлого века.

Открытия Анри Кагана и Кэнсо Соаи применяют для получения более чистых и безопасных лекарств, в агрохимии, производстве ароматизаторов и парфюмерии, при создании новых материалов. В 2001 году за развитие асимметрического катализа уже вручали Нобелевскую премию, признание вклада Анри Кагана и Кэнсо Соаи подчеркивает, насколько значима эта область.