Пара носков, ДНК мумии и безотходные реакции. Объясняем, за что именно дали научные Нобелевские премии в 2022 году

Нобелевские премии 2022 года запомнятся не потому, что стали сюрпризом, а потому что их получили по-настоящему выдающиеся личности. Пионер геномики вымерших людей (и сын нобелиата) Сванте Паабо, единственный ныне живущий дважды лауреат “нобелевки” Барри Шарплесс, ученая и ЛГБТ-активистка Каролин Бертоцци – рассказываем, чем они известны, что их отмеченные Нобелевками открытия значат для науки и как понять значение этих достижений, не будучи академическим ученым.

Неандерталец в каждом из нас. Нобелевка по медицине и физиологии

Нобелевскую премию по физиологии или медицине получил шведский ученый Сванте Паабо, “за открытия в области геномики вымерших гоминин и эволюции человека”. Его работа совсем не близка к прикладной медицине, но зато научная и человеческая значимость ее очевидна. По сути Паабо придумал палеогенетику – науку, которая изучает геном вымерших существ (включая уже не существующих людей). А из генома, как известно, можно узнать очень и очень многое – точно больше, чем глядя на кости (а кроме них от вымерших нам мало что осталось).

В работе Паабо пересеклись его юношеское хобби и совет отца, нобелевского лауреата Суне Бергстрёма (Паабо носит фамилию матери, так как она и Бергстрём никогда не были женаты). Сначала Паабо хотел стать египтологом, но учиться на этой специальности ему показалось скучным. И тогда отец предложил сыну пойти в медицину. Паабо предпочел науку практике и стал изучать выделение и секвенирование ДНК. Как раз тогда ему и вспомнилось забытое было увлечение мумиями: ученый предположил, что, возможно, ДНК можно добыть и из них.

Идея была настолько странной, что изначально для ее подтверждения Паабо пришлось высушивать (а потом выделять из нее ДНК) телячью печень – в свободное от основной работы время. В 1980-е Паабо начал работать с мумиями, но копировать и размножать ДНК тогда было было очень трудно технически. Дальше энтузиазму и вере помог научный прогресс: Кэри Муллис разработал метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), который позволяет быстро и дешево копировать кусочки ДНК разного размера. Нам с 2020 года эта реакция известна как название теста на коронавирус, но в лабораторной практике ученые используют ее уже три десятка лет.

Но не ПЦР единым: Паабо удалось разработать методы очистки и контроля образцов так, чтоб надежно установить – анализу подвергается именно древняя ДНК, а не какие-то современные загрязнения. С тех пор он исследовал все, что было важным – начиная от “ледяного человека” Отци до уже известных к тому моменту ископаемых людей – неандертальцев. Венцом этой работы стала расшифровка генома нового, ранее неизвестного вида древних людей – “денисовца”. Он был назван по имени пещеры на Алтае, где была обнаружена фаланга пальца этого существа. В комментарии, который нобелевский лауреат дал 10 лет назад автору этой статьи, он писал: “Я сам в прошлом году был в Денисовой пещере, мне очень там понравилось. Я много раз был в России еще с 70-х годов, это одно из самых дружелюбных и гостеприимных мест, которые я знаю”.

Очень запутанные фотоны. Нобелевка по физике

Лауреатами Нобелевской премии по физике 2022 года стали Ален Аспе (Франция), Джон Клаузер (США) и Антон Цайлингер (Австрия) — за эксперименты с запутанными фотонами, исследование нарушений неравенств Белла и работы по квантовой информатике. Пожалуй, это самая громкая премия из трех – потому что она связана с работами, давно вышедшими за пределы научного мира. Время от времени ученые да и технологические компании обещают нам квантовый компьютер и квантовую криптографию, а статьи о квантовой телепортации постоянно некорректно иллюстрируют фантазиями о телепортации физической (“теперь нам не придется стоять в пробках”). Тем не менее, тройка лауреатов – истинные пионеры, свои работы они проводили, начиная с 1970-х годов, а “преднобелевскую” премию Вольфа получили 12 лет назад. Награда, скажем так, отлежалась, но ее актуальность не подлежит сомнению.

Что же такое квантовая запутанность, которая лежит в основе и телепортации, и шифрования? Запутанность возникает при взаимодействии двух квантовых частиц: если у них общий источник или они действуют друг на друга с определенной силой, то их параметры становятся связанными, даже если они уже непосредственно не взаимодействуют (например, отдалены друг от друга на сколь угодно длинное расстояние). Контринтуитивно, как и все в квантовой механике, – но мне помог понять это явление бытовой пример. У нас есть пара носков, и пока они лежат в ящике, они одинаковые. Но как только мы надеваем один из носков на правую ногу, второй автоматически становится левым – где бы он ни находился и сколь далеко бы мы его ни переместили. Носки – запутанная пара квантовых частиц, у них общий источник и связывающая их сила непреодолима!

Дальнейшее – дело техники (крайне сложной). Как вы теперь понимаете, в квантовой телепортации “перемещается” не частица, а ее свойства, так называемое квантовое состояние. Однако этого достаточно, чтоб передавать информацию на расстоянии – этот эффект можно использовать для квантовых компьютерных сетей и для квантовой криптографии.

Просто как клик. Нобелевка по химии

Лауреатами Нобелевской премии по химии 2022 года стали Каролин Бертоцци (США), Мортен Мельдаль (Дания) и Барри Шарплесс (США) – за развитие методов клик-химии и биоортогональной химии. Барри Шарплесс получил уже вторую Нобелевскую премию по химии — в 2001 году он стал лауреатом за стереоселективные реакции окисления.

Шарплесс и Мельдаль независимо друг от друга нашли так называемую реакцию азид-алкинового циклоприсоединения – реакции, которые при присутствии в реагентах определенных фрагментов, являются мечтой химика-синтетика: идут быстро, переводят все атомы реагентов в конечный продукт без образования ненужных веществ и проходят без растворителя или в воде.

Что в этом такого особенного? На самом деле в химии все не так ладно и просто, как это пишут в учебниках на схемах реакций. По факту – особенно в случае сложных органических и тем более биологических молекул – при реакции образуется множество побочных продуктов, исходный реагент расходуется не полностью, реакции идут медленно. Это значит, что продукты реакции нужно чистить (ведь побочные продукты могут быть опасными), и уж тем более такие процессы нельзя запускать внутри живого организма. Название Шарплесса отражало простоту, с которой идут реакции – как клик. С тех пор их используют для синтеза всего на свете – лекарств, клеев, материалов, меток для живых клеток.

Бертоцци показала, что клик-химия — это метод, с помощью которого можно проводить реакции в живых системах, не нарушая их собственной биохимии. Для того, чтоб “помечать” живые клетки (например, ставить метки на клетки опухолей), нужно придумать очень селективные, избирательные реакции, которые не будут вмешиваться ни в какие другие процессы. Бертоцци поняла, что методы клик-химии подходят под это условие и назвала их биоортогональными – то есть как бы перпендикулярными, не работающими в “плоскости” клеточных реакций и потом для них совершенно безвредными.

Как это всегда бывает, в Нобелевках по синтетической органической химии не так важно, что именно в итоге синтезировали с помощью предложенного лауреатами метода. Важно то, что они открыли новые возможности для синтеза примерно всего, что нам нужно или может понадобиться в будущем.

ЛГБТ-лауреаты: почему это важно

2022 год войдет историю Нобелевской премии не только из-за яркости отмеченных открытий. Впервые (да, впервые) лауреатами в научных областях стали ЛГБТ-люди, не скрывающие своей сексуальной ориентации. Каролин Бертоцци не скрывает своей сексуальной ориентации с конца 1980-х годов (окончательно гомосексуальность во всех штатах США была декриминализирована только в 2003-м) и занимается активизмом. В 2007 году она получила награду ЛГБТ-сети ученых в США как “превосходная ролевая модель для студентов и коллег”. Сванте Паабо в своей научно-популярной книге “Неандерталец. В поисках исчезнувших геномов” (опубликована в 2014 году) рассказал, что он бисексуален.

Этот выбор жюри – не результат мифических “квот”, а совпадение, но совпадение значимое для научного сообщества. Наука утверждает, что гомосексуальны около 10% людей, а когда среди 700 с лишним лауреатов главной научной премии гомосексуальны 0 человек – с этими расчетами, пожалуй, что-то не так, и скорее всего, несколько десятков лауреатов просто прожили свою жизнь как ЛГБТ “в шкафу”. Кстати, ЛГБТ-лауреатов Нобелевки по литературе было семь человек – из 118. Не десять процентов, но близко. Так что награждение Паабо и Бертоцци – знак того, что простая и естественная возможность быть тем, кем тебя создала природа, наконец, стала доступна и академическим ученым.
Пара носков, ДНК мумии и безотходные реакции. Объясняем, за что именно дали научные Нобелевские премии в 2022 году
#Россия #Украина