A fény és az evolúció irányítói kaptak idén Nobel-díjat

A fizika területén lézerkutatók, köztük az optikai csipesz és femtoszekundumos lézer létrehozását lehetővé tevő szakértők diadalmaskodtak, míg a kémiai díjnyertesei az evolúció mesterséges kiaknázása és a bakteriofágok használata révén nyitottak új fejezetet az anyagkutatásban és az orvostudományban.

A fény és az evolúció irányítói kaptak idén Nobel-díjat

Október elején a Svéd Királyi Tudományos Akadémia a szokásokhoz híven idén is odaítélte a legmagasabb rangú tudományos kitüntetéseket az orvostudomány, a fizika és a kémia területén maradandót alkotó kutatóknak. Míg az orvosi díjazottakról itt számoltunk be, az utóbbi két terület nyerteseivel és életük munkájával ebben a cikkben foglalkozunk részletesebben.

Kezdjük a kedden nyilvánosságra hozott fizikai Nobel-díj nyerteseivel, akik között a díj története során most harmadszor – Marie Curie (1903) és Maria Goeppert-Mayer (1963) után – szerepel egy kutatónő, a kanadai Donna Strickland, aki mellett Arthur Ashkin és Gérard Mourou is elnyerte a 2018-as elismerést.

Optikai csipeszek és molekuláris motorok

Az idén 96 éves amerikai Arthur Ashkin, aki jelenleg is annyira el van merülve a munkában, hogy a Nobel-díj kapcsán nyilatkozni sem volt ideje, az 1960-as években, nem kis részben a Star Trek vonósugaraitól fellelkesülve kezdett azon dolgozni, hogyan lehetne a fény segítségével tárgyakat mozgatni.

Galéria megnyitása

Ashkin a Bell Laborban kezdte meg kísérleteit nem sokkal az első lézer megalkotása után, felismerve, hogy a koherens sugarak tökéletes eszközt jelenthetnek az apróbb részecskék manipulálására. Először mikrométeres nagyságú, átlátszó gömböket mozgatott a nyalábok révén, és a kísérletek során azt is megfigyelte, hogy a gömbök hajlamosak a nyaláb közepe felé mozogni. Amire az a magyarázat, hogy a legkoncentráltabb lézernyaláb intenzitása is csökken a szélek irányába, így mivel középen a legnagyobb a sugárnyomás, itt hat a legnagyobb erő a részecskékre, amelyek így a nyaláb közepére orientálódnak.

Ashkin ezt használta ki, amikor

egy erős lencse segítségével fókuszálta a nyalábot, és egy magas intenzitású pontot létrehozva gyakorlatilag csapdába ejtette az abba bekerült részecskéket.

Így született meg az első „fénycsapda”, az optikai csipesz elődje. A szakértő és kollégái több évtizedes próbálkozás után már atomokat is be tudtak fogni ilyen módon, és míg a vizsgálatok ezen iránya lassan önálló kutatási területté vált, Ashkin másfelé lépett tovább.

A kutató véletlenül jött rá arra, hogy az optikai csipeszekkel baktériumok is csapdába ejthetők és mozgathatók. Mivel zöld lézerfény megölte a mikrobákat, Ashkin egy kevésbé intenzív, infravörös optikai csipeszt fejlesztett ki, amelyben a baktériumok életben maradtak és még szaporodni is képesek voltak. A szakértő rövidesen azt is sikerrel demonstrálta, hogy az új eszközzel a sejtek belsejébe is be lehetne nyúlni azok membránjának elpusztítása nélkül.

Galéria megnyitása

Ezzel egészen új utakat nyitott meg a sejtbiológusok számára: lehetővé vált például a molekuláris motorok működésének tanulmányozása. Az első ilyen rendszer, amelyet optikai csipeszek révén derítettek fel, a kinezin nevű fehérje volt, amely a sejt belső vázát alkotó mikrotubulusok mentén különböző terheket vontat ide-oda.

Ashkin fényből készült eszközei és ezek továbbfejlesztései révén mára az optikai csipeszek kulcsszerepre tettek szert a mikroszkopikus biológiai folyamatok tanulmányozása során: általuk megfigyelhetővé, megfoghatóvá, mozgathatóvá és alakíthatóvá váltak ezek aprócska összetevői. A terület egyik legfrissebb áttörését az optikai holográfia módszere jelenti, amellyel több ezer optikai csipeszt együttesen használva lehetséges például a maláriás vérmintákban az egészséges és fertőzött vérsejteket gyors szétválogatása.

Ultrarövid lézerpulzusok és a világ leggyorsabb kamerája

Az idei év másik két díjazottja, Donna Strickland és Gérard Mourou szintén a lézerfizika területén alkotott maradandót. Munkájukhoz az alapötletet a radar működése adta, ennek elvét próbálták az optikai tartományba átültetni, ami azonban mind elméleti, mind gyakorlati szinten óriási erőfeszítéseket igényelt.

A lézerfény egy láncreakcióban képződik, amely során a képződő fotonok újabb fotonokat generálnak, amelyek aztán pulzusok formájában kibocsáthatók. Az első lézer kifejlesztésétől kezdődően a szakértők egyre nagyobb intenzitású pulzusokat próbáltak létrehozni, a nyolcvanas évek közepére azonban úgy tűnt, hogy elértek az út végére: nem tudtak intenzívebb, rövid pulzusokat létrehozni az erősítő anyag elpusztítása nélkül.

Strickland és Mourou azonban kidolgozott egy egyszerű és elegáns megoldást a probléma áthidalására:

az általuk kiötlött fázismodulált impulzuserősítés (CPA) alkalmazása során egy rövid lézerpulzust először optikai eszközökkel időben megnyújtanak, majd felerősítik, végül újra összenyomják azt.

Így az erősítő nem károsodik, a pulzus intenzitása viszont drámaian megnövelhető.

A gyakorlati megvalósítás az elmélet kidolgozását követően évekbe telt, 1985-re azonban sikerült demonstrálni a koncepció működőképességét, a következő években pedig minden korábbinál nagyobb intenzitású lézerek születtek, amelyek a másodperc töredékéig tartó pulzusaik révén többek közt alkalmasak voltak az atomi szintű folyamatok gyors változásainak megvilágítására, de arra is, hogy sebészeti szikeként (például szemműtéteknél) vagy aprólékos gyártási folyamatok során az anyag alakítására alkalmazzák ezeket.

Galéria megnyitása

A femto- és a legújabb, attoszekundumos lézerek lehetséges alkalmazási területei jelenleg is feltárás alatt állnak, általuk például egészen az elektronok szintjéig vizsgálható és manipulálható az anyagok működése. Gérard Mourou jelenleg szülőhazájában, Franciaországban dolgozik egy új, páneurópai lézertechnológiai projekt résztvevőjeként, amelynek keretében – többek közt Magyarországon is – 10 petawattos lézerpulzusok létrehozásával kísérleteznek.

Irányított evolúció

Míg 2018 fizikai Nobel-díjasai a fényből kovácsoltak csipeszt és szikét, a kémiai díjazottak, Frances H. Arnold (aki az ötödik női díjazott kémiából), George P. Smith és Sir Gregory P. Winter az evolúció fölött vették át az uralmat, hogy annak révén az emberiséget előre vivő fejlesztéseket valósítsanak meg.

Frances Arnold, aki gépipari és repülőmérnökként végzett, röviddel diplomázása után rájött, hogy nem akar hagyományos gyártási folyamatokkal foglalkozni, hanem helyette az „élet kódját” átírva, a kibontakozó DNS-technológiát szeretné a különböző anyagok és vegyületek előállításának szolgálatába állítani. Így ahelyett, hogy tradicionális vegyészeti módszerekkel állt volna neki a műanyagok és gyógyászati hatóanyagok létrehozásának, olyan enzimeket kezdett tervezni, amelyek képesek katalizálni ugyanezen folyamatokat.

Először kollégáihoz hasonlóan azzal próbálkozott, hogy alulról építkezve, aminosavanként módosítva a molekulákat hozzon létre új, terveinek megfelelően működő enzimeket, ez azonban még a jelenleg rendelkezésre álló számítógépes számítási kapacitással is nehezen ment volna a molekulák rendkívüli összetettsége miatt. Arnold ezért az 1990-es évek elején úgy döntött, hogy új megközelítést választ, és ha már amúgy is a természet eszközeit igyekszik saját terveihez alakítani, ennek megvalósításában is egy természetes folyamatot vesz igénybe: az evolúciót.

Arnold korábban évekig próbálta a szubtilizin nevű bakteriális enzimet úgy átalakítani, hogy az vízben zajló kémiai reakciók katalizálása helyett egy szerves oldószerben, a dimetil-formamidban (DMF) is működjön.

A korábbi célzott módosítások helyett azonban ezúttal véletlen mutációkat indukált az enzim genetikai kódjában, a szubsztilin több ezernyi különböző változatát hozva létre.

Innen pedig már csak azt kellett megtalálni, hogy melyik változat működik a legjobban a szerves oldószerben, majd ezt továbbfejleszteni. Miután Arnold megtalálta azt az enzimvariánst, amely 35 százalékos DMF-ben a leghatékonyabban bontotta a kazein nevű fehérjét, ezen újabb véletlen mutációkat indukált, aminek eredményeként létrehozott egy olyan variánst, amely még hatékonyabban működött. A szubsztilin harmadik generációjában végül létrejött az a változat, amely 256-szor hatékonyabban bontotta a kazeint a szerves oldószerben, mint az eredeti enzim, amelytől genetikai kódja 10 különböző helyen tért el. Ezt az átalakítást pedig célzott változtatásokkal senki sem tudta volna megvalósítani.

Galéria megnyitása

Az irányított evolúció területén szintén nagyon fontos eredmények fűződnek Willem P. C. Stemmer holland kutató nevéhez, aki könnyen lehet, hogy szintén ott lett volna az idei díjazottak között, ha 2013-ban, mindössze 56 évesen nem viszi el egy daganatos betegség.

A természetes evolúció egyik kulcspontja, hogy a szaporodás során az egyedek genetikai anyaga keveredik, és ebből a keveredésből új tulajdonságok születhetnek, a kevésbé hasznos mutációk pedig eltűnhetnek. Stemmer ennek a folyamatnak a mesterséges verzióját valósította meg: az először 1994-ben demonstrált DNS-shuffling vagy DNS-keverés során egy gén különböző verzióit darabokra vágta, majd ezekből összerakott egy új génváltozatot. Ezzel a metódussal szintén az eredetinél sokkal hatékonyabb enzimeket lehet létrehozni.

Arnold és Stemmer módszereinek, és ezek továbbfejlesztéseinek köszönhetően mára sorra kerülnek ki olyan enzimek a laborokból, amelyek a természetben nem létező folyamatokat katalizálnak, egészen újfajta anyagokat vagy éppen korábban csak nehezen és lassan előállítható molekulákat hozva létre. Arnold saját laborja például élen jár a bioüzemanyagok és a környezetkímélően előállított műanyagok gyártásában is.

Molekulavadászat bakteriofágokkal

A kémiai Nobel második idei nyertese, George Smith nem az enzimeket, hanem a bakteriofágokat, vagyis a baktériumokat megfertőző vírusokat kezdte tanulmányozni a nyolcvanas években. Célja az volt, hogy ezek révén géneket tud majd klónozni, és így feltérképezni a felderítetlen területnek számító emberi genom egyes elemeinek működését.

Galéria megnyitása

Smith nagy ötlete az volt, hogy az ismeretlen funkciójú géneket a fágok genomjába juttatta, a vírusok fehérjekapszuláját kódoló gének egyike mellé. Amikor aztán az új fágok létrejöttek, az ismeretlen gén által kódolt fehérje megjelent a fág fehérjeburkának felszínén. A fehérjékkel így felcímkézett fágok közül aztán antitestekkel halászta ki az őket érdeklő darabot, majd a fágot megvizsgálva rögtön megtudta, hogy a kérdéses fehérjét melyik gén kódolja.

A fág diszplay néven elhíresült módszer ilyen módon közvetlen kapcsolatot teremtett egy ismert fehérje és annak ismeretlen génje között.

Az új metódus egyik első alkalmazója volt az idei kémiai Nobel-díj harmadik nyertese, Gregory Winter, aki a fág diszplay és az irányított evolúció kombinálása révén az 1990-es években új antitesteket kezdett előállítani, amelyek célzottan kötődtek bizonyos betegségekhez kapcsolható fehérjékhez, például a daganatos sejtek felszínén kifejeződő proteinekhez. Winter először sok-sok antitest közül azokat fágokra „telepítve” megkereste, melyek kötődnek a legjobban egy adott célproteinhez, majd az antitestek génjeiben mutációkat indukálva egyre jobban kötődő molekulákat állított elő.

Winter és kollégái rövidesen létrehozták az első olyan gyógyszert is, amely teljes egészében egy emberi antitesten alapult.

Az adalimumab, amely egy több autoimmun betegségben is gyulladást kiváltó fehérjét semlegesít, 2002-ben nyerte el a szükséges engedélyeket, és azóta például a rheumatoid arthritis, a pikkelysömör és bizonyos gyulladásos bélbetegségek kezelésére használják. A szer sikere lendültet adott a többi hasonló hatóanyag fejlesztésének is, így a fág diszplay módszerével mára többfajta tumornövekedést gátló antitestet is kifejlesztettek, de a lépfene semlegesítésére és a lupus kezelésére is létezik már engedélyezett antitestes terápia.

Galéria megnyitása

Neked ajánljuk

Kiemelt
-{{ product.discountDiff|formatPriceWithCode }}
{{ discountPercent(product) }}
Új
Teszteltük
{{ product.commentCount }}
{{ voucherAdditionalProduct.originalPrice|formatPrice }} Ft
Ajándékutalvány
0% THM
{{ product.displayName }}
nem elérhető
{{ product.originalPrice|formatPriceWithCode }}
{{ product.grossPrice|formatPriceWithCode }}
{{ product.grossPrice|formatPriceWithCode }}
{{ product.displayName }}

Tesztek

{{ i }}
{{ totalTranslation }}
Sorrend

Szólj hozzá!

A komment írásához előbb jelentkezz be!
{{ orderNumber }}
{{ showMoreLabelTranslation }}
A komment írásához előbb jelentkezz be!
Még nem érkeztek hozzászólások ehhez a cikkhez!
Még nem érkeztek hozzászólások ehhez a cikkhez!
Segíts másoknak, mondd el, mit gondolsz a cikkről.

Kapcsolódó cikkek

Magazin címlap