Кубанский государственный технологический университет

Объявлены лауреаты трех естественнонаучных Нобелевских премий 2006 года

31-01-2012

Для авторов научных новостей начало октября — совсем особенное время. По традиции в первые дни этого месяца в Стокгольме объявляются имена очередных лауреатов Нобелевских премий по физиологии и медицине, по физике и по химии — именно в таком порядке. 2006 год, разумеется, не составил исключения.

Нынешний нобелевский сезон можно считать триумфом американской науки, все пять лауреатов — граждане США. Другая особенность: в этом году высшей в научном мире награды удостоились авторы действительно фундаментальных, основополагающих открытий.

Американские ученые забирали все Нобелевские премии до сих пор только дважды — в 1946-м (тогда были только сольные награды) и в 1976 году.

А теперь вот в 2006-м — два тридцатилетних интервала. Интересно, что и в те годы, и сейчас премии достались уроженцам США, не иммигрантам. Правда, один из них, физик Сэмюэл Тинг, стал «коренным американцем» случайно. В 1936 году его родители, профессора из Китая (отец — специалист по инженерным наукам, мать — по психологии) были с визитом в США. Они подгадали возвращение так, чтобы ребенок появился на свет на родине, но мальчик родился досрочно, сильно разочаровав родителей.

Нобелевская премия по физиологии и медицине Нобелевскую премию 2006 года по физиологии и медицине — «за открытие механизма РНК-интерференции (подавления экспрессии генов двухцепочечной РНК)» — разделили Эндрю Файр (Andrew Z. Fire, р. 1959) из Медицинской школы Стэнфордского университета (слева) и Крейг Мелло (Craig C. Mello, р. 1960) из Медицинской школы Массачусетского университета в Вустере (фото с сайта nobelprize.org)

Имена первых лауреатов стали известны 2 октября. Ими стали 47-летний профессор патологии и генетики Медицинской школы Стэнфордского университета Эндрю Файр (Andrew Z. Fire) и 45-летний профессор молекулярной медицины Медицинской школы Массачусетского университета в Вустере Крейг Мелло (Craig C. Mello). Файр и Мелло разделят пополам 10 миллионов шведских крон (1 миллион 360 тысяч долларов).

Отмеченные Нобелевской премией исследования Файра и Мелло были выполнены в 1997 году и опубликованы в феврале 1998 года в журнале Nature. Оба ученых вместе с четырьмя ассистентами ставили свои опыты в лаборатории факультета эмбриологии Института Карнеги в Балтиморе, где в то время работал Файр. В ходе этих экспериментов они почти что случайно сделали замечательное открытие, которое вскоре привело к расшифровке чрезвычайно мощного и универсального механизма «генной цензуры», получившего название «РНК-интерференция» (RNA interference).

Механизм этот очень древний. Скорее всего, биологическая эволюция создала его более миллиарда лет назад, когда нашу планету населяли одни лишь микроорганизмы. С его помощью они получили возможность защищаться от нападений вирусов — не всех, но многих. Позже эту способность у них переняли далекие потомки, грибки и растения, а потом и животные. Многоклеточные организмы также научились прицельно отключать с помощью РНК-интерференции свои собственные гены, прерывая процесс синтеза кодируемых ими белков.

Еще в начале 80-х годов ученые в опытах на кишечной палочке установили, что искусственное введение в клетку синтетических фрагментов одноцепочечных молекул рибонуклеиновой кислоты может приводить к отключению генов. Позднее этот эффект продемонстрировали на растениях, грибках и нематодах. Его объясняли тем, что нуклеотиды введенной цепочки химически спариваются с нуклеотидами комплементарного участка матричной (она же информационная) РНК, считывающей информацию о структуре белка с хромосомной ДНК (стоит напомнить, что процесс биосинтеза молекул РНК на ДНК-матрице называется транскрипцией). В результате этот участок уже не может переносить информацию о белковой структуре рибосомам, внутриклеточным фабрикам протеинового синтеза. Правда, этот механизм подавления экспрессии генов (gene silencing) работал отнюдь не идеально, но ведь живая клетка — дело тонкое.

В 1997 году Файр и Мелло в экспериментах с червями Caenorhabditis elegans обнаружили, что РНК очень эффективно отключает гены, если ее вводить короткими фрагментами, причем не одноцепочечными, а двухцепочечными! Это наблюдение было сделано почти что случайно — исследователи вовсе не предполагали, что такие фрагменты будут работать лучше одноцепочечных, они вводили их просто для контроля. Поначалу это явление казалось совершенно загадочным, поскольку двухцепочечная РНК сама по себе не может связаться с матричной, ей сперва надо расплестись на две нити. Первооткрыватели тоже не могли его объяснить, это удалось сделать лишь позже (к слову, Мелло в том же 1997 году придумал термин «РНК-интерференция» как название механизма подавления экспрессии генов, детали которого были еще непонятны).

Впрочем, интерпретация полученных результатов не заставила себя ждать. Вскоре было доказано, что молекулы двухцепочечной РНК при попадании в клетку дают сигнал к началу работы группы ферментов, которые сначала режут РНК на очень короткие фрагменты, потом расплетают эти фрагменты на отдельные нити и с их помощью удаляют из матричной РНК подлежащие ликвидации участки. В результате содержащаяся на этих участках информация теряется и не передается рибосомам.

РНК-интерференция (РНКи) играет поистине огромную роль в жизни самых разных организмов. С ее помощью клетка разрушает генетический материал атаковавших ее вирусов. РНКи также позволяет клетке вырезать и уничтожать подвижные элементы ее генома, которые могут перемещаться на неположенные места и давать начало опасным мутациям. Наконец, РНКи участвует в регуляции экспрессии функциональных генов и способствует стабилизации хромосомного вещества — хроматина.

Метод РНК-интерференции очень быстро стал мощным исследовательским инструментом молекулярной биологии. Его также рассчитывают использовать для выведения новых сортов растений и для борьбы с раком и другими болезнями, вызванными неполадками на генном уровне. Например, филадельфийская компания Acuity Pharmaceuticals сейчас проводит клинические испытания экспериментального метода лечения макулярной дегенерации сетчатки с помощью РНК-интерференции. Больному непосредственно в глаз вводят короткие фрагменты рибонуклеиновой кислоты, которые заглушают ген, обуславливающий аномальное разрастание сетчаточных капилляров, вызывающее гибель светочувствительных нервных клеток. Так что премию Файр и Мелло получили более чем заслуженно.

Нобелевская премия по физике Нобелевскую премию 2006 года по физике — «за открытие анизотропии и чернотельной структуры энергетического спектра космического микроволнового фонового излучения» — разделили Джон Мазер (John C. Mather, р. 1946) из Центра космических полетов имени Годдарда и Джордж Смут (George F. Smoot, р. 1945) из Калифорнийского университета в Беркли (фото с сайта nobelprize.org)

Премия по физике была объявлена днем позже, 3 октября. Ее получили один из ведущих специалистов расположенного к окрестностях Вашингтона Центра космических полетов имени Годдарда Джон Мазер (John C. Mather) и профессор Калифорнийского университета в Беркли Джордж Смут (George F. Smoot). Эти ученые сыграли основную роль в подготовке запуска научного спутника COBE и в интерпретации результатов работы его аппаратуры. Любопытно, что Мазер — первый штатный сотрудник NASA, ставший нобелевским лауреатом. (Интервью с Джоном Мазером см. здесь.)

COBE — спутник особенный, первый космический аппарат, специально созданный для космологических исследований. Его полное название Cosmic Background Explorer — «исследователь космического фонового излучения». Этот 2270-килограммовый спутник, также известный как Explorer-66, был запущен на круговую полярную орбиту 18 ноября 1989 года. Он нес на борту всего лишь тройку инструментов. Один из них, инфракрасный болометр DIRBE (Diffuse Infrared Background Experiment), измерял интенсивность распределенного по небосводу инфракрасного излучения — феномен интересный, но нобелевку дали не за него. А вот другие приборы, спектрофотометр FIRAS (Far Infrared Absolute Spectrophotometer) и дифференциальный радиометр DMR (Differential Microwave Radiometer), занимались спектральным анализом микроволнового излучения, которое гуляет по космосу уже более тринадцати миллиардов лет. Джон Мазер руководил коллективом ученых, которые собирали данные с FIRAS, а Джордж Смут возглавлял группу DMR.

Открытие микроволнового фонового излучения справедливо считают эпохальным достижением астрофизики XX века. По современным данным, оно возникло спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва, давшего начало нашей Вселенной. В это время космическое пространство было заполнено плазмой из протонов, электронов и ионов гелия, которая находилась в термодинамическом равновесии с горячим электромагнитным излучением. Когда плазма остыла примерно до 4000 градусов, началось образование электронейтральных атомов гелия и водорода (так называемая рекомбинация — процесс, обратный ионизации, то есть образование нейтральных частиц из заряженных), поскольку для их ионизации уже не хватало тепловой энергии. Вследствие этого Вселенная стала прозрачной для электромагнитного излучения, которое отныне могло распространяться на любые расстояния.

Эти световые кванты сохранились с юности мироздания до наших дней (именно поэтому известный советский астрофизик Иосиф Шкловский предложил назвать это излучение реликтовым). Температура реликтового излучения падала обратно пропорционально расширению Вселенной. Поскольку с времен «великого просветления» Космоса его линейные размеры возросли на три порядка, степень нагрева (то есть энергия) реликтового излучения уменьшилась в то же число раз. Однако и в нынешнем виде сильно охлажденном состоянии реликтовое излучение несет чрезвычайно важную информацию о начальных стадиях эволюции Космоса.

Из так называемой горячей модели рождения Вселенной вытекает, что спектр нынешнего реликтового излучения должен почти точно совпадать со спектром абсолютно черного тела с температурой около 2,7 кельвина. Почти — но все же не полностью. Спектр излучения черного тела совершенно гладкий, а вот спектру микроволнового излучения полагается немного «рябить». Иначе говоря, температура квантов, приходящих с разных участков небосвода, должна показывать очень слабые флуктуации. Сначала теоретики считали, что их амплитуда составляет примерно одну тысячную градуса, однако еще до запуска COBE ученые пришли к выводу, что на деле она должна быть в сто раз меньше.

Согласно теории, эти флуктуации выдавали наличие пространственных неоднородностей в распределении материи, рожденной Большим взрывом. Именно эти неоднородности, своего рода «завитки» в структуре пространства-времени, сделали возможным рождение галактик и галактических скоплений. Таким образом, тонкий анализ спектра фонового излучения в принципе позволял выявить распределение вещества в молодой Вселенной. Однако для этого нужны были приборы, установленные на космических платформах, поскольку земная атмосфера поглощает многие участки этого спектра.

Но теория есть теория, а наблюдения есть наблюдения. Реликтовое излучение было предсказано американскими физиками Ральфом Алфером и Робертом Германом в 1947 году и через 17 лет практически случайно обнаружено их соотечественниками Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном. С тех пор его изучали весьма тщательно — как с поверхности земли (точнее, с вершин высоких гор), так и со стратостатов и геофизических ракет. В 80-е годы несколько групп астрофизиков объявили, что его спектр отличается от чернотельного куда сильнее, нежели позволяет уже почти общепринятая к тому времени модель Большого взрыва. Хотя эти утверждения имели под собой куда как непрочное основание, они всё же вызывали сомнения в правильности модели. Требовался решающий эксперимент, который должен был или снять эти возражения, или подтвердить их.

Таким экспериментом и стал запуск COBE. Он проработал в космосе четыре года, но основные результаты дал гораздо раньше. Его приборы с абсолютной убедительностью подтвердили, что спектр реликтового излучения строго соответствует требованиям модели горячего рождения Вселенной. Была точно измерена его температура (2,726 К) и обнаружены ее флуктуации (так называемая анизотропия излучения), причем с амплитудой порядка одной стотысячной доли градуса, как того и требовала теория. Это окончательно убедило ученых, что у концепции Большого взрыва нет серьезных конкурентов. Великий космолог Стивен Хокинг в интервью газете «Таймс» назвал эти результаты величайшим научным открытием XX столетия. Быть может, эта оценка несколько завышена, но достижения Мазера и Смута безусловно стоят Нобелевской премии.

Нобелевская премия по химии Нобелевскую премию 2006 года по химии — «за исследование молекулярной основы транскрипции у эукариот» — получил Роджер Корнберг (Roger D. Kornberg, р. 1947) из Стэнфордского университета (фото с сайта www.gg2.net)

В третьей номинации оказался лишь один награжденный, что в наши дни случается нечасто. Нобелевскую премию по химии получил 59-летний профессор структурной биологии Стэнфордского университета (везет же в этом году Стэнфорду!) Роджер Корнберг (Roger D. Kornberg). Его фамилия сразу же вызывает «нобелевские» ассоциации, и не случайно: отец лауреата Артур Корнберг получил премию по медицине и физиологии в 1959 году (разделив ее с Северо Очоа) — кстати, это уже шестой такой случай в истории Нобелевских премий. По большому счету, оба Корнберга (старшему сейчас 88 лет, и он поздравил сына одним из первых) награждены за достижения в одной и той же области — исследовании процессов передачи генетической информации. Впрочем, ведь и медицинской премией этого года отмечено открытие из того же карасса.

В описании работ Файра и Мелло нам уже встретился термин «транскрипция» — перезапись генетической информации с ДНК на РНК. В этом процессе ключевую роль играет фермент — ДНК-зависимая РНК-полимераза, — молекула которого состоит из 30 000 атомов. Роберт Корнберг получил Нобелевскую премию за фундаментальные исследования, которые привели к гораздо лучшему понимания механизмов работы этого фермента на молекулярном уровне.

Общие принципы действия РНК-полимеразы были известны и раньше. Этот фермент сначала распознает тот участок ДНК, откуда следует начинать транскрипцию (его называют промотором), вступает с ним в химическую связь и, начиная с этого места, расплетает двойную спираль ДНК и копирует одну из ее нитей. По мере движения участка полимеразы растущая в длину цепь информационной РНК отходит в сторону от ДНК-матрицы, и ДНК восстанавливает свою двухцепочечную структуру. Процесс транскрипции заканчивается, когда РНК-полимераза доходит до конца подлежащего копированию фрагмента ДНК и отсоединяется от молекулы-матрицы.

Это общая схема, но в ее реальном воплощении есть множество нюансов. Вероятно, читателям «Элементов» не стоит напоминать, что бывают безъядерные клетки, прокариоты (пример — бактерии), и эволюционно более поздние клетки, содержащие ядро, эукариоты, из которых состоят многоклеточные организмы, в том числе и мы с вами. РНК-полимераза по-разному работает в прокариотических и эукариотических клетках. В частности, у прокариот работе РНК-полимеразы помогает особый молекулярный комплекс — сигма-фактор.

А вот у эукариот дела обстоят сложнее, там полимеразе ассистируют целых пять комплексов с аналогичными функциями. Идентификацией этих комплексов и выяснением их структуры и принципов работы занимались многие, но вклад Корнберга был одним из самых больших. Вместе с членами своей группы он разработал очень элегантную технику экспериментов с эукариотическими дрожжевыми клетками, которая дала много новой информации о процессе транскрипции.

За эту картинку, изображающую, как происходит процесс транскрипции, Роджер Корнберг получил 10 миллионов шведских крон (рис. с сайта nobelprize.org)

Но главное достижение Корнберга — это создание молекулярного портрета работы РНК-полимеразы. Он представлен на цветной картинке, которую Корнберг опубликовал в 2001 году. Белая спутанная нить — это полимераза, синяя — молекула ДНК, оранжевая — строящаяся молекула информационной РНК. Молекула РНК-полимеразы фиксирует копируемую цепочку ДНК в нужной позиции и одновременно обеспечивает правильность подсоединения фрагментов РНК к ДНК-матрице. Зеленая спиралька — это вспомогательный рабочий блок РНК-полимеразы, которая постоянно сдвигает нить ДНК, открывая для копирования новые участки. Картинка невелика, но эксперты Шведской академии наук сочли, что она стоит Нобелевской премии.

Напоследок будет нелишним заметить, что Роджер Корнберг и так уже получил множество престижнейших научных наград, в том числе и Большую премию Французской академии наук (в 2002 году). Тридцать с лишним лет назад он вместе с женой Яли Лорч (Yahli Lorch), которая тоже профессорствует в Стэнфорде, обнаружил нуклеосомы, элементарные блоки упаковки хромосомной ДНК. Фактически, это была работа нобелевского уровня, но щедрая судьба готовила Корнберга для еще более значительных открытий.

Алексей Левин

См. также: Джон Мазер: «Участники "Реликта" получили много ценных результатов, но наши оказались лучше», «Элементы», 06.10.2006.

‹‹