Нобель-2015: «простые» болезни, превращение нейтрино и восстановление ДНК

Гельминты, ивермектин и поле для гольфа. История первой части премии начинается в 1970-х, когда Сатоси Омура после стажировки в Европе и возвращения в Японию начал работать руководителем Группы по исследованию антибиотиков Института Китасао в Токио. К тому времени у Омуры было настолько хорошее финансирование, что он смог отправиться в небольшое путешествие по Японии — искать почвенные микроорганизмы, из которых «что-нибудь да выделится». Изначально Омура надеялся найти антибиотики, но на поле для гольфа в городе Ито (и нигде более в мире!) обнаружился микроорганизм Streptomyces avermitili, действующее вещество которого выделили в лаборатории второго лауреата — Уильяма Кэмпбелла. Оказалось, что оно действует не на бактерии, а на круглых червей, то есть обладает антигельминтной активностью, — и неизвестно, что важнее: антибиотик или средство против возбудителей таких заболеваний, как слоновая болезнь, стронгилоидоз или речная слепота, убивающих и калечащих миллионы людей в Азии и Африке.

Вещество назвали авермектином, а чуть позже Кэмпбелл создал на его основе более эффективный препарат ивермектин, который уже в 1981 году был запущен в производство. Конечно, важно, что Кэмпбелл работал не абы где, а в фармацевтической компании Merck и имел достаточное влияние, чтобы убедить начать работы по препарату. Сколько людей удалось спасти благодаря труду этих двух человек? Вот простая статистика: в 1970-х от речной слепоты страдало 18 миллионов, а полмиллиона навсегда потеряли зрение.

Малярия и артемизинин. Это уже четвертая «малярийная премия» по физиологии и медицине. В 1902 году «нобеля» получил британец сэр Рональд Росс, который доказал, что малярию переносят комары. Пять лет спустя француз Шарль Лаверан получил премию за то, что сумел обнаружить возбудителя малярии — и им оказалось простейшее. Еще ровно через два десятка лет австриец Юлиус Вагнер-Яурегг удостоился премии за то, что научился лечить прогрессивный паралич (сифилитическое поражение оболочек головного мозга) заражением малярией. А еще эту премию можно смело называть наградой за внимание к истории медицины. И вот почему.

Препараты против малярии — разной силы и эффективности — были известны достаточно давно. После Второй мировой войны препаратом номер один стал хлорохин. Он появился в 1947 году и поныне применяется — но в первую очередь при аутоиммунных заболеваниях, а не при малярии. Почему так? Дело в том, что малярийный плазмодий слишком быстро выработал устойчивость к этому препарату, и в начале 1960-х встал вопрос о замене. Китаянка Ту Юю работала в Институте традиционной медицины в Пекине и ставила своей целью найти растения, которые помогают при малярии, выделить из них активные вещества, а затем сделать на их основе мощное лекарство.

Ту Юю провела скрининг экстрактов 2000 трав, результаты были не очень радужными до тех пор, пока дело не дошло до обыкновенной полыни однолетней, она же Artemisia annua. И вот тут началось странное, а точнее — маловоспроизводимое. Какие-то экстракты не работали, какие-то работали. И тогда Ту Юю обратилась к средневековым источникам. Точнее — к труду великого китайского мудреца Гэ Хуна, жившего в IV веке. Даосская традиция, давшая Гэ Хуну прозвище «Мудрец, объемлющий первозданную красоту», считает его святым и бессмертным. Более всего Гэ Хун известен трудом «Баопу-цзы», эдакой Большой китайской энциклопедией, но написал он и несколько медицинских трактатов.

Так вот, в труде «Рецепты для неотложных случаев» Ту Юю нашла ключевой момент: при получении экстракта полыни для борьбы с малярией нужно использовать холодную воду, а не горячую, как это обычно делается. Оказывается, действующее вещество полыни просто разлагается в горячей воде. Дальнейшее было делом техники. Выделенное действующее вещество получило название артемизинин, в 1980-х наконец-то его начали применять по всему миру. Потом уже сама Ту Юю синтезировала дигидроартемизинин, более стабильный и более эффективный.

Сколько людей удалось спасти благодаря общему труду Ту Юю и Гэ Хуна, подсчитать трудно. Можно утверждать, что интерес к истории медицины помог сохранить жизни нескольким миллионам человек. Или нескольким десяткам миллионов. Или... В общем, в 2013 году артемизиновую противомалярийную терапию получило 392 млн человек. По справедливости премию стоило бы вручить и Гэ Хуну. Конечно, посмертно ее не вручают, но ведь для даосов Гэ Хун бессмертен.

В этом году Нобелевский комитет решил проигнорировать не только первую, но и вторую часть завещания Альфреда Нобеля. В завещании предлагается вручать премию за открытие или изобретение, во-первых, сделанное в предыдущем году (на это душеприказчики изобретателя перестали обращать внимание еще со времен первой премии, присужденной Вильяму Конраду Рентгену, который открыл свои лучи в 1895 году), а во-вторых, принесшее максимальную пользу человечеству. Действительно, говорить о практической пользе нейтрино придется еще нескоро.

Как и в случае премии «за малярию», премия за открытие нейтрино тоже оказалась далеко не первой. В 1988 году Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Стейнбергер получили премию за открытие одной из разновидностей нейтрино — мюонного. В 1995 году, через 40 лет после своего открытия, получил премию Фредерик Райнес, а в 2002 году половину «нобеля» поделили между собой Раймонд Дэвис-младший и Масатоби Косиба за открытие нейтрино, пришедших из космоса (речь шла о солнечных нейтрино). Так за что же дали премию в этом году?

Сама по себе частица сначала была придумана Вольфгангом Паули, для того чтобы спасти закон сохранения энергии при бета-распаде. Он предположил, что некую часть энергии уносит слабо взаимодействующая с веществом частица нейтрального заряда. Ее назвали нейтрино, что по-итальянски означает «нейтрончик». При этом изначально подразумевалось, что у нейтрино, как и у фотона, нет массы покоя. Через некоторое время стало понятно, что в Стандартную модель вписывается три частицы — электронное, мюонное и тау-нейтрино. Точнее, каждая из них — это разная суперпозиция трех нейтринных состояний.

А потом начались проблемы. Еще в 1960-х годах физики (получившие премию в 2002 году) начали фиксировать электронные нейтрино, приходящие от Солнца. И достаточно скоро стало понятно, что начинается серьезное расхождение с теорией. Ведь реакции, которые происходят на Солнце, хорошо известны, а стало быть, вполне понятно, сколько нейтрино должно приходить от нашего светила.

Эксперименты, однако, регистрировали где-то треть от того количества нейтрино, которое предсказывали астрофизики. В принципе, теоретическое объяснение этому дал еще в 1957 году итальянский физик Бруно Понтекорво, к тому времени перебравшийся в СССР, и сделал он это задолго до начала регистрации солнечных нейтрино.

Идея такая: поскольку нейтрино — суперпозиция из трех состояний, квантовые эффекты могут постепенно изменить пропорции вкладов — и электронное нейтрино может превратиться, скажем, в тау. Однако из теории следует, что такое превращение возможно только при наличии у нейтрино некоей маленькой массы покоя.

Именно эти осцилляции и открыли... нет, конечно же, не Такааки Кадзита из Японии и Артур Макдональд лично, а возглавляемые ими очень крупные и дорогие эксперименты с большим количеством сотрудников: Super-Kamiokande в Японии и SNO в Канаде. Но, увы, Нобелевская премия не делится более чем на троих, и премию за открытия, сделанные на рубеже тысячелетий, получили эти двое.

И далеко не факт, что нынешний «нейтринный нобель» — последний. В 2013 году произошло не менее важное открытие: на ледяном детекторе IceCube в Антарктиде обнаружили уже астрофизические нейтрино — то есть те нейтрино, которые пришли не из нашей Солнечной системы.

В последние годы «нобелевские» понедельник и среда сильно перемешались: премия по химии и премия по физиологии или медицине — это подчас близнецы-братья, иногда лауреатов одного года можно было бы поменять местами — и никто бы этого не заметил.

Такое «смешение жанров» закономерно. Потому что наука во времена Нобеля и в наше время — это совершенно разные науки. Пожалуй, сейчас уместнее было бы награждать не за физиологию, медицину или химию, а за «науки о жизни» и «науки о веществе».

В этом году премия получилась совсем биологическая, при этом явных фаворитов 2015 года, Эммануэль Шарпентье и Дженнифер Дудну, которые открыли систему CRISPR/Cas9, позволяющую редактировать геном в живом организме, обошли. Видимо, решили, что рановато. Однако прогноз был почти точен: если работа Шарпентье и Дудны позволяет медикам и биологам исправлять ошибки в ДНК, то премия 2015 года была присуждена за изучение механизма того, как такие же ошибки исправляются ежесекундно в нашем организме без всякого участия ученых. Томас Линдаль, Пол Модрич и Азиз Санкар получили премию за изучение естественного механизма восстановления (или, как говорят биологи, репарации) ДНК. В наших клетках постоянно происходит разрушение носителя генетической информации под влиянием различных внешних воздействий — космических лучей, ультрафиолетового излучения, химических веществ и других факторов. Если бы наш организм не мог с ними справляться, то жизни на Земле не было бы совсем. К счастью, в наших клетках существуют системы, которые постоянно отслеживают и чинят поломанную ДНК.

Первый лауреат, Томас Линдаль, еще в 1970-х установил, что наша ДНК — молекула очень хрупкая и быстро разрушается под влиянием внешних факторов. Настолько быстро, что теоретически жизнь вообще не должна существовать. И сам же открыл механизмы восстановления (репарации) ДНК.

Азиз Санкар в деталях изучил те механизмы, которые восстанавливают конкретные повреждения ДНК под действием ультрафиолета, так называемые механизмы эксцизионной репарации. Он, кстати, выяснил, что разрушения, вызванные УФ-излучением, начинают интенсивно залечиваться под действием обычного солнечного света. Еще аспирантом он облучал бактерии ультрафиолетом в смертельной дозе, так что выживало менее одного микроорганизма на 10 млн, а потом облучал оставшихся с помощью фотовспышки. Импульса видимого света продолжительностью около 1/700 с хватало, чтобы число выживших бактерий увеличивалось на пять порядков.

Пол Модрич изучал исправление ошибок во время деления клеток. Точнее, он выяснил, как маркируются неправильные участки ДНК и вновь синтезируются уже без ошибок.

Поэтому, несмотря на сверхцитируемость авторов, открывших возможность редактирования генома, премия «за картографирование с молекулярным разрешением клеточных процессов репарации (исправления) поврежденной ДНК и безопасного хранения генетической информации» не менее заслужена. Польза от работ лауреатов огромна, недаром именно в накоплении ошибок и мутаций лежит разгадка тайны многих онкологических заболеваний. А значит, и победы над раком.