Нобелевскими премиями этого года, по сути, награждены инновационные проекты — научные открытия лауреатов были превращены в реальные технологии, которые по большей части уже присутствуют на рынке

Лауреатов в трех естественно-научных номинациях смело можно причислить к разряду выдающихся методологов-экспериментаторов. Создание прорывных нокаутирующих технологий в генетике, открытие квантово-механических эффектов на наноуровне в физике и детальная проработка базовых механизмов важнейших промышленных реакций в химии — все эти весьма далекие друг от друга научные достижения были сделаны благодаря высочайшей экспериментальной квалификации ученых и их умению находить нестандартные методики для решения научных задач, требующих особой креативности мышления.

Мыши стали моделями

Нобелевская премия 2007 года по физиологии и медицине присуждена ученым из США — Марио Капеччи и Оливеру Смитису, из Великобритании — Мартину Эвансу за открытие принципов внедрения специфических модификаций генов у мышей с помощью эмбриональных стволовых клеток. Проще говоря, этот метод позволяет «выключать» гены или вносить в них изменения, а в результате получать информацию, как это влияет на организм или на формирование генетических заболеваний. Модели заболеваний, созданные с помощью этого метода, позволяют понять биохимию и физиологию наследственных патологий и помогают формированию принципиально новых подходов к их лечению.

Многие комментаторы отмечают, что прорывные работы, связанные со стволовыми клетками, до сих пор не удостаивались высокого внимания и оценки. Нобелевский комитет, можно сказать, проявил смелость, бо/льшую, к примеру, чем правительства США и Великобритании, которые не захотели лет тридцать назад дать гранты на эти работы, сочтя их слишком амбициозными. Сейчас же эта технология, уже значительно усовершенствованная, приносит пользу как практической медицине, так и фундаментальным изысканиям на тему «как устроена жизнь».

«В отмеченной Нобелевским комитетом технологии слиты две идеи: одна о том, как лучше всего производить изменения в геноме с помощью эмбриональных стволовых клеток, другая — как производить эти изменения в нужном месте генома», — рассказывает завлабораторией генетической инженерии клеток центра «Биоинженерия» Российской академиинаук Егор Прохорчук.

В современной биологии эта технология сейчас известна как направленная инактивация, или «нокаут» генов. Установлено, что в организмах млекопитающих лишь несколько процентов генома — это гены, кодирующие белки. Многие функции белков уже изучены, но не все. Для того чтобы уяснить функции конкретных белков, ученые «нокаутируют», или выключают, отдельные гены. Кроме этого, ген в ДНК можно заменить мутантным геном, чтобы понять механизмы генетических заболеваний и попытаться подобрать к «поломкам» ключи. Поскольку геномы мыши и человека содержат примерно одинаковое число генов, а сходство последовательностей составляет около 90%, мыши — отличные модельные животные. Еще одной причиной использования мышей является возможность изолировать их эмбриональные стволовые клетки, в которых любой ген можно подвергнуть модификации.

Мартин Эванс первым в мире «потрогал руками» мышиные эмбриональные стволовые клетки. Эванс выделил их в 1974 году. Произошло это почти случайно. Ученый работал с мышиными клетками карциномы. Он знал, что раковые клетки бессмертны, и хотел вывести чистую линию таких эмбриональных раковых клеток, которыми можно было бы манипулировать в культуре — что-то в них изменять, а затем контролировать и отбирать нужные. И в дальнейшем с помощью этих измененных клеток производить трансгенез — встраивать их в животных. До этого для трансгенеза использовалась технология, при которой нужный ген с помощью вектора вставлялся в оплодотворенную яйцеклетку, а затем модифицированная яйцеклетка встраивалась в суррогатную самку. Проблемы было две: первая — нужный ген встраивался совершенно случайно в разные места генома, и для того, чтобы получить животное с нужными признаками, было необходимо проделывать десятки тысяч опытов. Вторая проблема — модифицированную оплодотворенную яйцеклетку невозможно было контролировать, результаты можно было увидеть лишь после рождения потомства. Эта методика была малоэффективна и чудовищно дорога.

Эванс считал, что куда удобнее использовать для трансгенеза эмбриональные раковые клетки. «Он внедрял эти клетки в бластоцисту (начальнаястадия плода) мыши. Потом эта бластоциста подсаживалась суррогатной самке, — рассказывает Егор Прохорчук. — Но эти исследования прервались, поскольку у мышей не образовывались сперматозоиды и они быстро умирали от множественных опухолей.»

Казалось, идея провалилась. Однако по ходу этих опытов Эванс заметил, что в тех клетках, которые он извлекал из мышиных эмбрионов, были не только раковые, но и клетки без молекулярных раковых маркеров — при этом очень похожие по структуре и поведению на раковые. Он их выделил в самостоятельную культуру и провел с ними опыты. Это и были здоровые эмбриональные стволовые клетки (ЭСК). Опыты подсаживания в бластоцисту этих эмбриональных клеток позволили получить здоровое потомство. И Эванс понял, что именно эмбриональные стволовые клетки, а вовсе не раковые, могут стать очень удобным инструментом для получения модельных организмов с желаемыми генными изменениями. Тогда он встроил в ЭСК ретровирус в качестве маркера (сигнальной метки) и в конце вереницы опытов (см. схему) получил мышат с ретровирусами. Проверив, что методика работает, Эванс вставил в ЭСК мутантный ген одной из нейродегенеративных болезней и получил линию больных мышей.

Но в этих манипуляциях внедряемый ген встраивался случайным образом. Нужно было придумать, как мутантный ген вставить точно в то место, где сидит его здоровый «собрат».

К этому времени (конец восьмидесятых) как раз подоспели работы Марио Капеччи и Оливера Смитиса. Они также независимо друг от друга искали способ направленного изменения генома и разработали метод так называемой гомологичной рекомбинации. Сначала оба начинали работать со взрослыми соматическими клетками, в ядро которых встраивали конструкцию (вектор) с нужным геном, к примеру, устойчивости к антибиотику. Этот ген должен был «выбить» или нокаутировать ген из клеточной ДНК. Для этого придумывалась специальная конструкция, которая должна была найти нужное место с помощью последовательностей, идентичных (или гомологичных) окружению гена-кандидата на выбивание. «Эти последовательности мы называем ”плечами”, — говорит Прохорчук. — Когда вектор встраивается в нужное место, происходит так называемая гомологичная рекомбинация, в результате которой ген устойчивости к антибиотику из вектора меняется местами с геном-жертвой. При этом ген-жертва из ДНК выбрасывается. Если же вектор встраивается в постороннее место, такая рекомбинация не происходит.» Далее отбирались клетки, в которых произошла гомологичная рекомбинация, но для этого нужно было проверить тысячи, а то и десятки тысяч клеток. Заковыка была в том, что в процессе гомологичной рекомбинации участвует множество «помощников», которые сначала перекручивают участки вектора с клеточной ДНК, потом их разрезают и склеивают. Во взрослых соматических клетках эта бригада помощников работает очень вяло. Когда ученые попробовали те же опыты с раковыми клетками, получилось лучше. Ну а с эмбриональными стволовыми — еще лучше. Там «помощники» очень активны.

Как сделать мышь с направленной мутацией генома

Таким образом соединились две технологии — культивирования ЭСК, которые можно модифицировать, разработанная Эвансом, и гомологичной рекомбинации от Капеччи и Смитиса. По словам Капеччи, новая технология в десятки тысяч раз удешевила создание организмов с направленными мутациями. В мире уже выведено более 500 линий — моделей многих человеческих заболеваний: сердечно-сосудистых, нейродегенеративных, онкологических, а также диабета, на базе которых отрабатываются новые фармпрепараты.

Герои магнитного сопротивления

Нобелевская премия по физике 2007 года присуждена французу Альберу Ферту, директору физического подразделения Национального центра научных исследований (CNRS, Орсэ), и немцу Петеру Грюнбергу, профессору Исследовательского центра Юлиха — за открытие эффекта гигантского магнетосопротивления (Giant Magnetoresistance, сокращенно — GMR).

Руководитель лаборатории исследования магнитных свойств физического факультета МГУ Николай Перов, неоднократно лично общавшийся с нынешними нобелевскими лауреатами, отметил: «И Ферт, и Грюнберг — ученые высочайшей квалификации, имеющие в своем послужном списке, помимо упомянутого в официальной формулировке нобелевского комитета открытия, множество других значимых научных результатов. Присужденная им премия — абсолютно заслуженная награда, более того, меня, честно говоря, несколько удивляет, что Шведская академия так долго тянула с этой нобелевкой: колоссальное практическое значение GMR стало очевидным еще десять лет назад, когда в массовое промышленное производство были запущены первые жесткие магнитные диски, работающие на базе открытого ими в 1988 году нового физического эффекта».

По сути, физическая нобелевка 2007 года — это одна из первых премий, полученных пионерами столь популярного сегодня во всем мире обширного нанотехнологического кластера. Именно благодаря открытию, сделанному почти два десятилетия назад независимо друг от друга Фертом и Грюнбергом, миллионы нынешних пользователей персональных компьютеров получили резко возросшую емкость винчестеров, исчисляемую не мегабайтами, а сотнями и даже тысячами гигабайтов, а любители миниатюрных устройств для хранения и воспроизведения музыки, графики и видео в сжатых форматах избавились от необходимости постоянно соизмерять свои аппетиты с ограничениями, накладываемыми размерными характеристиками этих носителей информации.

Как отмечается в научном комментарии Шведской академии наук к присуждению Нобелевской премии 2007 года, за прошедшие с середины XIX века сто с лишним лет науке не удалось сколько-нибудь серьезно продвинуться вперед в сфере повышения эффективности магниторезистивных материалов. Сделать качественный и количественный прорыв современной физике удалось лишь после того как она наконец научилась получать композитные материалы со сверхминиатюрными размерами, позволившими наглядно пощупать новые квантовые физические эффекты. Как отметил Николай Перов, «ситуация резко изменилась, после того как были разработаны экспериментальные технологии напыления идеально плоских пленок с толщинами в несколько нанометров и четкими границами, минимизирующими диффузию посторонних веществ».

Гигантское магнетосопротивление, экспериментально открытое Фертом и Грюнбергом, — резкое изменение под воздействием внешнего магнитного поля электрического сопротивления композитных материалов, состоящих из чередующихся сверхтонких (нанометровых) слоев различных металлов (ферромагнетиков, немагнитных металлов или диэлектриков). Группа Ферта, работавшая с многослойными нанокомпозитами (количество различных слоев железа и хрома в их экспериментах доходило до 30 с лишним) при сверхнизких температурах (4,2 К) и с очень мощными внешними магнитными полями смогла детектировать падение сопротивления этих систем до 50%. Грюнбергу и его коллегам в Юлихе, изучавшим в сходных условиях трехслойные композиты (Fe-Cr-Fe) удалось обнаружить падение сопротивления лишь на 10%.

В физической основе нового эффекта GMR лежит обменное взаимодействие между электронами d-оболочек атомов, которое и приводит к появлению спонтанной намагниченности в системе. Это взаимодействие оказывает сильное влияние на динамику электронов: происходит расщепление электронных энергетических зон на т.н. спиновые подзоны. Как известно, спин — собственный момент количества движения различных элементарных частиц, имеющий квантовую природу. В свою очередь, важнейшей характеристикой спина электронов является магнитный момент. При спонтанной намагниченности образующиеся электронные спиновые подзоны — это области, соответствующие группам электронов со спиновым магнитным моментом, н


Похожие записи:
  1. Ведущие автоконцерны усиливают давление на генерального менеджера самых популярных автогонок мира. Бунтовщики требуют более справедливого раздела доходов, обещая в противном случае создать альтернативную серию гонок
  2. Многие компании, работающие в сфере услуг, создаются по типу заводов — это и тормозит их развитие. Разница в том, что в производстве нужно думать о клиенте, а в сервисе — о сотрудниках. Потому что сотрудник — это часть услуги
  3. Делайте великие дела, совершайте ошибки, проявляйте положительные эмоции, не идите на компромиссы, если хотите создать сильные бренды. Ибо все имеет значение, утверждает живая легенда брендинга Скотт Бедбери
  4. В течение ближайших месяцев с молотка уйдет один из девяти немецких земельных банков — Landesbank Berlin (LBB). Для Германии это может стать началом слома всей послевоенной архитектуры финансовой системы
  5. Неудачно проведенная децентрализация и приватизация водоснабжения в Великобритании обернулись засухой и ограничениями на потребление воды
  6. Проживающие в Германии иностранцы перечисляют в немецкий бюджет больше денег, чем получают через систему социальных трансферов. Выгоды немецкой экономики от мигрантов могли быть еще больше, если бы жесткое трудовое законодательство не закрывало дорогу высококвалифицированным специалистам
  7. Правительство Германии нанесло сельскому хозяйству страны огромный урон. Новые квоты на использование иностранной рабочей силы приводят к многомиллионным убыткам и заставляют фермеров сокращать объемы производства