Nobelove nagrade - 2014. • Alexey Levin • Znanstvene novosti o "Elementama" • Nobelove nagrade, biokemiju, neurobiologiju, medicinu, molekularnu biologiju, fiziku, fiziologiju

Nobelove nagrade 2014

S lijeve strane: Nobelovu skupštinu u kojoj se sastaje Nobelova skupština Karolinskog instituta (Nobelova skupština na Karolinskom institutu) i najavljuje Nobelovu nagradu u fiziologiji i medicini. Desno: zgrada Kraljevske švedske akademije znanosti, koja je najavila Nobelove nagrade za fiziku i kemiju. Fotografije iz himetop.wikidot.com i kva.se

Tri prirodoslovne nagrade za 2014. primile su američko-britanski neurophysiolog John O'Keefe i njegovi norveški kolege May-Britt Moser i Edward Moser za "otkriće stanica mozga navigacijskih sustava", japanski fizičari Isamu Akasaki, Hiroshi Amano i Shuji Nakamura – za izmišljanje , što je omogućilo stvaranje svjetlih i ekonomskih izvora bijelog svjetla, kao i Amerikanci William Moerner i Eric Betzig i njemački Stefan Hell – "za razvoj mikroskopije fluorescencije visoke razlučivosti".

Kao i uvijek, prvog ponedjeljka listopada, počeo je dolaziti iz Stobreča poruke o dodjeli Nobelove nagrade 2014. godine. Prvi su postali poznati laureati u nominaciji "fiziologija i medicina", sljedeći dan – u fizici, a dan kasnije – u kemiji.

Fiziologija i medicina: mozak i svemir

U skladu s testamentom Alfreda Nobela, nagrade u prvoj kategoriji dodijeljene su Nobelovom skupštinom Karolinskog instituta – jednog od najvećih medicinskih sveučilišta u Europi, osnovanom dekretom švedskog kralja Karla XIII 1810. godine. Ima pedeset profesora koji glasaju na temelju preporuka Nobelovog odbora (vidi Nobelovu komisiju za fiziologiju ili medicinu), koja uključuje samo pet znanstvenika. 6. listopada tajnik Goran Hansson (Göran K. Hansson) nazvao je imena tri neuroznanstvenika dodijeljena "za otkriće stanica mozga navigacijskog sustava".

75-godišnji profesor na London University Collegeu, John O'Keefe, rođen u Sjedinjenim Državama, studirao je u Kanadi i napravio znanstvenu karijeru u Engleskoj, dobio je polovicu novčane nagrade od 8 milijuna kruna. Drugo poluvrijeme podijelili su profesori norveškog sveučilišta znanosti i tehnologije u Trondheimu May-Britt Moser (May-Britt Moser) i Edwarda Mosera (Edvard Ingjald Moser), koji su zajedno vodili Sveučilišni institut za neurologiju Kavli (Kavli Institute for Systems Neuroscience). Oni su bili četvrti bračni par ikada primili Nobelovu nagradu, a drugi u njihovu imenovanju. Ta tri istraživača dodali su popis 204 znanstvenikazabilježen u godinama 1901-2013 tijekom 105 nagrada za Nobelovu nagradu u fiziologiji ili medicini. Svibnja-Britt je jedanaesta žena koja je dobila nagradu za ovu nominaciju.

Dobitnici Nobelove nagrade u fiziologiji i medicini 2014. (s lijeva na desno: John O'Keefe, May-Britt Moser, Edward Moser). Slika od nobelprize.org

Imena primatelja nisu bila neočekivana. Njihovi su se rezultati već dugo prepoznali kao najveći doprinos modernoj neurofiziologiji. Godine 2013. Moser je nagrađen nagradom Louisa Gross Horwitz (nagrada Louisa Gross Horwitz), od 1967. godišnje dodjeljuje Sveučilište Columbia za istraživanje biologije i biokemije. Ova nagrada se smatra pouzdanim prediktorom posjeta Stockholmu. Do danas gotovo polovica laureata – 47 od 95 ljudi – naknadno je dobila Nobelove nagrade.

Otkrića novih laureata omogućila su razumijevanje koje strukture mozga sisavaca prepoznaju položaj tijela u prostoru i orijentaciji tijekom kretanja. Temelji se na višegodišnjim pokusima na štakorima i miševima, koji je početkom O'Keefea započeo u Londonu u kasnim 1960-ima. Tada se vjeruje da životinje djeluju pod izravnim utjecajem signala dobivenih osjetilima.Međutim, postojala je alternativna teorija koju je 1948. predložio američki psiholog Edward Tolman (vidi pregled Sherija J. Y. Mizumori, 2006. Hippocampalna polja mjesta: Neuralni kod za epizodnu memoriju?). Tolman je zaključio da su kognitivne mape okoliša formirane u mozgu životinja, koje služe kao osnova za ponašanje. Međutim, Tolman nije mogao odrediti koje područje mozga grade ove karte i kako rade.

Uspostavilo se rješenje ovog problema krajem pedesetih godina, kada se pojavila tehnika koja prati aktivnost neurona pomoću implantiranih mikroelektroda. Njezin i O'Keefe su se angažirali. Njegovi pokusi pokazali su da su neke stanice hipokampusa, upareni dio arhikorteksa (stari mozak korteksa), odgovorni za analizu informacija o prostornom smještaju. Tada je već poznato da hipokampus ima ključnu ulogu u procesima pamćenja i učenja. O'Keefe i njegovi kolege pronašli su piramidalne neurone u hipokampusu koji su uzbuđeni samo ako su testirane životinje na određenim područjima okolnog prostora ("polja mjesta"). O'Keefe je sugerirao da su to oni koji su služili kao temelj za prostorno mapiranje, o čemu je Tolman pisao. Pozvani su stanicama neurona.

O'Keefe je sugerirao da ove stanice pohranjuju informacije o određenim "oznakama" prostornog okruženja koje životinje opažaju uglavnom kroz njihovu viziju. Svaki položaj životinje odgovara određene mreže uzbuđenih stanica, koje ostaju stabilne sve dok je životinja na ovom mjestu. Kada se životinja pomiče, ove mreže mijenjaju se tako da oblikuju nove prostornim kartama. Kada je štakor vraćen na svoje mjesto, izvorna mreža pobuđenih stanica je obnovljena.

Sljedeći korak učinio je par Moser. Godine 1996. radio je u laboratoriju O'Keefea, gdje su savladali svoj način bilježenja neuronske aktivnosti. Godine 2005. otkrili su da se pored hipokampusa, u entorhinalnom korteksu (vidi Entorhinal cortex) mozga, nalaze i neuroni koji su također uključeni u mapiranje okoliša. Dobivaju informacije iz dijelova mozga povezane s osjetilnim organima i time reagiraju na promjene u položaju glave i tijela životinje. Oni se nazivaju rešetkasti neuroni (rešetkastih stanica) i također su prevedeni u ruski kao rektalni neuroni ili neuroni rešetke. To je zbog činjenice da su mrežni neuroni uzbuđeni,kada životinja istražuje prostor oko nje, a pobuđena područja ovih neurona tvore blisku redovnoj trokutnoj rešetki (slika 1). Teorijski su ih 1996. predvidjeli američki neurofiziolog William Kelvin (William H. Calvin), a Moser i njihovi kolege eksperimentalno su ih otkrili. Te stanice razmjenjuju signale s stanicama stanicama koje se nalaze u hipokampusu. Kasnije, u blizini entorhinalnog korteksa, otkriveni su analozi rektalnih neurona koji također komuniciraju s hipokampusom. Ovaj sustav obavlja dinamičko mapiranje okoliša, što je predvidio Tolmen.

Sl. 1. Područja ekscitacije staničnih mjesta (na lijevoj strani) i rešetke neurona (s desne strane). Crne crte pokazuju putanju štakora, koja je proučavala okolni prostor; crvene točkice označena mjesta gdje su neuroni bili uzbuđeni. Slika od Edvarda I. Mosera, Emilija Kropfa i May-Britt Mosera, 2008. Mjesto ćelije, mreže ćelija i sustav prostornog zastupanja mozga

Otkrića novih laureata važna su ne samo za temeljnu znanost. Neuroznanstvenici vjeruju da su navigacijski sustavi mozga sisavaca i ljudi vrlo slični. Već je poznato da je entorhinalni korteks oštećen u ranim stadijima Alzheimerove bolesti.Proučavanje značajki njegovog funkcioniranja obećava dati važne informacije za borbu protiv ove bolesti i drugih neurodegenerativnih poremećaja.

Fizika: Sve snage LED-a

Nobelova nagrada u fizici također nije bila neočekivana. U razdoblju od 2011. do 2013. dobila je nagradu za isključivo temeljna istraživanja na području fizike i kozmologije. Moglo bi se pretpostaviti da će Kraljevska švedska akademija znanosti ovog puta posvetiti primijenjenom istraživanju, koje je to učinio 2007., 2009. i 2010. godine. I tako se to dogodilo. 7. listopada, stalni tajnik Akademije Staffan Normark priopćio je da je nagradu 2014. godine nagrađeno "za izum učinkovitih plavih svjetlosnih dioda, što je omogućilo stvaranje svjetlih i ekonomskih izvora bijelog svjetla". Nagrade su dodijeljene japanskim fizičarima Isamu Akasaki (Isamu Akasaki) i Hiroshi Amano (Hiroshi Amano) sa Sveučilišta Nagoya, kao i Shuji Nakamura, koji nakon napuštanja privatne tvrtke nije pronašao posao u japanskom sveučilišnom sustavu, a profesor je već 15 godina. na Kalifornijskom sveučilištu, Santa Barbara. Dobitnik je 108. Nobelove nagrade za fiziku za redom, dodajući na prethodnu listu 196 laureata.

Dobitnici Nobelove nagrade za fiziku 2014. (s lijeva na desno: Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, Shuji Nakamura). Fotografije iz poruke o dodjeli nagrada u fizici s web stranice časopisa znanost

Svjetleće diode, ili jednostavno LED, su poluvodički uređaji koji pretvaraju energiju električne struje u svjetlost. Taj se učinak zove elektroluminescencija. Godine 1907. najprije se promatrao u eksperimentima s prolaskom struje kroz kristal silicijevog karbida od strane pomoćnika Guglielma Marconija i kasnije samog glavnog inovatora i radio tehničara Henryja Josepha Rounda, a nakon šesnaest godina samostalno je ponovno otkrio Nizolinski Novgorod radiolaboratorij Olega Loseva koji je, kao sada jasno se približilo izumu LED-a (vidi članak N. Zheludev, 2007. 100 godina povijesti LED-a).

Rad svjetlećih dioda uzrokovan je procesima u kontaktnoj zoni poluvodiča s rupom i elektronskom vodljivosti – tzv. p-nprijelazi koje je 1939. otvorio američki inženjer Russell Ohl (Russell Ohl). na p-n– prijelaz se događa u električnom polju koje stvara potencijalnu barijeru koja sprečava protok elektrona u regiju s vodljivom vodom i rupe u elektron.Prilikom primjene vanjskog polja s minus znakom na području elektrona, visina barijere se smanjuje, tako da se elektroni i rupice počinju migrirati kroz prijelaz jedan prema drugome. Nakon milijunske sekunde (ili čak brže), oni se rekombiniraju, emitirajući kvantiju svjetlosti. Spektralni sastav zračenja određuje se tipom poluvodiča. LED-ovi temeljeni na galijevom arsenidu stvaraju infracrveno i crveno zračenje, galijev fosfid – žuto i zeleno. Uređaji zasnovani na galijevom nitridu daju plavo, plavo i ultraljubičasto zračenje. Prvu crvenu LED svjetiljku izumio je američki fizičar Nick Holonyak 1962. godine, ali plave LED diode su se pojavile samo tri desetljeća kasnije.

Posebni aditivi uvode se u poluvodiče kako bi stvorili područja s različitim vrstama provodljivosti. Dakle, kako bi se dobila provodljivost elektrona, galijev nitrid može se dopirati silicijem i dobiti vodljivost rupa s magnezijem. Da bi se stvorila učinkovita LED dioda, potrebno je rasti kristali bez kvara osnovnog poluvodiča, a zatim ih se nanositi potrebnim aditivima i u pravim omjerima. Za galij nitride je vrlo teško, stoga je tehnologija za proizvodnju LED-a na temelju toga bila prilično kasno.Isamu Akasaki je započeo s radom 1974. godine. Do sredine 1980-ih, on, Hiroshi Amano, i njihovi kolege razvili su jeftin način za proizvodnju kristala galskih nitrida s visokim optičkim svojstvima. Da bi se to postiglo, upotrijebili su metodu taloženja tvari na supstratu iz parafazne faze, stvorene u prvoj polovici sedamdesetih godina. Sličnu tehniku ​​kasnije je izumio Nakamura, koji je tada radio u japanskoj tvrtki Nichia Chemical Industries. Akasaki i Nakamura timovi su početkom 1990-ih razvili tehnologije za proizvodnju galij nitrida s aluminijskim ili indijskim legurama i primijenili ih za proizvodnju sendviča iz nekoliko poluvodiča s različitim vrstama vodljivosti (tzv. Poluvodičke heterostrukture). Bilo je na temelju heterostruktura da su obje skupine stvorile plave LED diode u prvoj polovici 1990-ih, što je poluvodička industrija ovladala.

Sl. 2. Vrlo svijetle plave LED diode sada se koriste gotovo posvuda. Slika od linustechtips.com

Uređaji na plavim LED lampama vrlo su rasprostranjeni. Oni, zajedno s diodama, koji daju druge boje, koriste se u prikazima u boji i rasvjetnim uređajima (slika 2).Plave LED diode također služe kao osnova za svjetiljke različitih tipova – uz njih zrače molekule fosfornih spojeva i emitiraju crvene i zelene fotone koji se miješaju s plavim i daju bijelo svjetlo. Takve svjetiljke daju svjetlosni tok do 300 lumena po watu električne energije (za žarulje sa žarnom niti, ovaj pokazatelj je u najboljem slučaju 16-17 lm / W), a njihova učinkovitost može premašiti 50%. U proizvodnji, oni su skuplji od žarulja s volframovim filamama i svjetlima plinskog svjetla, ali njihov je trošak ubrzano pada, a dostupnost se povećava. Stoga je rad novih nobelovaca ne samo glavni znanstveni i tehnološki napredak, nego i pravi alat za globalnu štednju energije. Sada 20% svjetske električne energije potroši se na rasvjetu, ali masivna uporaba LED dioda može smanjiti taj udio na 4%.

Kemija: Mikroskopija bez obala

Ukupan broj dobitnika Nobelove nagrade u kemiji znatno je manji nego u ostalih dviju nominacija. Od 1901. do 2013. osvojila je 106 puta 169 znanstvenika (a ne svi su bili kemičari). U 2014. godini pridružili su se i tri laureate koji su bili nagrađeni "za razvoj fluorescentne mikroskopije visoke razlučivosti".Zanimljivo je da svi zauzimaju administrativne pozicije. Oni su voditeljica kemije na Sveučilištu Stanford, William E. Moerner, voditeljica laboratorija na istraživačkom kampusu Medicinskog instituta Howard Hughes u Virginiji, Eric Betzig i rodom iz Rumunjske, Stefan Hell, direktor Biophysical Chemistry Instituta Mac Societya. u Göttingenu i voditeljica odjela u Njemačkom centru za istraživanje raka (DKFZ) u Heidelbergu.

Dobitnici Nobelove nagrade za kemiju 2014 (s lijeva na desno: Eric Betzig, Stefan Hell, William Moerner). Slika od nobelprize.org

Radovi novih laureata leže na spoju biokemije, fizičke optike i molekularne biologije. Oni su doveli do pojave dviju novih metoda optičke mikroskopije, što je omogućilo prevladavanje tzv. Granice difrakcije mikroskopskih promatranja, koje su 1870.-80. Osnovale njemački fizičar Ernst Karl Abbe (prvi eksperimentalno, a potom teorijski). Abbe je pokazao da valna priroda svjetlosti ne dopušta beskonačnost da poboljšava razlučivanje optičkih uređaja. Naročito, iz njegova rada slijedi da je minimalna veličina dijelova,dostupno klasičnom optičkom mikroskopu, jednako je djelomičnom omjeru polovice duljine svjetlosnog vala indeksom refrakcije medija koji ispunjava prostor između cilja mikroskopa i objekta promatranja. U praksi ovaj koeficijent obično ne prelazi 1,5-1,6, pa stoga granica razlučivanja mikroskopa odgovara trećini svjetlosne valne duljine. Budući da ljudsko oko ne percipira valove kraće od 380-400 nanometara, mogućnosti standardne optičke mikroskopije ograničene su na promatranje objekata koji su veći od 130-140 nanometara. To je dovoljno za bakterije, stanice, pa čak i velike stanice organela, poput mitohondrija, ali premalo za mikroskopsko ispitivanje virusa, a da ne spominjemo proteinske molekule.

Godine 1980-90, znanstvenici su otkrili niz mogućnosti za poboljšanje razlučivosti optičkih uređaja koji se koriste za proučavanje mikrokozmosa. Konfoka i multi-fotona (Multiphoton mikroskopija) omogućili su smanjenje minimalne veličine prepoznatljivih objekata za oko pola i mikroskopi skeniranja blizu polja – deset puta. Međutim, mikroskopija blizu terena ima mnoga ograničenja i ne može zahtijevati široku primjenjivost.Dvije tehnologije optičke mikroskopije, dodijeljene Nobelovom nagradom, ne daju samo visoku rezoluciju, već se mogu koristiti i za promatranje širokog spektra objekata. Zahvaljujući njima i drugim sličnim metodama, optička mikroskopija se brzo pretvara u nanoskopiju.

Obje tehnologije koriste referentne mreže koje se sastoje od sjajnih molekula. Takve rešetke su stvorene i rade drugačije, ali u oba slučaja njihovi elementi se registriraju međusobno neovisno. Stoga se podaci s rešetki očitavaju bez obzira na granicu difrakcije, što nove metode čini gotovo univerzalnim.

Metoda Stefan Hell temelji se na tzv. Stimuliranoj emisiji emisije (Stimulated Emission Depletion, STED). Objekt koji se proučava označen je molekulskim markerima koji mogu emitirati svjetlosnu kvazu (fluorescenciju) pod djelovanjem laserskog zračenja (takav objekt može biti DNA molekula, a naljepnice mogu biti fluorescentna protutijela). Međutim, te iste molekule mogu biti načinjene da emitiraju neko kašnjenje i fotone s dužom valnom duljinom, ako se ozrači s drugim laserom s pravilno odabranim karakteristikama.Neka prvi laseri stvoriti kružno svjetlo na površini uzorka, a zrake drugog fokusa u prstenu pokrivaju cijeli krug osim središta. Oznake u središnjoj zoni će zasjati na jednu valnu duljinu, a oznake unutar prstena će gledati na drugu, mnogo veću (to je iscrpljivanje fluorescentne emisije). Ako postavimo sustav primanja mikroskopa da registriramo samo fotone kratkog vala, ispuštena područja emitirat će se.

Ovaj se sustav može pretvoriti u skenerski mikroskop, ako su laserske zrake usmjerene u različite dijelove objekta, signali iz svjetlosnih zona se snimaju i obrađuju na računalu. Ako oznake gusto prekrivaju površinu objekta, slike dobivene tijekom takvog skeniranja reproducirat će njegovu strukturu. Stupanj razlučivanja takvog uređaja određen je veličinom zona s nepodržavanom emisijom koja u načelu čak može biti nanometarska veličina.

Pakao je razvio teoriju svoje metode 1993-94, a 1999. ga je demonstrirao u praksi. Isprva, STED je bio malo bolji od konfokalnih mikroskopa. Sada na tvorničkim uređajima pruža rezoluciju od 30 do 80 nanometara, au eksperimentu dvije i pol nanometara (slika 3).

Sl. 3. Fotografija istog objekta s konfokalnim mikroskopom (na lijevoj strani) i STED-sustav (s desne strane). Duljina duljine ljestvice 1 mikrona duljina velikih vodilica u rezovima 250 nm. Slika iz članka Benjamin Harke, Jan Keller, Chaitanya K. Ullal, Volker Westphal, Andreas Schönle i Stefan W. Hell, 2008. Rezolucija skaliranja u STED mikroskopiji

Druga metoda naziva se PALM, fotoaktivirana lokalizacijska mikroskopija. Eric Betzig je prepoznat kao glavni razvojni programer (iako je njegov kolega s Hughes Instituta (Harald F. Hess) učinio gotovo isti doprinos). Po prvi put je ova tehnologija demonstrirana 2006. godine. Treći dobitnik, William Moerner, nije proučavao optičku mikroskopiju. Međutim, PALM koristi bjelančevine koje emitiraju svijetlo zeleno svjetlo kada su izložene plavom ili ultraljubičastom svjetlu. Ti tzv. Zeleni fluorescentni proteini (zeleni fluorescentni protein, GFP) prvi put su izolirani iz tkiva vrsta meduza Aequorea victoriaa kasnije je pronađena u drugim morskim beskralješnjima (njihovo je otkriće obilježeno Nobelovom nagradom u kemiji 2008). Godine 1989. Mörner je bio prvi na svijetu koji je pronašao sposobnost mjerenja apsorpcije svjetlosti pomoću jedne molekule, a nakon 8 godina otkrio je način kontrole fluorescencije pojedinih molekula GFP pomoću laserskog zračenja.

Otkriće Moener iskoristilo je Betzig i kolege da razviju tehnologiju PALM.Temelji se na korištenju laserskog zračenja s valnom duljinom potrebnom za uzbuđivanje zelenih fluorescentnih proteina. Uzorak je opetovano ozračen vrlo slabim laserskim impulsima koji sadrže mali broj fotona. Ovi fotoni stvaraju molekule proteina – opet, u malim količinama. Budući da svjetlost slučajno odabire te molekule na površini objekta u prilično velikoj mjeri, gotovo se svi od njih međusobno odvajaju na udaljenosti veće od granice Abbe. Položaj svakog svjetlosnog središta može se snimiti s velikom preciznošću pomoću optičkog mikroskopa. Osim toga, takve slike nisu vrlo informativne, međutim, računalna analiza svih slika, koja se obavlja na temelju probabilističkih algoritama, omogućuje vraćanje strukture originalnog uzorka. Danas PALM nudi rezoluciju do 20 nanometara, a najvjerojatnije to nije granica (slika 4).

Sl. 4. Slika živog staničnog aktina citoskeleta. Središnji dio Slike snimljene pomoću PALM tehnologije. Slika iz cfn.kit.edu

Zaključno, valja istaknuti da STED i PALM nipošto nisu jedini sustavi optičke supermikroskopije, ali je na njima da je Nobelova nagrada pala.Zašto točno – ovo je velika tajna.

Alexey Levin


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: