Сегодня - 07.12.2019

Нобелевская премия—2017

06 октября 2017

На этой неделе стали известны имена большинства нобелевских лауреатов 2017-го года. По традиции сибирские учёные прокомментировали премии по физиологии и медицине, физике и химии.

Нобелевская премия 2017 года в области физиологии и медицины была присуждена американским ученым Майклу Янгу, Джеффри Холлу и Майклу Росбашу за открытие молекулярных механизмов, контролирующих циркадные ритмы. Важность этой работы и перспективы ее практического приложения комментирует главный научный сотрудник ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН доктор биологических наук Михаил Павлович Мошкин.
 
«В 2017 году Нобелевский комитет присудил премию за открытие генов, которые определяют работу биологических часов, то есть внутриклеточных механизмов, управляющих суточными или околосуточными (циркадными) колебаниями процессов фактически во всех живых организмах, — пояснил ученый. — Недавно было установлено, что такие процессы характерны не только для эукариот, но и для более простых прокариот: например, цианобактерии тоже способны генерировать циркадные ритмы». Суть механизма заключается в следующем: есть ген под названием период, или per. В процессе своей активности он генерирует белок PER. Когда концентрация последнего достигает некоего порогового значения, то работа этого гена блокируется, а белок в силу естественных причин деградирует. Когда же уровень PER падает ниже порогового значения, снова запускается этот процесс. Такова в чрезвычайно упрощенном виде схема работы биологических часов.
 
«В основе каждого достижения лежат работы предшественников, — отмечает Михаил Мошкин. — На плечах каких гигантов стояли нынешние нобелевские лауреаты? Впервые феномен биологических часов был установлен в 1729 году французским астрономом Жан-Жаком де Мераном, который с удивлением обнаружил, что растения, находящиеся в полной темноте, в подвале или в погребе, показывают суточный ритм движения листьев». С этого началась большая работа по изучению феномена, и уже в 1930-е годы ученые установили, что практически все живые организмы способны формировать подобного рода циклические процессы. 
 
Были выявлены некоторые удивительные свойства биологических часов. В частности, оказалось, что при отсутствии внешних факторов синхронизации (главный из которых — изменение освещенности, то есть смена светлого и темного времени, другие причины — температура, давление, влажность — играют минорную роль) организмы продолжают жить суточным ритмом, но его период немного отличается от 24 часов в большую или меньшую сторону. И поэтому трудно объяснить циркадную периодичность тем, что организм воспринимает некие неизвестные сигналы, обусловленные вращением Земли вокруг своей оси, поскольку период биоритмов в отсутствие светового цикла, как правило,  не совпадает с 24-мя часами. 
 
Далее выяснилось, что этот период является индивидуальной характеристикой, и он очень устойчив в первую очередь к вариации температур. Это был настоящий вызов для физико-химической биологии, поскольку все процессы, основанные на биохимических реакциях, должны подчиняться законам химической кинетики, которая предполагает, что повышение или понижение температуры ускоряет и, соответственно, замедляет процессы. «Исследования при постоянном освещении разных организмов, включая цианобактерии, показывают, что повышение или понижение температуры среды на 10 0С и более приводит к изменениям периодов циркадных ритмов менее чем на 10 %,» — говорит ученый. — «Те, кто помнит основы химической кинетики, знают, что при повышении температуры на 10 градусов процессы должны ускоряться в два с лишним раза, и, соответственно, при понижении замедляться на такую же величину». 
 
Михаил Мошкин
 
Открытие, которое было удостоено Нобелевской премии, дало толчок тому, чтобы начать «распутывать» все эти механизмы, и сейчас ученые сходятся на следующей точке зрения: этот период поддерживается благодаря тому, что не один только ген per и продуцируемый им белок PER определяют 24-часовой цикл, но существуют еще дополнительные контуры регуляции. «Например, в технике известны системы обратной связи, которые компенсируют изменение температуры. Так и здесь: когда повышается температура среды, всё начинает работать быстрее, и одновременно с наработкой белка, участвующего в формировании цикла, активизируются гены, тормозящие эту наработку, — поясняет М. Мошкин. — И поскольку оба процесса температурозависимы, взаимная компенсация приводит к тому, что ожидаемого ускорения или замедления биологических часов не происходит, они работают с высокой точностью».
 
Что же послужило основой для выделения этих генов? Уже в 1950—1960-е годы ученым было понятно, что данное свойство организма — внутреннее, и оно чем-то регулируются. Встал вопрос: существуют ли гены, определяющие работу биологических часов? И здесь огромный вклад внесли американские ученые Сеймур Бензер и Рональд Конопка. Они провели масштабный направленный эксперимент на дрозофилах, в ходе которого с помощью химического мутагенеза получили более тысячи мутантных линий мух и обнаружили: некоторые линии насекомых, находясь в условиях постоянного освещения, имеют более короткий период собственного ритма, другие — более длинный, а еще появилась группа «аритмиков», у которых какого-то определенного ритма не наблюдалось. 
 
То есть к тому моменту, когда нынешние нобелиаты задумались над проблемой циркадных ритмов, в их распоряжении уже имелись линии мух, у которых были генетически обусловленные изменения периода. А дальше — дело техники: нужно выделить и охарактеризовать гены, отвечающие за этот процесс. 
 
«В фигурном катании одну оценку ставят за технику, а другую — за артистизм. Если говорить о моем личном впечатление от этой работы, то она — показатель высокой техники: умелые люди в хорошо оборудованных лабораториях решили сложную задачу, — делится Михаил Мошкин. — В тоже время, когда Янг, Холл и Росбаш проводили свои эксперименты, решались десятки, если не сотни задач по выявлению генов, отвечающих за те или иные поведенческие или физиологические процессы. И все они шли примерно по одному и тому же пути, но Нобелевский комитет решил отметить именно этих ученых, и они, безусловно, достойны этой премии». 
 
Почему это открытие актуально? «Мы были в числе первых, кто собрал убедительные доказательства в пользу того, что во время пребывание человека в Антарктиде или на Крайнем Севере во время полярной ночи и полярного дня действительно происходят существенные изменения суточных ритмов целого ряда функций организма, — рассказывает ученый. — В 1975—1976 годах, когда мы пришли к этим выводам, была опубликована большая обзорная статья американских ученых под названием «Биологическая широта и ритм», в которой говорилось, что ничего особенного в этих условиях с человеком не происходит, а все изменения в его организме связаны с тем, что нарушается ритм активности, сна и бодрствования. Мы же подтвердили: независимо от образа жизни целый ряд внутренних процессов реагирует на изменение фотопериода». И сейчас становится понятно, что это один из важнейших факторов, влияющих на здоровье людей, которые живут и трудятся в условиях Крайнего Севера. Теперь, когда известна и молекулярная основа действия биологических часов, есть возможность проанализировать, какие варианты генов более и менее благоприятны для работы в полярных условиях, как это связано со стабильностью всей системы.
 
«Можно ли обойтись вообще без генов, регулирующих циркадные ритмы? Оказывается, да, — рассказывает ученый. — Например, проводились эксперименты на мышах, у которых с помощью технологии генного нокаута соответствующие гены были выключены. Выяснилось, что такие грызуны способны жить, правда, меньше, чем те их собратья, у которых всё в наличии. Еще у подопытных животных появляется повышенная склонность к канцерогенезу и нарушениям обменных процессов. Поэтому внутренние часы, которые наводят порядок в организме, не менее важны, чем оптимальный режим дня и правильная диета».
 
Лауреатами нобелевской премии по физике в 2017 году стали Кип Стивен Торн (США), Барри Барриш (США) и Райнер Вайс (США, родился в Германии) за основополагающий вклад в создание детектора LIGO и наблюдение гравитационных волн. Эти достижения комментирует профессор университета Феррары в Италии, заведующий лабораторией космологии и элементарных частиц НГУ, доктор физико-математических наук Александр Дмитриевич Долгов.
 
Александр Долгов
 
— На мой взгляд, — отметил Александр Долгов, — это великая работа, удовлетворяющая нескольким критериям, которые определяют ее значимость. Во-первых, был сделан очень тонкий и точный  эксперимент: чтобы зарегистрировать гравитационную волну, а она очень слабенькая, нужно  уметь  измерять расстояния в сто миллионов раз меньше размеров атома. Во-вторых, в результате этой работы, впервые было показано, что общая теория относительности работает для очень сильных полей, ранее ОТО была проверена только для слабых полей. Третий значимый критерий — то, что работа нобелевских лауреатов вводит в действие новый тип телескопа, телескопа гравитационных волн, позволяющего наблюдать Вселенную на громадных расстояниях  в миллиарды световых лет. И, конечно же,  это открытие ставит новые проблемы, которые,  вероятно, приведут к другим открытиям.
 
Гравитационные волны — это колебания пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света от источника, где движутся с ускорением очень большие массы. Гравитационное поле очень слабое, но под его действием само пространство меняет свои свойства. К тому же, в отличие от электромагнитного, его невозможно экранировать и именно поэтому  мы все чувствуем силу тяжести. 
 
К настоящему моменту уже зафиксировано пять наблюдений гравитационных волн, в том числе с помощью недавно построенного в Италии детектора Virgo. Интерпретация самого первого подразумевает, что это был сигнал, пришедший от двух черных дыр, вращавшихся вокруг общего центра тяжести по спиральной орбите. Происходило сближение, а потом взрывообразное слияние черных дыр — в этот момент энергия излучения гравитационных волн была больше, чем энергия излучения всей Вселенной: 3 солнечных массы за тысячную долю секунды.
 
— Столкнулись две, так называемых, шварцшильдовских черных дыры, без электрического заряд и  углового момента. Их масса составляла 29 и 36 солнечных масс (СМ) . Масса объекта после слияния составила 62 СМ, т.к 3 СМ были унесены мощнейшей гравитационной волной. Слияние произошло около 1 млрд лет назад. 
 
Интересно, что первое событие было зафиксировано почти сразу, как только, включили детектор. Что это — поразительное везение или таких черных дыр немало? Выяснилось: их действительно довольно много, вероятно, такие объекты скоро будут регистрировать гораздо чаще, поскольку через год-другой планируется увеличить чувствительность детектора LIGO в три раза. И объем видимой посредством гравитационных волн вселенной вырастет в 27 раз, соответственно и частота обнаружения таких черных дыр, если они равномерно распределены по Вселенной, будет  в 27 раз чаще — т.е. каждый день будет регистрироваться такое событие, — добавил Александр Долгов.
 
Один из вопросов, который пока остается без ответа — откуда появились те самые две черных дыры, без электрического заряда, без углового момента? Второе – почему они образовали двойную систему?
 
— Например, двойных звезд очень много, но, когда они коллапсируют, их система разрушается. Кроме того, черная дыра, образующаяся при коллапсе звезды, имеет свой собственный угловой момент. Поэтому считается, что черные дыры,  гравитационные волны от которых были зафиксированы - образовались задолго до рождения обычных звезд. Пока нет объяснения как «родились» такие первичные черные дыры в дозвездную эпоху. Сейчас, на наших глазах рождается новая астрономия гравитационных волн, и можно будет рассчитывать на новые открытия, — заключил Александр Долгов.
 
Нобелевскую премию по химии, которая в нынешнем году была присуждена Жаку Дюбоше (Швейцария), Иоахиму Франку (США) и Ричарду Хендерсону (Великобритания) за разработку метода криоэлектронной микроскопии, комментирует руководитель группы микроскопических исследований Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН доктор биологических наук, профессор Елена Ивановна Рябчикова.
 
Елена Рябчикова
 
 — Человечество с незапамятных времен стремилось получше разглядеть мелкие объекты. На протяжении многих лет, начиная с линз Антони Ван Левенгука и оптической системы Роберта Гука, микроскопы постоянно совершенствовались. Первой появилась световая микроскопия, затем — идея сделать электронный микроскоп, где изображение формируют электроны, испускаемые катодом. Однако тут есть проблема: для того, чтобы электроны долетели до экрана, пройдя образец, они должны быть разогнаны (ускоряющее напряжение в биологических микроскопах — 80 000 В), соответственно, катод нагревается. Высокая температура, летящий пучок электронов, вакуум — все эти факторы делают невозможным изучение живых (нефиксированных) биологических объектов. 
 
Изучение нефиксированных биологических объектов (клетки, вирусы, бактерии, макромолекулярные образования) необходимо для понимания их нативной структуры, не измененной химической обработкой для электронной микроскопии. К решению этой задачи стали подходить, имея опыт замораживания клеток и тканей для световой микроскопии. Образец замораживается в воде, и при низкой температуре специальный прибор делает срезы льда, потом их можно поместить на стекло, в результате мы получаем клетку, в которой все сохранено, ее ферментные системы некоторое время действуют, и их можно визуализировать с помощью специальных красителей. Микроскопия замороженных срезов существует достаточно давно и используется до сих пор, в частности, для диагностики: в клинике прямо во время операции можно провести нужные действия, рассмотреть срез под микроскопом и поставить диагноз — например, определить границы опухоли. Однако оставалась задача получить аналогичную технологию и на уровне электронов.  
 

Первая публикация по криоэлектронной микроскопии в базе данных PubMed датирована 1985 годом.

 
Метод криоэлектронной микроскопии, собственно, подразумевает исследование замороженного образца в электронном микроскопе. Колонну самого прибора охлаждает вода, а чтобы образец не плавился и не таял, используют жидкий азот. Однако для исследования в электронном микроскопе образец нужно заключить в воду, и вот тут очень остро встал вопрос образования кристаллов, ведь она при замерзании кристаллизуется, соответственно, разрушает объекты. Один из нобелевских лауреатов, Жак Дюбоше, предложил использовать быстроохлажденную (витрифицированную) воду в так называемом стеклообразном состоянии. Это позволило, во-первых, сохранить образцы, а во-вторых — у получаемой субстанции оказалось интересное свойство: такой лед не рассеивает электроны. 
 

Криоэлектронная микроскопия — очень дорогой метод. Микроскоп даже не последнего поколения стоит около 6-7 миллионов долларов. К нему нужно еще много дополнительных приборов — например, установки для той самой витрификации воды, а также целая серия подготовительных процедур. 

 
 — Итак, что же позволяет нам увидеть криоэлектронная микроскопия? Возьмем, например, вирус гриппа. С помощью метода негативного контрастирования в обычном просвечивающем электронном микроскопе мы наблюдаем сам вирус и можем различить шипики на его поверхности. На ультратонком срезе в этом же микроскопе видно, что частицы вируса гриппа покрыты шипиками, они выглядят «лохматыми». Криоэлектронная микроскопия дает информацию не только о наличии шипиков, но и позволяет оценить их расположение относительно вирусной оболочки. В случае вируса гриппа очень важно знать макромолекулярные взаимоотношения его элементов, ведь шипики — это те самые гемагглютинин и нейраминидаза, которые определяют типы вируса. Или, допустим, криосрез эпидермиса кожи: с его помощью выясняется, что между границами двух клеток есть липидные многослойные структуры. Никакой другой метод не покажет и тоненькие «волоски» на поверхности супермелкой бактерии, а ведь с помощью таких «органов» бактериальные клетки взаимодействуют с клетками людей и животных, в результате чего мы можем заболеть.  Криоэлектронная микроскопия позволила изучить строение пор бактериальной стенки  и открыть новые типы молекулярного транспорта. Комментаторы решения Нобелевского комитета говорят: криоэлектронная микроскопия позволит улучшить свойства антибиотиков. Конечно, однако, после этого надо поставить запятую и перечислить еще около сотни полезных вещей, которые прорывной метод, удостоенный Нобелевской премии, может дать! 
 
Примеры объектов, атомарная структура которых была изучена с помощью криоэлектронной микроскопии: a) белковый комплекс,  управляющий циркадными ритмами, b) белок-сенсор, благодаря которому наши уши слышат, c) вирус Зика
 
Однако вернемся к дальнейшему развитию криоэлектронной микроскопии —  объемным реконструкциям, электронно-микроскопической томографии, созданию трехмерного изображения. Стандартная томография — это анализ плоско-параллельных срезов, а в электронном микроскопе из-за того, что образец можно повернуть лишь немного, а саму колонну не повернешь никак, задача получается довольно сложная. Необходимо анализировать изображения, полученные под разными углами, выполняя реконструкцию. Иоахим Франк, второй нобелевский лауреат,  как раз создавал метод обработки изображений именно для электронной микроскопии. Надо отметить, что в мире есть очень много специалистов, которые занимались этим очень важным направлением, причем не только в биологии, но и, например, в материаловедении. 
 
Что касается третьего нобелевского лауреата, Ричарда Хендерсона, то в 1990-м году он первым сумел получить трехмерное изображение белка родопсина (один из тех белков, что обеспечивают нашу способность видеть) с разрешением на атомарном уровне. Это достижение чрезвычайно важно для современной молекулярной биологии и биохимии потому, что позволяет реконструировать те белки, которые нельзя закристаллизовать. Раньше их трехмерную структуру получали с помощью рентгеноструктурного анализа, для этого даже в космосе пытались выращивать некоторые кристаллы белков, которые совершенно не хотели кристаллизоваться. Криотомография же позволяет получить трехмерную реконструкцию любого белка нерегулярной формы, проанализировать её, и понять, как он организован в пространстве.
 
Если говорить о России, то криоэлектронных микроскопов в нашей стране всего три: два — в НИЦ «Курчатовский институт» и один — в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова. МГУ уже провел международную конференцию по криоэлектронной микроскопии, но ни одной работы они пока не представили. Техника, еще раз подчеркиваю, очень дорогая, и ее надо приобретать под определенных профессионалов и определенные задачи. Впрочем, последнее — проблема не только в России, но и во всем мире. 
 
Подготовили Елена Трухина, Надежда Дмитриева, Екатерина Пустолякова
 
Фото Елены Трухиной, иллюстрация из презентации Елены Рябчиковой
 
Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (4 votes)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus