Sci-Memo: Vaccinurile cu ARN mesager, cele mai scurte impulsuri luminoase și nanocristalele din QLED-uri, premiate cu Nobel27 min read

De Ionuț Preda 05.10.2023

Academia Nobel a premiat anul acesta cercetători care au pus bazele vaccinurilor cu ARN mesager, au creat metode de a studia mișcările electronilor și au descoperit nanocristale care sunt folosite șii în tehnologia comercială.

Săptămâna Nobel a început cu decernarea premiilor pentru domeniile științifice – medicină, fizică și chimie. Este săptămâna în care strălucesc cercetători care nu au neapărat un renume în afara cercurilor academice, dar ale căror studii au schimbat semnificativ cursul domeniilor proprii și au fost transpuse, ulterior, în practici și tehnologii care au avut impact pe întreaga planetă.

Iată care sunt laureații Nobelurilor în știință de anul acesta și de ce au primit această renumită distincție.

Katalin Kariko (stânga) și Drew Weissman

Medicină: cercetările fără care nu ar fi existat vaccinurile cu ARN mesager

Premiul Nobel pentru Medicină a fost acordat biochimistei Katalin Kariko (Ungaria) și imunologului Drew Weissman (Statele Unite) pentru descoperiri despre ARN-ul mesager care au stat la baza dezvoltării vaccinurilor cu această tehnologie, inclusiv primele vaccinuri anti-COVID-19.„Press release: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2023”, nobelprize.org

ARN-ul mesager este o moleculă de acid ribonucleic, care transcrie instrucțiunile de producere a diverselor proteine din ADN. Molecula este creată în nucleul celular și utilizată  de ribozomi, structurile celulare care produc proteinele din organism. Acestea citesc ARN-ul mesager ca pe un „manual” și produc proteinele pe baza instrucțiunilor din moleculă.

Potențialul de a folosi această proprietate a ARN-ului mesager în scop terapeutic a fost cercetat încă din anii 1980, atunci când s-au descoperit metode eficiente de a produce molecula în laborator, fără a necesita culturi celulare, într-un proces numit transcriere in vitro. Însă experimentele inițiale au arătat nu doar că molecula ar fi dificil de livrat organismului, dar și că provoacă reacții inflamatorii din partea sistemului imunitar.

Kariko și Weissman au început să cerceteze modul în care diversele tipuri de ARN interacționează cu sistemul imunitar la începutul anilor 1990, atunci când erau colegi la Universitatea Pennsylvania din Statele Unite. Ei au observat faptul că celulele dendriticeUn tip de globule albe care captează antigenii, îi descompun în fragmente mai mici și îi prezintă celulelor imune, jucând un rol crucial în activarea și reglementarea sistemului imunitar. recunosc ARN-ul mesager creat în laborator ca o substanță străină, activând sistemul imunitar și reacțiile inflamatorii. Numai că asta nu se întâmpla și în cazul ARN-ului mesager prelevat direct din celule mamaliene, Celule derivate sau izolate din țesuturile unui mamifer care nu declanșează un răspuns imun.

Într-un studiu publicat în 2005, „Suppression of RNA Recognition by Toll-like Receptors: The Impact of Nucleoside Modification and the Evolutionary Origin of RNA”, researchgate.net  Kariko și Weissman au explicat de sistemului imunitar reacționează diferit: elementele de bază ale ARN-ului mesager transcris în celulele mamaliene, nucleotidele, sunt deseori modificate chimic, în timp ce varianta transcrisă in vitro era o structură de bază a moleculei.

Mergând mai departe, cercetătorii au expus celulelor dendritice diferite variante de ARN mesager cu modificări chimice unice ale bazelor și au observat că unele dintre acestea nu provoacă un răspuns imun inflamator. În studii ulterioare, ei au demonstrat și că ARN-ul mesager cu baze modificate putea crește producția de proteine, în comparație cu varianta transcrisă in vitro.

Fără aceste descoperiri, ar fi fost imposibil ca vaccinurile anti-COVID-19 pe bază de ARN mesager să fie dezvoltate într-un timp record, în mai puțin de un an de la începutul pandemiei.

De la stânga: Pierre Agostini, Ferenc Kraus și Anne L’Huillier

Fizică: Cele mai scurte impulsuri luminoase, singurele care pot observa dinamica electronilor

Anul acesta, trei cercetători au primit Premiul Nobel pentru Fizică: Pierre Agostini (Franța) de la Universitatea Ohio State din SUA, Ferenc Krausz (Austria/Ungaria) de la Institutul Max Planck și Universitatea Ludwig Maximilians din Germania, și Anne L’Huillier (Franța/Suedia), de la Universitatea Lund din Suedia. Cei trei au fost premiați pentru crearea unor metode experimentale de a studia dinamicile electronilor, bazate pe cele mai scurte impulsuri luminoase folosite vreodată în laborator. „The Nobel Prize in Physics 2023”, nobelprize.org

Observarea mișcării electronilor în atomi sau molecule necesită cele mai scurte și rapide impulsuri luminoase posibile. În cazul unui laser, acestea nu pot fi mai scurte de o femtosecundă – 10-15 dintr-o secundă – ceea ce este suficient pentru a observa comportamentul atomilor. Electronii sunt, însă mult mai rapizi, își schimbă poziția în atomi și molecule la nivelul attosecundelor – adică o miliardime dintr-o miliardime a unei secunde (10-18) – ceea ce înseamnă că, dacă încerci să îi observi, ei vor apărea blurați în „blițul” creat de respectivele lasere.

Există, însă, un truc pentru a crea impulsuri luminoasei mai scurte. Acesta ține de natura duală a luminii, care este și particulă, și undă. „Wave Behaviors”, nasa.gov Undele au o mișcare oscilatorie, similară unor valuri; astfel, lungimea de undă este distanța dintre „vârfurile” a două valuri.

În cazul luminii vizibile, în funcție de culoare, lungimea de undă variază între 400 și 700 de nanometri. Singurul mod de a face pulsuri de lumină și mai rapide este să scazi cumva lungimea de undă.

În 1987, Anne L’Huillier a demonstrat că se pot obține impulsuri luminoase mai scurte decât cele mai rapide lasere dacă lumina în cauză este trecută printr-un gaz nobil. Atunci când aceasta interacționează cu atomii gazului, se creează oscilații în interiorul undelor – practic, unde și mai scurte, care au propriile cicluri, incluse într-un singur ciclu al undei originale. După experimente ulterioare, cercetătoarea a pus bazele înțelegerii teoretice ale acestui fenomen.

Apoi, Pierre Agostini și Ferenc Krausz au reușit să creeze tehnici separate prin care au obținut impulsuri luminoase de 250 și, respectiv, 650 de attosecunde. Astfel de metode au deschis calea studierii dinamicii electronilor, ducând la o explorare mult mai detaliată decât era posibilă anterior a fizicii atomilor și moleculelor și, în general, a proceselor interne ale materiei.

De la stânga: Moungi Bawendi, Louis Brus și Alexei Ekimov

Chimie: Nanoparticule atât de mici încât proprietățile sunt legate de dimensiune (ca în televizoarele QLED)

Ultimul Nobel decernat domeniilor științifice, cel pentru chimie, a fost împărțit de Moungi Bawendi (Tunisia/Franța/Statele Unite), de la MIT, Louis E. Brus (Statele Unite), de la Universitatea Columbia din New York, și Alexei Ekimov (Rusia), de la compania Nanocrystals Technology Inc. din New York. Cercetătorii au primit distincția pentru descoperirea punctelor cuantice, particule semiconductoare care sunt folosite acum, printre altele, în intervenții chirurgicale sau în televizoare moderne. „Press release: The Nobel Prize in Chemistry 2023” – nobelprize.org

Punctele cuantice sunt nanoparticule atât de mici încât dimensiunea lor le determină proprietățile. Ideea că nanoparticulele au asemenea caracteristici neobișnuite era prezisă, teoretic, încă din 1937, de către fizicianul german Herbert Frohlich, însă a putut fi dovedită experimental doar peste patru decenii. „They added colour to nanotechnology”, nobelprize.org (PDF)

În 1981, Alexei Ekimov, pe atunci cercetător la Institutul Optic S.I. Vasilov din URSS, a descoperit o aplicație practică a acestui fenomen. Savantul studia proprietățile optice ale sticlei colorate în contextul adăugării clorurii de cupru. Ca parte a experimentului, a încălzit sticla la diverse temperaturi și pentru durate între 1 și 96 de ore.

Trecând materialele obținute prin raze X, cercetătorul a observat că nanocristalele de clorură de cupru aveau dimensiuni diferite în funcție de procesul de fabricație folosit. Totodată, cu cât acestea erau mici, cu atât absorbeau mai multă lumină albastră – ceea ce dovedea că era vorba de un fenomen cuantic al cărui proprietăți exacte depindeau de mărimea particulelor.

Însă studiul publicat de Ekimov a apărut doar într-o publicație științifică sovietică. Co-laureatul Louis Brus nu aflase despre descoperirea cercetătorului sovietic atunci când, peste doi ani, a descoperit și el puncte cuantice, de data aceasta într-o soluție lichidă.

În cadrul unui experiment în care testa reacții chimice ale sulfurii de cadmiu obținute cu energie solară, Brus a observat că proprietățile optice ale particulelor se schimbau în timp. El a produs o tranșă nouă de particule de sulfură de cadmiu și a observat că cele originale aveau un diametru mai mare, dovedind că particulele originale au crescut, iar asta le-a modificat proprietățile.

Problema era că metodele folosite pentru a crea astfel de particule aveau rezultate destul de imprevizibile –‒se obțineau puncte cuantice de dimensiuni diverse și uneori cu defecte. Moungi Bawendi, care și-a început cariera post-doctorală la laboratorul lui Louis Brus, a căutat metode de a produce puncte cuantice de calitate ridicată.

Ajuns lider al unui program de cercetare la MIT, Bawendi a descoperit în 1993 un proces relativ simplu și predictibil. Mai întâi, a inserat substanțele care pot forma nanoparticule de seleniură de cadmiu într-o soluție solventă. Încălzind soluția la diverse temperaturi, Bawendi și echipa lui au descoperit că pot crea puncte cuantice de dimensiuni și cu proprietăți specifice.

Descoperirea a deschis drumul cercetării la scară largă a punctelor cuantice, iar acestea au început să fie folosite produse comerciale – precum televizoarele cu ecran QLED (cu Q de la „quantum dot”), în care puncte cuantice sunt folosite pentru a schimba lumina albastră absorbită de diode în roșu și verde, creând spectrul principal de culori necesar pentru un ecran TV. Ele sunt folosite și în medicină, unde sunt atașate biomoleculelor folosite în experimente și în chirurgie pentru a face o hartă a celulelor și organelor pacienților.

James Webb captează „scurgerea” spectaculoasă a unei protostele

O imagine recentă captată de telescopul James Webb arată unul dintre cele mai spectaculoase fenomene cosmice: un obiect Herbig-Haro, regiuni foarte luminoase care se formează în jurul stelelor noi sau proto-stelelor, atunci când vânturile stelare și gazele împrăștiate de acestea se ciocnesc la viteze ridicate de nori alăturați de gaze și praf cosmic.

ESA/Webb/NASA/CSA/T. Ray Dublin Institute

Mai exact, telescopul a captat HH 211, situat la doar 1.000 de ani-lumină distanță în Constelația Perseu – unul dintre cele mai apropiate obiecte Herbig-Haro de Pământ. HH 211 este creat în jurul unei proto-stele de clasă 0, analoagă Soarelui atunci când acesta avea doar câteva zeci de mii de ani și 8% din masa sa actuală.

5 studii care ne-au atras atenția


MindcraftStories_1Antimateria este afectată de gravitație

O echipă de cercetători de la acceleratorul de particule de la Geneva „Free-falling antihydrogen reveals the effect of gravity on antimatter”, nature.com a descoperit că antimateriaMaterie creată din antiparticule, particule cu încărcătură electrică opusă celor normale care sunt create din coliziunile razelor cosmice, degradarea radioactivă și, în acest caz, experimente în acceleratoare de particule este afectată de gravitația Pământului, având o accelerație gravitațională într-o marjă de 25% de cea a unui obiect normal. Experimentul infirmă teoriile care susțineau că astfel de particule ar fi afectate de anti-gravitație, o forță ipotetică opusă gravitației, și reafirmă teoria relativității generale, care susține că orice tip de materie răspunde la gravitație în același mod.

Cifre Articol MindcraftStories_2Se rezolvă misterul galaxiilor prea luminoase observate cu James Webb?

Un studiu publicat în „The Astrophyical Journal Letters Bursty Star Formation Naturally Explains the Abundance of Bright Galaxies at Cosmic Dawn”, iop.org încearcă să explice misterul din spatele galaxiilor foarte apropiate de Big Bang observate cu telescopul James Webb, a căror strălucire indicau dimensiuni mult prea mari față de vârsta lor estimată, ceea ce punea sub semnul întrebării modelul standard al cosmologiei. Simulări efectuate de astrofizicieni de la Universitatea Northwestern susțin că galaxii de dimensiuni mici pot străluci la fel de mult ca unele de dimensiuni mult mai mari, dacă sunt surprinse într-o perioadă intensă și rară în care se formează mai multe stele decât de obicei, producând multă lumină într-un timp foarte scurt.

Cifre Articol MindcraftStories_3Prima mostră de ARN prelevată de la o specie dispărută

În premieră, o echipă de cercetători de la Universitatea din Stockholm a reușit să recupereze ARN de la o specie dispărută. Conform studiului publicat în Genome Research, „Historical RNA expression profiles from the extinct Tasmanian tiger”, cship.org autorii au reușit să extragă mostra de la un specimen de tigru tasmanian păstrat la temperatură ambientală de peste 130 de ani la Muzeul de Istorie Naturală al Suediei. Pe baza acestuia au reușit deja să reconstruiască ARN-ul asociat pielii și mușchilor scheletici ai speciei. Descoperirea ar putea oferi noi căi de a readuce la viață atât tigrul tasmanian, care nu a mai fost observat de om din 1936, cât și alte specii dispărute.

Cifre Articol MindcraftStories_4Suprafața care rămâne uscată și sub apă

O echipă internațională de cercetători a creat o suprafață ultrahidrofobă care poate rămâne uscată chiar și dacă este scufundată în apă timp de câteva luni. „Long-term stability of aerophilic metallic surfaces underwater”, nature.com Cheia materialului este un plastron, un tip de material care formează un strat ce captează apa și funcționează ca o barieră protectoare a bazei din aliaj de titaniu. Pe viitor, astfel de materiale ar putea fi folosite în medicină pentru a crea implanturi medicale cu potențial mai mic de infecție sau ca înlocuitor non-coroziv pentru conductele subacvatice.

Cifre Articol MindcraftStories_5Viermii de mătase fac și pânze de păianjen, mai nou

Cercetători din China au reușit să creeze, pentru prima dată, mătase de păianjen cu intermediul unor viermi de mătase modificați genetic, conform unui studiu publicat în jurnalul Matter.„High-strength and ultra-tough whole spider silk fibers spun from transgenic silkworms”, cell.com Autorii au folosit tehnica de editate genetică CRISPR-Cas9 ca să insereze genele producătoare în viermii de mătase, astfel încât mătasea dă păianjen să fie produsă prin glandele insectelor.

Într-un calcul al rezistenței la fractură raportat la densitate, mătasea de păianjen este de cinci ori mai dură decât fierul și de șase-zece ori decât kevlarul folosit în veste anti-glonț. Ea ar putea fi o alternativă ecologică pentru fibrele sintetice, dacă va putea fi produsă la scară largă.

Recomandările Mindcraft Stories

  1. Dacă tot a evidențiat Nobelul pentru Medicină descoperiri din zona ARN-ului mesager, Nature analizează, pe larg, așteptata evoluție a tehnologiei: ARN-ul circular, în care molecula de ARN este legată la capete pentru a-i da forma unui inel, ceea ce ar trebui, teoretic, să-i ofere mai multă stabilitate și longevitate decât variantele actuale.
  2. Linia de cale ferată High Speed 2 ar fi trebuit să lege nordul Angliei de Londra, însă jumătate din proiect tocmai a fost anulat de către de premierul britanic Rishi Sunak. Cu toate acestea, proiectul a avut un impact deosebit asupra științei: cercetările arheologice obligatorii desfășurate pe ruta planificată au dezvăluit zeci de obiective istorice ascunse, de Epoca Fierului până în cea medievală, creând practic cel mai mare program arheologic din istoria Marii Britanic; ZME Science prezintă o parte dintre aceste descoperiri.
  3. Un alt trend de pe TikTok a ajuns în atenția experților: un filtru care susține că-ți arată în ce culori vede un câine lumea din jur a ajuns viral, însă experții consultați de Scientific American susțin că realitatea este, ca de obicei, mult mai complexă.

 



Text de

Ionuț Preda

Redactor cu câțiva ani de experiență în presa centrală. Este curios despre aplicarea tehnologiilor SF în lumea reală și evoluția ideilor de-a lungul istoriei.

ȘTIINȚĂ|OVERVIEW

Primul dinozaur a fost atestat științific acum exact 200 de ani

De
Prezentarea lui Megalosaurus într-o conferință științifică de la Oxford din 1824 a deschis calea către Jurassic Park.
AI&ROBOȚI|FYI

Slow Forward: Videoclipurile AI generate de Sora au pus în umbră Gemini 1.5 

De
Două noi modele AI s-au lansat în aceeași zi, dar cel de la OpenAI s-a dovedit mut mai bun la marketing.
MONEY|FYI

Coin Toss: Companiile de tech continuă valul de concedieri, iar AI-ul ar putea fi parte din problemă

De
Disponibilizările în sectorul tech continuă, Sam Altman are nevoie de 7 triliarde de dolari pentru a revoluționa industria semiconductorilor, iar un preot catolic îl învață pe Papa care-i treaba cu AI-ul.
ȘTIINȚĂ|BOOK CLUB

Mai putem avea încredere în Modelul Standard al fizicii?

De
Brian Cox vine în România pe 3 aprile. Până atunci, iată un fragment din cartea „De ce E=mc2”, tradusă recent în limba română.