Каждую осень ученые всего мира с нетерпением ждут вестей из Стокгольма. В течение трех октябрьских дней, начиная с понедельника 8 октября, Нобелевский комитет объявляет лауреатов престижной премии.

Технология клонирования Схема клонирования, использованная Гёрдоном: уничтожение ядра в икринке шпорцевой лягушки Xenopus laevis с помощью УФ-излучения (1), пересадка ядра, взятого из клетки кишечника головастика (2). Результатом стало появление головастика, который затем развился до взрослой лягушки (3). Эту технику можно применить и к млекопитающим — овцам, мышам, коровам и свиньям (4).
Квантовый Нобель Ион в электромагнитной ловушке. Его квантовым состоянием можно управлять с помощью импульсов лазерного излучения (схема приведена для ионов бериллия). Фотон в микроволновом резонаторе. Его состояние измеряется при взаимодействии с возбужденными атомами рубидия.
Сигнал сквозь мембрану Схема модели взаимодействия гормона с рецептором. Когда гормон или любая другая молекула присоединяется к рецептору на поверхности клетки, внутри нее запускается каскад химических реакций

Физиология и медицина: за открытие возможности перепрограммирования взрослых специализированных клеток в плюрипотентные.

Лауреаты: сэр Джон Бертран Гёрдон (Кембриджский университет), Шинья Яманака (Университет Киото).

Пересадка ядра

Более полувека назад молодой эмбриолог Джон Гёрдон занялся трансплантацией ядер соматических клеток в яйцеклетки, из которых он предварительно удалял собственное ядро. В качестве модельного объекта он избрал гладкую шпорцевую лягушку Xenopus laevis (обитателя африканских водоемов и популярное лабораторное животное). Аналогичные опыты ранее проводились на другом виде амфибий, однако удачи не принесли. В ключевой серии экспериментов Гёрдон переносил ядра клеток кишечного эпителия головастиков в яйцеклетки, ядра которых были уничтожены ультрафиолетом. Большинство яйцеклеток с трансплантированными ядрами погибало, но некоторые из них нормально развивались до стадии головастика. Гёрдон обнаружил также, что, если пересадить ядро из клеток кишечного эпителия этого головастика в лишенное ядра неоплодотворенное яйцо, оно сможет развиться до более продвинутой стадии, причем эффективность подобной методики клонирования возрастает от поколения к поколению. Таким образом, Гёрдон доказал, что ядра соматических клеток (то есть клеток, из которых построен организм) допускают радикальное генетическое перепрограммирование и начинают вести себя аналогично ядрам оплодотворенных половых клеток.

Эти данные были опубликованы в 1962 году, и именно за них Гёрдон получил Нобелевскую премию. Четырьмя годами позже он доказал, что для клонирования годятся и ядра, позаимствованные у взрослых лягушек. В середине 1990-х годов с помощью этого метода была клонирована овца Долли, а после нее и другие млекопитающие. Было немало сенсационных заявлений и о клонировании человека, но все они оказались ложными.

Генетическое перепрограммирование

На одной из самых ранних стадий формирования эмбриона, называемой бластоцистой, зародыш содержит эмбриональные стволовые клетки (ЭСК), которые после многократных делений трансформируются в специализированные ткани и органы. Клетки со столь универсальными способностями к превращениям называются плюрипотентными. Впервые ЭСК были выделены и размножены в 1981 году английскими исследователями Мартином Эвансом и Мэтью Кауфманом в экспериментах на бластоцистах мышей. Через 17 лет сотрудники лаборатории американца Джеймса Томсона культивировали человеческие ЭСК. Поскольку к тому времени уже была доказана принципиальная возможность глубокого генетического перепрограммирования, ученые стали пытаться изменить соматические клетки с целью превратить их в аналоги ЭСК. В 2005 году сотрудники Гарвардского университета доказали принципиальную возможность такой трансформации, но для практического использования их методика оказалась непригодной.

Но в 2006 году Шинья Яманака и Казутоши Такахаши сообщили о переделке соматических клеток мышей в клетки, обладающие многими свойствами плюрипотентных клеток эмбриона. Для этого в фибробласты (основные клетки соединительной ткани) были вмонтированы гены четырех белков, активирующих конкретные участки наследственной информации (такие вспомогательные белки-активаторы называют факторами транскрипции). Подсадку генов транскрипционных факторов проводили с помощью ретровирусов, куда они были искусственно встроены. Эти четыре гена смогли превратить фибробласт в неспециализированную клетку и принесли Яманаке Нобелевскую премию.

Однако это было только начало. В июне 2007 года исследователи из Киото и еще два коллектива сообщили, что точно тем же способом они осуществили более глубокую трансформацию такого же исходного материала и создали практически точные копии мышиных ЭСК. Полученные результаты давали основание надеяться, что вскоре аналогичную операцию удастся произвести и с человеческими клетками. А всего несколькими месяцами позже японские ученые и их американские коллеги сделали и это. Яманака и его сотрудники применили те же четыре фактора транскрипции, с которыми работали на клетках мыши. В качестве исходного материала они взяли культуру, содержащую 50 000 человеческих фибробластов. Им удалось получить несколько линий плюрипотентных клеток, которые по всем показателям практически ничем не отличались от ЭСК. Эти клетки стали предшественниками клеток сердечной мышцы, нервной ткани и некоторых других органов.

Искусственные аналоги ЭСК называют индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (ИПСК). Считается, хоть это окончательно и не доказано, что трансплантация ИПСК позволит излечивать многие заболевания генетической природы. Сейчас ученые умеют с помощью факторов транскрипции изменять специализацию соматических клеток даже без предварительной переделки их в ИПСК. Так, в этом году было опубликовано сообщение о превращении фибробластов в клетки сердечной мышцы — кардиомиоциты (причем с помощью всего лишь трех факторов транскрипции). В общем, технологии генетического перепрограммирования открывают огромные возможности как для фундаментальной биологии, так и (по крайней мере, в перспективе) для практической медицины.

Физика: за разработку новаторских экспериментальных методов, позволяющих измерять индивидуальные квантовые системы и манипулировать ими.

Лауреаты: Серж Арош (Парижский Коллеж де Франс и Высшая нормальная школа), Дэвид Джей Вайнленд (Национальный институт стандартов и технологии США).

Квантовая оптика

Новые лауреаты — признанные авторитеты в области квантовой оптики, которая изучает взаимодействия вещества и электромагнитного излучения. Оба они работают с системами, включающими небольшое количество частиц и фотонов. В таких системах квантовая природа вещества и излучения проявляется особенно отчетливо и подчас парадоксально. Арош занимается микроволновыми фотонами, замкнутыми внутри полостей с идеально отражающими стенками. Вайнленд и его сотрудники исследуют тонкие детали взаимодействий световых квантов с ионами, запертыми в электромагнитных ловушках.

«Вычислять динамику микросистем с малым числом участников не слишком сложно, поскольку она подчиняется хорошо известным законам квантовой механики и электродинамики, — объясняет «ПМ» профессор физики Университета Эмори в Атланте, специалист по квантовой оптике Сидней Берковиц. — Однако такие системы трудно получить и исследовать экспериментально, ибо любые взаимодействия с внешней средой маскируют и даже разрушают их квантовую специфику. Напротив, системы из большого числа частей поддаются лишь статистическому описанию, хотя экспериментировать с ними намного легче. Главное достижение Ароша и Вайнленда состоит в разработке целого ряда невозмущающих способов исследования взаимодействий между фотонами и атомами или ионами. Эти методы позволили непосредственно наблюдать и измерять эффекты, обусловленные суперпозицией квантовых состояний, и дали возможность по‑новому исследовать такие проявления квантовой природы материи, как возникновение спутанных систем и соотношение неопределенностей».

Лауреаты этого года внесли большой вклад в разработку методов тонкого управления поведением отдельных атомов и фотонов и переноса информации между ними. Эти работы обещают приблизить появление квантовых компьютеров, использующих для вычислений частицы и фотоны, которые могут одновременно находиться как минимум в двух состояниях. Такие компьютеры смогут решать многие (хотя далеко не все!) задачи гораздо быстрее и эффективнее, нежели компьютеры на полупроводниковых схемах. Усилиями группы Вайнленда также создан оптический суперхронометр на ионах алюминия, который при заявленной относительной точности 8,6 х 10−18 на два порядка превосходит часы на атомах цезия.

Зеркальные ловушки

Оба лауреата в своих экспериментах запирали фотоны и частицы внутри вакуумных ловушек, охлажденных почти до абсолютного нуля. В опытах Сержа Ароша такой ловушкой служили идеально отполированные вогнутые сферические зеркала из сверхпроводящего ниобия. Их поглощающая способность была столь малой, что микроволновые фотоны выживали в межзеркальной полости в течение 130 микросекунд и успевали за это время пройти расстояние порядка 40 000 км. Сквозь полость поодиночке пролетали сильно возбужденные атомы рубидия, внешние электроны которых были заброшены на очень высокие энергетические уровни с большими угловыми моментами. Атомы в таких состояниях (их называют ридберговскими) имеют аномально большой диаметр, который в экспериментах Ароша достигал четверти микрометра. На пролете со скоростью 250 м/с атомы взаимодействовали с фотонами, слегка изменяя свои волновые функции, однако такое взаимодействие не приводило к поглощению фотонов. Отслеживая эти изменения, парижские физики смогли собрать информацию о количестве фотонов внутри полости. Они также использовали ридберговские атомы для получения фотонов, которые одновременно находились в различных квантовых состояниях, аналогичных «смеси» из живого и мертвого кота в знаменитом мысленном опыте Шредингера.

Глубокое охлаждение

Дэвид Вайнленд и его коллеги работали с ионами бериллия, плененными с помощью электромагнитных полей. Экспериментаторы сначала охлаждали эти частицы, подавляя их колебательные движения посредством лазерных импульсов, а затем этим же способом переводили их электроны в смешанные квантовые состояния. Исследователям удалось создать очень тонкие методы измерений, позволяющие отслеживать динамику таких состояний и наблюдать за разрушением квантовых смесей в процессе их взаимодействия с внешним окружением.

В середине 1990-х годов команда Вайнленда осуществила лазерное управление переходами между двумя электронными энергетическими уровнями запертого в ловушке иона бериллия. Так была впервые реализована двухкубитная логическая операция «контролируемое НЕ» (CNOT), которая используется в алгоритмах вычислений на квантовых компьютерах. С тех пор физики научились выполнять и другие квантовые логические операции, в которых участвуют свыше десятка ионов.

Комментируя для «ПМ» работы новых лауреатов, известный специалист по квантовой информации, профессор физики Мэрилендского университета Кристофер Монро, который много лет сотрудничает с Вайнлендом, отметил, что их исследования сильно повысили качество измерений чисто квантовых свойств отдельных частиц и фотонов и открыли новые пути к прямой экспериментальной проверке основных принципов квантовой механики и их ключевых следствий, например неравенства Белла (см. «ПМ» № 4'2006): «Они показали, что одиночные квантовые системы в принципе можно использовать в качестве блоков памяти в компьютерах следующих поколений. В более общем плане работы Ароша и Вайнленда расширили наши представления о квантовых платформах, пригодных для использования в информационных системах близкого и не очень близкого будущего. Благодаря всему этому они обогатили как фундаментальную, так и прикладную физику».

Химия: за изучение рецепторов, сопряженных с G-белком (трансмембранных рецепторов).

Лауреаты: Роберт Джозеф Лефковиц (Университет Дьюка), Брайан Кент Кобилка (Стэнфордский университет).

Адреналиновая премия

В начале 1970-х годов Роберт Лефковиц и его коллеги занялись одним из главных переносчиков химических сигналов — всем известным гормоном адреналином. В те времена уже было известно, что рецепторы адреналина работают в паре с группой внутриклеточных протеинов, так называемых G-белков (за открытие которых была присуждена Нобелевская премия 1994 года). Тем не менее информация о молекулярных характеристиках адреналиновых рецепторов оставалась весьма скудной, а механизм их взаимодействия с G-белками был совершенно неясен. Правда, в 1940-е годы было доказано, что существуют два типа рецепторов адреналина, названных греческими буквами? и ?: первые по преимуществу передают гормональные сигналы гладким мышцам кровеносных сосудов, а вторые возбуждают клетки сердечной мышцы. Наверное, многие слышали о бета-блокаторах — лекарствах, которые нормализуют сердечный ритм и понижают артериальное давление, делая бета-рецепторы невосприимчивыми к адреналину. Обе группы адреналиновых рецепторов подразделяются еще и на подтипы.

Расшифровка связей между адреналиновыми рецепторами и G-белками потребовала трудоемких лабораторных исследований, занявших целое десятилетие. В прошлом Лефковиц был кардиологом, поэтому его группа изучала один из видов бета-рецепторов (а именно ?2-рецепторы). Им удалось показать, что контакт с адреналином приводит к структурной перестройке рецептора, из-за которой к нему прочно присоединяется плавающая в цитоплазме клетки молекула G-белка. Связавшись с активированным рецептором, она распадается на фрагменты, один из которых, субъединица альфа, является отдельной молекулярной структурой, а второй состоит из пары сцепленных блоков, обозначаемых как субъединицы бета и гамма. Эти фрагменты G-белка реагируют с различными внутриклеточными протеинами и передают им адреналиновый сигнал, который запускает сложные каскады биохимических реакций. Сами фрагменты после выполнения своей задачи вновь объединяются (разумеется, не механически, а химическим путем), и возрожденная молекула G-белка получает способность вступать в контакт с рецепторами. Этот сигнальный механизм работает и в обратном направлении. G-белок может соединиться с внутренним концом неактивированного рецептора, после чего тот обретает повышенную склонность к сцеплению с адреналином на своем внешнем конце.

Рецепторы и мембраны

Эта трехкомпонентная (гормон — рецептор — G-белок) модель была построена в начале 1980-х. Затем Лефковиц поставил перед своей группой новую задачу — найти ген, кодирующий бета-рецепторы. К этой работе он привлек недавнего выпускника медицинской школы Йельского университета Брайна Кобилку, который интересовался механизмом действия адреналина. В значительной мере благодаря настойчивости и феноменальной изобретательности молодого ученого ген удалось клонировать, о чем Кобилка, Лефковиц и их коллеги сообщили в 1986 году. Оказалось, что молекула рецептора состоит из длинных спиральных нитей, которые семь раз пронзают в обоих направлениях клеточную мембрану. Полный структурный портрет неактивированного ?2-рецептора человека был получен Кобилкой и его коллегами методами рентгеновской кристаллографии лишь в 2007 году. С помощью этой техники позднее удалось выяснить, каким образом рецептор с внешней стороны клеточной мембраны соединяется с молекулой адреналина, а внутри клетки вступает в химическую связь с G-белком. В 2011 году эта работа была опубликована в журнале Nature.

Значение исследований Лефковица и Кобилки выходит далеко за рамки расшифровки структуры адреналиновых рецепторов и механизма их работы. Они помогли выявить обширное семейство трансмембранных рецепторов, передающих в клетку внешние химические сигналы с помощью G-белков. В геноме человека имеется не менее 800 генов, кодирующих такие рецепторы. Все они обладают сходной семеричной структурой, но выполняют очень разные функции. Более половины таких 7-TM (7-трансмембранных) рецепторов располагается в органах обоняния, зрения и вкуса; примерно треть передает сигналы гормонов, простагландинов и нейротрансмиттеров. К тому же они работают в разных режимах. Один и тот же рецептор может реагировать на несколько внешних химических сигналов; с другой стороны, в клетке эти рецепторы связываются не только с G-белками, но и с другими протеинами. В общем, не будет преувеличением утверждать, что исследования Лефковица и Кобилки привели к разработке не просто новой золотой жилы молекулярной биологии, а целой золотоносной провинции.

Статья «Три дня в октябре» опубликована в журнале «Популярная механика» (№12, Декабрь 2012).