За 116 лет церемоний в Стокгольме все уже привыкли к мысли, что медали не обязаны воздавать должное чему-нибудь полезному. Правда, бывало и наоборот: в 1912 году нобелевский комитет предпочел Эйнштейну конструктора новых, удобных клапанов для газовых маяков, а за теорию относительности ее автора так и не наградили. Но все три премии этого года — про «науку для ученых», то есть методы и идеи, которые меняют образ мысли, а не за конечные результаты вроде «частицы Бога» (за бозон Хиггса премию дали в 2013 году) или светящегося в ультрафиолете зайца (премия 2008 года по химии за зеленый флуоресцентный белок).
ДЛЯ БОРЬБЫ С РАЗНЫМИ БОЛЕЗНЯМИ АУТОФАГИЮ В КЛЕТКАХ ХОРОШО БЫ УМЕТЬ ВКЛЮЧАТЬ И ВЫКЛЮЧАТЬ. ЗАСЛУГА ЁСИНОРИ ОСУМИ ИМЕННО В ТОМ, ЧТО ОН ПОКАЗАЛ, КАК К ЭТОЙ ЗАДАЧЕ ПОДСТУПИТЬСЯ
МЕДИЦИНА: Съешь себя сам
Аутофагия — в дословном переводе «самоедство». Только применяют этот термин не к людям, решившим пообедать собственной рукой или ногой в острой фазе безумия, а к живым клеткам, для которых такое поведение — жизненная необходимость. Премия за изучение этого процесса в категории «физиология и медицина» присуждена 71-летнему японскому биологу Ёсинори Осуми, профессору Токийского технологического института.
Клетка ест — и переваривает — собственные органы (биологи называют их органеллами) и просто белковые молекулы, которые ей стали не нужны. Благодаря еще одному нобелевскому лауреату, бельгийцу Кристиану де Дюву, биологи уже полвека знают, что у клеток есть лизосомы, система мусороперерабатывающих заводов на все случаи жизни. Туда, как в топку, отправляются обезвреженные бактерии, вирусы и прочие отходы. И иногда там оказываются вроде бы вполне работоспособные запчасти молекулярного механизма.
Копаться в мусоре — дело неблагодарное: как и содержимое обычных мусорных баков клеточные отходы никогда не были предметом всеобщего внимания. Пока не стало ясно, что сбои во внутриклеточной уборке могут быть причиной самых серьезных болезней, от рака до Альцгеймера.
У клеток бывают те же проблемы, что и у городов, где забастовали коммунальные службы. Например, нейроны мозга при болезни Альцгеймера гибнут потому что их переполняют горы неубранного внутриклеточного мусора: нейроны буквально разрывает изнутри избытком белка бета-амилоида. Лизосомы могли бы в теории его переварить, но для этого внутриклеточная машинерия должна научиться опознавать бета-амилоид, маркировать его и доставлять в пункт переработки.
А одной из причин болезни Паркинсона называют сорвавшиеся с цепи митохондрии. Их по традиции называют «энергостанциями клетки», но, если развивать аналогию, это никак не мирная солнечная батарея, а, скорее, атомный реактор, требующий специальных мер безопасности. Если оттуда случается утечка агрессивных молекул-окислителей, они могут запустить у нейронов механизм запланированной клеточной смерти. Обычно этого не происходит, потому что при первых признаках неполадок их замечает и утилизует внутренняя система мусоросжигания в процессе автофагии. Но стоит случиться сбою — и человек превращается в беспомощного инвалида.
С раковыми клетками все еще сложнее: с одной стороны, аутофагия мешает им появиться на свет — среди внутриклеточного мусора попадается и такой, который может превратить здоровую клетку в опухолевую, и своевременная уборка эту проблему вроде бы решает. Но зато потом, когда опухоль набирает силу, аутофагия становится важной деталью ее системы обороны. Организм сопротивляется раку, создавая этим клеткам некомфортные условия — то, что называют метаболическим стрессом, — и тогда клетки опухоли с удесятеренным энтузиазмом начинают переваривать все, что несет им угрозу.
Короче, для борьбы с разными болезнями автофагию в клетках хорошо бы уметь включать и выключать. Заслуга Ёсинори Осуми именно в том, что он показал, как к этой задаче подступиться. До него про лизосомы и автофагию можно было рассуждать на языке микроскопии, близком к протоколам наблюдения за облаками: вот в клетке появился пузырек, а вот — в него нечто устремилось. Осуми описал рождение автофагосомы, средства доставки клеточного мусора на языке генов и белков. Стало понятно, какие молекулы ставят на мусоре пометки, как другие молекулы эти пометки опознают, упаковывают мусор, тащат его и сдают на утилизацию. Какой от этого практический толк для медицины? Есть надежда, что мы научимся с помощью лекарств сами метить как мусор то, что нам не нравится в клетке, и отправлять на уничтожение прежде, чем запустятся нежелательные процессы. Или просто напоминать клеточным коммунальным службам, чтобы они выполняли свои обязанности.
ХИМИЯ: Шестеренки из атомов
Сложно в это поверить, но нанотехнологии все-таки существуют. Просто этим словом надо называть не любой процесс, дающий на выходе достаточно мелкую пыль, а ровно то, чем занимались лауреаты этого года по химии. Они придумали молекулы, которые могут работать деталями машин размером в нанометры, и еще — это важно — придумали способ приводить такие машины в движение, потому что бензином их не заправишь.
Еще в конце 1950-х машины из атомов предсказал нобелевский лауреат по физике Ричард Фейнман, а 30 лет назад про них говорили уже все. Американский инженер Эрик Дрекслер, благодаря которому слово «нанотехнология» пошло в массы, даже опубликовал в 1986 году научно-популярный бестселлер «Машины созидания»: типичная иллюстрация к книге — зубчатые колеса из сотен атомов, сцепленных друг с другом.
Легко поверить, что воплощение этих иллюстраций в жизнь — дело техники. Даже молекула бензола из школьного учебника химии — шестиугольник с кружком посередине — внешне похожа на гайку, уложенную плашмя, и надо только найти болт подходящего размера, чтобы начать конструировать. Но реальные молекулы с картинками из учебника ничего общего не имеют. Это, скорее, колышущееся желе из электронов, размазанных по пространству вокруг атомных ядер. Представьте себе сделанную из желе шестеренку. А зацепить ее за другую зубцами мешает то, что электроны прежде всего отталкиваются друг от друга.
Но и желе — не самый безнадежный материал. В мире химиков-органиков профессор Страсбургского университета Жан-Пьер Соваж — первый в списке лауреатов Нобелевской премии по химии, пользовался репутацией хирурга, способного сделать пересадку органов комару, — он научился завязывать длинные молекулы узлом. И в какой-то момент решил попробовать замкнуть две кольцевые молекулы друг на друге, как звенья цепи. Так в 1983 году были синтезированы катенаны, которые изображали на нобелевской пресс-конференции при помощи переплетенных кренделей (химики наблюдали их и раньше в ничтожных количествах, не это был первый по-настоящему успешный синтез) — первые конструкции, которые можно назвать составным молекулярным механизмом.
Главное было начать: следом за катенанами в 1991 году появились ротаксаны — кольца, надетые на стержень и способные свободно вдоль него двигаться. Из трех таких стержней британец Фрэзер Стоддарт, профессор Northwestern University (Чикаго, США), второй лауреат, собрал молекулярный лифт — вдоль них вверх и вниз катается молекула-площадка с тремя кольцами по краям.
Третий из лауреатов, голландский химик Бернард Феринга из университета города Гронингена (Нидерланды), довел технологию до совершенства: в какой-то момент он предъявил публике молекулу в форме гоночного автомобиля — две оси, четыре колеса, узкий продолговатый кузов. Сходство формой не исчерпывалось: эта конструкция могла катиться по поверхности кристалла золота. Потом были молекулы-«мускулы», умеющие сгибаться и разгибаться с усилием, которого достаточно, чтобы согнуть небольшой лепесток золотой фольги. Феринга придумал молекулярные моторы — способ приводить такие механизмы в движение. Источником энергии, как правило, служит свет лазера со специально подобранной длиной волны, так что ее можно точно дозировать.
ГОЛЛАНДСКИЙ ХИМИК БЕРНАРД ФЕРИНГА ДОВЕЛ ТЕХНОЛОГИЮ ДО СОВЕРШЕНСТВА: ОН ПРЕДЪЯВИЛ ПУБЛИКЕ МОЛЕКУЛУ В ФОРМЕ ГОНОЧНОГО АВТОМОБИЛЯ — ДВЕ ОСИ, ЧЕТЫРЕ КОЛЕСА, УЗКИЙ ПРОДОЛГОВАТЫЙ КУЗОВ. СХОДСТВО ФОРМОЙ НЕ ИСЧЕРПЫВАЛОСЬ: ЭТА КОНСТРУКЦИЯ МОГЛА КАТИТЬСЯ ПО ПОВЕРХНОСТИ КРИСТАЛЛА ЗОЛОТА
Для чего это нужно? Например, для доставки лекарств в клетку: здесь можно представить себе капсулу с дверцей, которая раскрывается в конкретной ткани организма под действием лазерного луча, и из дверцы выходит порция сильнодействующего лекарства. Доставка не единственное, что можно придумать, имея такой многообещающий инструмент: светом можно, например, включать и выключать действие антибиотиков. Это направление уже получило свое название — фотофармакология.
ФИЗИКА: Воображаемые кренделя
Физики математиков часто недолюбливают, поскольку те в основном заняты вещами слишком уж отвлеченными — от раскраски многогранников в четыре цвета до классификации способов завязать веревку узлом или поиска простых чисел-близнецов. В 1950-е Георгий Гамов, которому мы обязаны моделью Большого взрыва, с удивлением заметил, что для физики бесполезны всего две области математики — теория чисел (в ведении которой находятся теорема Ферма и числа-близнецы) и топология, еще более загадочная область. Премия 2016 года за «топологические фазовые переходы» доказывает, что классик все-таки ошибся.
Чем топология занимается? Для ответа на этот вопрос представителям Нобелевского комитета понадобились крендель (две дырки), пончик (одна дырка) и булка (ни одной). Если сильно огрублять, то топологам интересны самые базовые геометрические свойства вещей — те, которые не меняются, если вещь мять или растягивать, но не рвать. В этом смысле круг и квадрат или чашка и бублик — одно и то же (представим себе их вырезанными из очень мягкой резины, которая позволяет так смять одно, чтобы оно приобрело форму другого). А вот крендель (две дырки) в пончик (одна дырка) и уж тем более в булку превратить нельзя.
Этот объяснение обычно оставляет у слушателей тяжелое ощущение, что математики маются ерундой. Но на самом деле их волнует геометрия куда более экзотических объектов — например, мы можем представить в виде фигуры в воображаемом пространстве все возможные способы повернуть спутник или антенну (будь вместо спутника или антенны что-нибудь плоское, такой «фигурой в воображаемом пространстве» была бы простая окружность: каждая ее точка кодирует плоский поворот на столько-то градусов). Хотя фигура и воображаемая, свойства у нее вполне реальные.
Физикам к воображаемым пространствам не привыкать. Некоторые модели космологов предполагают, что наше пространство именно что воображаемое, а в реальности мы живем в 10- или 26-мерном мире. Но «топологические фазовые переходы» появились в более приземленной области знания — физике твердого тела, которая изучает скучные вроде бы полупроводники или сверхпроводники. В задачах о том, как ведут себя внутри них электроны, и возникают воображаемые пространства с невероятной геометрией.
Поэтому можно сказать, что трое американских теоретиков — Дэвид Таулесс, Дункан Халдейн и Джон Костерлиц — получили премию за то, что связали изменения реальных электрических свойств (например, проводник перестает проводить или, наоборот, набирает сопротивление) с тем, как в воображаемом пространстве условный пончик становится условным кренделем.
ТРОЕ АМЕРИКАНСКИХ ТЕОРЕТИКОВ — ДЭВИД ТАУЛЕСС, ДУНКАН ХАЛДЕЙН И ДЖОН КОСТЕРЛИЦ — ПОЛУЧИЛИ ПРЕМИЮ ЗА ТО, ЧТО СВЯЗАЛИ ИЗМЕНЕНИЯ РЕАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ С ТЕМ, КАК В ВООБРАЖАЕМОМ ПРОСТРАНСТВЕ УСЛОВНЫЙ ПОНЧИК СТАНОВИТСЯ УСЛОВНЫМ КРЕНДЕЛЕМ
«Топологические изоляторы» — способные к таким превращениям экзотические материалы, которые были сначала предсказаны теоретиками и только потом получены в 2007 году. С ними связывают надежды на более мощные процессоры и квантовые компьютеры и еще на то, что электроника через сто лет будет замещена спинтроникой, когда вместо электрического заряда будет перетекать спин (сложная квантовая характеристика частицы). Но это — тема для будущих премий, а нынешняя — хороший способ напомнить, что большая наука не сводится к списку тем, пригодных для попадания в вечерние новости.