Ilustrație a laureaților Nobel pentru Chimie din 2022. Johan Jarnestad/Royal Swedish Academy of Sciences
Nobel 2022: secvențierea genetică a hominizilor dispăruți, chimia LEGO și fizicienii care l-au contrazis pe Einstein32 min read
Academia Nobel a premiat anul acesta cercetări revoluționare în paleogenomică, chimie funcțională și fizică cuantică
Pe lângă controversele politice deja clasice premiului pentru Pace, săptămâna decernării premiilor Nobel reușește, cel puțin în primele trei zile, să aducă în atenția mediatică avansuri științifice care au influențat în mod semnificativ cercetarea din medicină, chimie, fizică și domeniile conexe acestora.
Nu de puține ori, însă, realizările câștigătorilor sunt destul de complicate pentru a putea fi explicate satisfăcător în câteva paragrafe. Iar rezumatele care apar omit detalii fascinante ale cronologiei acestor descoperiri, de multe ori rezultate din eforturi de cercetare sau dileme științifice care se desfășoară de-a lungul mai multor decenii sau chiar pe întreaga carieră a unui laureat.
Am strâns, mai jos, poveștile, știința și contextul din spatele realizărilor pentru care s-au acordat premiile Nobel de cercetare din 2022.
Svante Pääbo. Niklas Elmehed/Nobel Prize Outreach
Nobelul pentru medicină, acordat pentru analiza genetică a rudelor dispărute ale omului
Primul Nobel anunțat în 2022, cel pentru medicină, a rămas în Suedia, mergând la geneticianul „The Nobel Prize in Physiology or Medicine”, nobelprize.org Orice posibilă acuzație de favoritism local dispare atunci când treci în revistă realizările acestuia în domeniul paleogenomicii: nu doar că a reușit pentru prima dată să secvențieze un genom al omului de Neanderthal, dar a și descoperit existența denisovanilor, precum și influențele genetice transmise de aceste rude preistorice omului modern.
Svante Pääbo și-a petrecut cea mai mare parte a carierei cercetând metode de a studia ADN-ul Neanderthalilor, subspecia de oameni primitivi care a dispărut acum aproximativ 40.000 de ani. Acest detaliu temporal i-a făcut munca extrem de dificilă: ADN-ul se degradează în timp,în fragmente tot mai scurte, care, după mii de ani, sunt de-a dreptul infime. Iar multe din mostrele extrase sunt contaminate în timp cu ADN de la diverse bacterii.
Totuși, într-un „Neandertal DNA sequences and the origin of modern humans”, nih.gov cercetătorul suedez a reușit să secvențieze o regiune de ADN mitocondrial din mostre prelevate de la un os de Neanderthal. Provenit de la mitocondrii, organite aflate în majoritatea organismelor eucariote care au parte de un material genetic propriu, acest tip de ADN este mic și conține puțină informație genetică, „mtDNA and Mitochondrial Diseases”, nature.com Totuși, a fost pentru prima dată când s-a reușit secvențierea genelor unei rude dispărute a omului modern. Savantul suedez a dovedit definitiv că oamenii de Neanderthal erau distincți, din punct de vedere genetic, de Homo Sapiens sau alte primate.
Odată cu evoluția tehnologiei, Pääbo și echipa lui au început, treptat, să descifreze și genomul nuclear Neanderthalian, precum și să creeze metode noi de izolare a ADN-ului din rămășițele osoase. Eforturile sale „A draft sequence of the Neandertal genome”, nih.gov atunci când geneticianul a reușit să publice în premieră prima secvențiere completă a genomului nuclear al acestei specii.
Secvența, care a încorporat peste 4 miliarde de nucleotide de la trei indivizi distincți, a arătat ulterior că cel mai recent strămoș comun al oamenilor de Neanderthal și Homo Sapiens a trăit acum aproximativ 800.000 de ani. S-a observat, de asemenea, că oamenii de provenineță europeană sau asiatică și-au primit între 1 și 4% din bagajul genetic de la cei de Neanderthal, sugerând faptul că aceștia din urmă s-au încrucișat cu Homo Sapiens la un anumit punct.
„The complete mitochondrial DNA genome of an unknown hominin from southern Siberia”, nature.com pe un fragment osos descoperit în peștera Denisova din sudul Siberiei, a dus chiar la descoperirea unei noi specii de hominizi preistorici apropiată de omul de modern. Numiți după locul descoperirii, denisovanii au trăit în principal în Asia, dar cu posibile extinderi până în Europa și chiar Oceania. Și aceștia s-au încrucișat cu Homo Sapiens, având în vedere că până la 6% din ADN-ul denisovan a fost observat în populații din Melanezia și sud-estul Asiei.
De la stânga la dreapta: Alain Aspect, John Clauser și Anton Zeilinger. Niklas Elmehed/Nobel Prize Outreach
Nobelul pentru fizică, pentru revoluția cuantică și contrazicerea lui Einstein
Premiul Nobel pentru fizică de anul acesta a fost împărțit de cercetătorii The Nobel Prize in Physics 2022, nobelprize.org pentru experimente revoluționare care au investigat și dovedit aspecte esențiale ale fizicii cuantice. Asta în timp ce au reușit să-l și contrazică în această privință, cu dovezi, pe Albert Einstein – o performanță cu care se pot lăuda doar o mână de fizicieni.
Pentru a înțelege contextul descoperirilor celor trei fizicieni, trebuie explicat „Quantum vs. Classical”, umd.edu Fizica clasică, dezvoltată din principiile fundamentale ale mecanicii stabilite de Isaac Newton, este construită pe ideea că modul de funcționare al universului este determinist – dacă cunoști proprietățile fundamentale ale unui corp și forțele care acționează asupra acestuia, atunci poți prezice precis mișcarea acestuia din trecut și viitor. Este modelul fizic care guvernează mai toate aspectele universului vizibil.
În schimb, fizica cuantică se aplică (în cea mai mare parte) la nivelul particulelor subatomice și se bazează aproape exclusiv pe probabilități. Dacă cunoști proprietățile cuantice ale unui particule și a sistemului din care face parte, poți calcula doar probabilitatea ca particula respectivă să ocupe un anumit spațiu. Iar o diferență- majoră este faptul că obiectele la scară cuantică se comportă diferit față de cele pe care le observăm fizic – o particulă, de exemplu, se poate afla în mai multe locuri în același timp, incertitudine care dispare în momentul în care particula este observată/măsurată aleatoriu într-unul singur din aceste locuri, și revine după ce observarea acesteia ia sfârșit.
Unul dintre fenomenele descoperite în perioada de început a studiului mecanicii cuantice este denumit inseparabilitate cuantică (quantic entaglement). Acesta spune că două particule pot deveni „cuplate” în așa fel încât, prin observarea uneia singure, poți determina exact caracteristicile cuantice ale celeilalte. Și nu doar atât; orice schimbare care are loc în una o va afecta și pe cealaltă instantaneu, indiferent de distanța dintre cele două particule.
O analogie comună pentru a explica fenomenul folosește „How entanglement has become a powerful tool”, nobelprize.org în care mereu una va trebui să fie albă, iar alta va trebui să fie neagră. Dacă pui cele două bile sub două cutii, astfel încât să nu le poți observa, după principiile mecanicii cuantice, acestea ar putea avea oricare dintre culori sau chiar ambele culori în același timp, fiind, să zicem, gri, atât timp cât ele rămân ascunse.
Însă, în momentul în care ridici una dintre cutii, una dintre bile va deveni pe loc de culoare albă, iar așa poți fi sigur că cealaltă va fi de culoare neagră. Dacă pui, însă, cutiile la loc în exact aceeași ordine, și după ce o ridici din nou pe prima, observi că bila din interior are acum culoarea neagră, atunci cealaltă bilă va avea în mod cert culoarea albă – chiar și dacă ea se află într-o altă cameră și ești absolut sigur că nimeni nu ar fi putut umbla la experiment pentru a le schimba.
Această teorie a fost privită cu scepticism de anumiți fizicieni, în principal de „Einstein and the Quantum”, scientificamerican.org În ciuda arhicunoscutei expresii a sa conform căreia „Dumnezeu nu dă cu zarul”, formulată ca o critică la adresa ideii unui univers bazat pe probabilități în loc de determinism, cunoscutul fizician nu a respins vreodată complet modelul mecanicii cuantice. În schimb, el sugera că acesta ar fi doar o parte incompletă a explicației comportamentului particulelor subatomice, și că măsura, de fapt, efectele unor alte legi și variabile fizice deterministe încă necunoscute care le afecta comportamentul.
Einstein a folosit chiar inseparabilitatea cuantică pentru a încerca să demonstreze că modelul mecanicii cuantice era incomplet. „Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?”, cern.ch împreună cu Boris Podolsky și Nathan Rosen, a alcătuit un experiment de gândire numit „Paradoxul EPR”. Conform acestuia, două particule aflate în inseparabilitate cuantică la o distanță foarte mare una de cealaltă – pe care Einstein o denumea „acțiune ciudată la distanță” – nu aveau cum să facă un schimb de informații atât de rapid astfel încât să se afecteze concomitent, deoarece asta ar presupune transmiterea informației la o viteză mai mare decât cea a luminii, fapt imposibil conform teoriei relativității.
Prin urmare, singura explicație ar fi că a doua particulă avea deja proprietățile cuantice predeterminate pentru a o „oglindi” pe prima, ceea ce ar contraveni complet naturii probabilistice a teoriei cuantice. Fizicienii sugerau că alte variabile ascunse ar fi, de fapt, responsabile pentru legătura dintre cele două particule.
Pentru o perioadă lungă după publicarea articolului, această dispută a rămas doar la nivel teoretic, pentru că nu exista tehnologia necesară pentru a testa inseparabilitatea cuantică în experimente de laborator.
Discuția a revenit în atenție în 1964, atunci când fizicianul nord-irlandez John Bell a propus o teorie conform căreia nicio variabilă ascunsă deterministă nu ar putea reproduce predicțiile mecanicii cuantice. Bell a propus un experiment teoretic care putea demonstra că variabilele ascunse invocate de Einstein, Podolsky și Rosen nu există, prin măsurători complexe ale Măsura cuantică a impulsului unghiular al particulelor subatomice unor particule aflate în starea de inseparabilitate cuantică la distanță, și „How Bell’s Theorem Proved ‘Spooky Action at a Distance’ Is Real”, quantamagazine.org/
Acest experiment stă la baza muncii pentru care Clauser, Aspect și Zeilinger au primit Nobelul pentru fizică în 2022.
John Clauser a fost primul care a efectuat cu succes experimentul propus de Bell, „Experimental Test of Local Hidden-Variable Theories”, aps.org pe fotoni aflați în starea de inseparabilitate. Rezultatele au confirmat teoria lui Bell, dovedind că mecanica cuantică nu ar putea fi explicată prin variabile ascunse – oarecum ironic, pentru că fizicianul american pornise experimentul convins de faptul că va dovedi teoria lui Einstein ca fiind cea adevărată.
Teoria lui Bell și experimentul lui Clauser aveau, însă, câteva lacune care puneau sub semnul întrebării rezultatele. De exemplu, dacă lumina ar avea unele proprietăți necunoscute sau neînțelese pe deplin, atunci ar fi posibil ca comportamentul fotonilor să poată fi explicat și fără inseparabilitate cuantică. Experimentul în sine era foarte specific și ineficient în detectarea și captarea particulelor, rezultând într-un număr realtiv mic de particule măsurate, iar măsurătorile erau efectuate doar cu echipamente setate la anumite unghiuri. Toate aceastea aduceau în discuție posibilitatea ca experimentul să fie făcut pentru măsurători care să confirme teoria lui Bell, ignorând potențiale particule care ar putea s-o contrazică.
Alain Aspect, pe atunci doctorand la Universitatea din Paris-Sud, a îmbunătățit treptat experimentul, construind un cadru nou care a putut detecta un număr mult mai mare de fotoni și a realizat măsurători la unghiuri diferite, demonstrând clar că predicțiile mecanicii cuantice privind „acțiunea ciudată la distanță” erau corecte, „Experimental Realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment: A New Violation of Bell’s Inequalities”, aps.org
Austriacul Anton Zeilinger a efectuat și el, ulterior, experimente mai complexe pentru a întări teoria lui Bell, însă contribuția sa cea mai semnificativă a fost în descoperirea unor utilizării ale inseparabilității particulelor care au influențat semnificativ dezvoltarea tehnologiilor cuantice. Cercetătrile lui Zeilinger au vizat sistemele în care trei sau mai multe particule intră în starea de inseparabilitate cuantică, ceea ce oferă posibilitatea transferului unei stări cuantice între particule care nu s-au aflat niciodată în proximitatea celeilalte.
De exemplu, particulele X și Y pot intra în inseparabilitate doar după ce interacționează fizic; însă, dacă o a treia particulă, Z, creează o legătură cu una dintre cele două, să zicem X, atunci ea se va influența reciproc și cu Y, chiar dacă aceasta se află la o distanță mare, iar Z și Y nu se vor întâlni niciodată. Zeilinger a folosit acest fenomen pentru „Experimental quantum teleportation”, nature.com adică transferul unei unități de informație cuantică (numit qubit) între două locații determinate. Acest experiment a pus baza dezvoltării rețelelor cuantice, o piesă crucială în dezvoltarea tehnologiilor cuantice din ultimele decenii.
În fapt, toți cei trei laureați au avut o influență semnificativă asupra celei de-a doua revoluții cuantice, prin dovedirea și întărirea predicțiilor fizicii cuantice – ceea ce a determinat, în timp, acordarea unor fonduri semnificative pentru cercetarea unor tehnologii noi precum calculatoarele sau senzorii cuantici – cu bonusul adăugat de a reuși să contrazică cel mai influent fizician al secolului XX.
De la stânga la dreapta: Carolyn Bertozzi, Morten Meldal și Barry Sharpless. Niklas Elmehed/Nobel Prize Outreach
Nobelul pentru chimie – acordat pentru chimia „LEGO”
Premiul Nobel pentru chimie din 2022 a revenit „The Nobel Prize in Chemistry 2022”, nobelprize.org pentru dezvoltarea așa-numitei „chimie click” – o modalitate de creare a unor structuri chimice complexe în laborator prin fixarea rapidă și eficientă a mai multor molecule mici, comparată, mai în glumă, mai în serios, cu modul în care funcționează celebrele jucării LEGO.
Cu această ocazie, Sharpless a devenit doar al cincilea cercetător dublu-laureat al cu Nobel din istorie, fiind premiat anterior tot pentru chimie, în 2001. El se adaugă unui grup select din care mai fac parte Marie Curie, Linus Pauling, inginerul american John Bardeen și biochimistul britanic Frederick Sanger.
Sharpless a primit premiul din postura de inițiator al chimiei click. Chimistul american a propus metoda, „Click Chemistry: Diverse Chemical Function from a Few Good Reactions”, nih.gov ca posibilă soluție pentru crearea de molecule sintetice care să poată fi produse mai ușor la scară largă, în domenii precum medicina. La acel moment, majoritatea moleculelor create în laboratoare încercau să le imite pe cele utile din natură, ajungându-se de obicei la construcții chimice dificile și greu de produs în masă.
Metoda propusă de chimistul american consta în îmbinarea unor molecule simple, cu învelișuri complete de atomi de carbon, prin „poduri” de atom de oxigen sau nitrogen, folosindu-se de tendința acestor elemente de a reacționa pentru a forma legături puternice, cu puține reacții secundare sau pierderi de material. Sharpless a propus și o serie criterii necesare pentru ca metoda să poată fi cât mai accesibilă, de exemplu ca reacțiile să poată avea loc în prezența oxigenului sau în apă, pentru ca aceasta din urmă să fie folosit drept solvent.
Pe parcursul anului următor, atât Sharpless, cât și Molten Meldal au găsit, în experimente independente unul față de celălalt, o metodă a forma legăturile necesare chimiei click. Aceasta consta în reacția unei Un compus organic de tip hidrocarbură care conține o legătură triplă de carbon cu o Un grup de compuși chimici care au trei atomi de nitrogen grupați, britannica.com proces care, în prezența ionilor de cupru, pe post de catalizator, creează un triazol – o structură pentagonală alcătuită din doi atomi de carboni și trei atomi de azot care leagă cele două elemente fără a reacționa cu alte molecule din jur.
În „A Stepwise Huisgen Cycloaddition Process: Copper(I)-Catalyzed Regioselective “Ligation” of Azides and Terminal Alkynes”, wiley.com Sharpless a anunțat că reacția poate avea loc în apă și are o rată mare de succes, numind-o o „reacție de click ideală”. Tot ce trebuie să facă un chimist care vrea să creeze o legătură între două molecule prin aceasta metodă este să pună un azid pe una și o alchină pe cealaltă, în prezența ionilor de cupru.
Reacția, denumită în mod științific cicloadiție azido-alchină catalizată prin cupru, a devenit un standard în experimentele și producția de molecule, atât în centrele de cercetare, cât și în industrie. Metoda oferă o gamă largă de aplicații, de la modificarea proprietăților substanțelor naturale până la modificarea nucleotidelor și a ADN-ului, fiind folosită „Their functional chemistry works wonders”, nobelprize.org
A treia câștigatoare a Nobelului pentru Chimie din 2022, Caroyln Bertozzi, a reușit să facă chimia click să funcționeze în interiorul celulelor vii. Pentru a fi fezabilă, a trebuit să elimine cuprul, care este toxic pentru organisme, creând în schimb o reacție suficient de puternică pentru efectul de click între o azidă și „Copper-free click chemistry in living animals”, pnas.org
Bertozzi a îmbinat descoperirea cu un domeniu de cercetare pe care îl studiază încă din anii 1990. Este vorba de o categorie de molecule, numită glicani, carbohidrați complecși alcătuiți din diferite tipuri de zaharuri care se găsesc de multe ori la suprafața proteinelor sau celulelor și care joacă roluri importante în procesele de infectare a celulelor sau în cadrul unui răspuns imunitar.
Folosind metoda fără cupru, Bertozzi și echipa ei de cercetători a reușit să lege molecule flourescente de glicanii de la suprafața celulelor, ceea ce a permis monitorizarea modului în care aceștia se comportă în cadrul diferitelor procese biologice. De exemplu, s-a observat că anumiți glicani aflați în tumori le pot ajuta să scape de răspunsul imun al organismului, „Chemists who invented revolutionary ‘click’ reactions win Nobel”, nature.com
Metoda este cercetată în tratamente experimentale aflate în momentul de față în curs de dezvoltare sau testare. Unele dintre acestea se bazează pe anticorpi care ar putea detecta și s-ar putea lega specific de anumite tumori, prin metoda click, „injectându-le” apoi cu molecule care conțin doze letale de radiații pentru celulele cancerigene, cu posibilitatea de a reduce multe din efectele negative ale chimioterapiei actuale.
