Традиционно считается, что медицина, химия и физика - довольно далекие друг от друга сферы науки и редко настолько тесно соприкасаются друг с другом, чтобы тематически объединить Нобелевские премии. Однако в этом году Нобелевский комитет развеял это представление, присудив все три естественнонаучных премии за открытия, связанные с миром нанотехнологий и нанообъектов - начиная с молекул РНК и заканчивая электронами и квантовыми точками.
РНК-революция в разработке вакцин
Одним из самых значимых событий в истории медицины в этом году стало вручение Нобелевской премии за разработку подходов, которые позволили западным ученым в кратчайшее время создать и испытать высокоэффективные и относительно безопасные мРНК-вакцины от вируса SARS-CoV-2. Эти технологии создали американские ученые Каталин Карико и Дрю Вайсман.
Карико и Вайсману удалось решить две главные проблемы, с которыми биологи столкнулись еще в 1980 годах. Тогда они обнаружили, что клетки человека и других многоклеточных можно в теории заставить поглотить нить РНК из внешней среды и "прочитать" закодированную в ней информацию. Это должно заставить клетку начать синтезировать белки, инструкции по сборке которых закодированы в чужеродной цепочке мРНК - матричной РНК, которая служит "рабочей копией" для сборки белков.
Первые попытки осуществить это на практике указали на то, что иммунная система быстро разрушает чужие молекулы РНК при их введении в кровоток или ткани тела. При этом их достаточно сложно заставить проникнуть внутрь клеток, если не покрыть их особой жировой оболочкой. Более того, во многих случаях созданные в пробирке молекулы РНК вызывали острую воспалительную реакцию в организме, что не типично для молекул РНК, извлеченных из живых клеток.
Нобелевские лауреаты выяснили, что это происходит из-за того, что дендритные клетки, отвечающие за "знакомство" иммунитета с потенциальными патогенами, распознают рукотворные нити РНК как угрозу. Карико и Вайсман обнаружили, что этой реакции можно избежать, если внести небольшие модификации в структуру некоторых азотистых оснований, "букв" РНК и ДНК. Эти изменения, как обнаружили исследователи в 2005 году, снизили остроту воспалительной реакции и заставили клетки активнее считывать введенные в них нити РНК.
Разработанные Карико и Вайсманом подходы легли в основу экспериментальных вакцин от ближневосточной лихорадки MERS и вируса Зика, а также мРНК-вакцин от коронавируса, разработанных компаниями Pfizer и Moderna в 2020 году. Их применение среди сотен миллионов людей продемонстрировало высокий уровень эффективности технологии и открыло дорогу для ее использования в других отраслях медицины и науки.
Лазерный "портрет" электрона
Не менее широкое применение в науке нашли открытия второй группы нобелевских лауреатов - франко-американца Пьера Агостини, венгеро-австрийского физика Ференца Крауса и француженки Анн Л’Юилье. Им удалось разработать методы, которые позволяют вырабатывать сверхкороткие импульсы лазерного излучения продолжительностью несколько десятков или сотен аттосекунд. Это квадриллионные доли секунды.
Длительность этих вспышек сопоставима с тем, как много времени электрон тратит на совершение одного оборота вокруг ядра атома. Это позволяет использовать их для наблюдений за самыми скоротечными процессами в наномире, включая химические реакции и квантовые процессы. Они, предположительно, играют важную роль в процессе фотосинтеза растений, а также в работе устройств, внутри которых свет взаимодействует с материей.
Наблюдения за всеми этими процессами стали возможны благодаря тому, что Л’Юилье еще в 1980-х годах обнаружила, что взаимодействия между инфракрасным излучением и молекулами определенных благородных газов приводят к формированию очень коротких и ярких вспышек ультрафиолетового излучения. Эти идеи были развиты Агостини в 2001 году, когда ему удалось создать прибор, вырабатывающий вспышки излучения длиной всего в 250 аттосекунд, четверть фемтосекунды.
Примерно в это же время Краус разработал подход, позволяющий отделять одну из подобных вспышек из набора лазерных импульсов, что открыло дорогу для их использования при проведении естественно-научных экспериментов. В результате возникла новая область науки, аттофизика, чье развитие, как считают многие исследователи, принесет значительную пользу для других направлений научных исследований.
"Исследования в области аттосекундной физики, помимо фундаментальной науки, могут иметь различные практические приложения, например, в медицине. С помощью ультракоротких импульсов можно, например, более точно охарактеризовать и отбирать молекулы, что полезно при лечении многих тяжелых заболеваний", - пояснил ТАСС директор института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС Алексей Федоров.
"Нобелевский" мост к квантовой наноэлектронике
Самой заметной среди всех нобелевских открытий в мире нанообъектов стала премия по химии. Во-первых, впервые в истории имена ее лауреатов - Алексей Екимов, Луис Брюс и Мунги Бавенди - были случайно оглашены за несколько часов до пресс-конференции. На самом мероприятии секретарю Шведской королевской академии наук Хансу Эллегрену пришлось защищать Алексея Екимова и объяснять западной прессе, что Нобелевский комитет "ориентируется только на вклад ученого в открытия, а не его национальность и гражданство. Мы поступаем так в полном соответствии с завещанием Альфреда Нобеля".
Во-вторых, результаты трудов исследователей - квантовые точки - сейчас можно встретить фактически везде, начиная от экранов мобильных телефонов и заканчивая системами диагностики рака и солнечными батареями. Эти объекты наномира представляют собой полупроводниковые наночастицы, чьи размеры и форма подобраны таким образом, что они ведут себя как искусственный атом.
Как и его реальные аналоги, рукотворный атом способен взаимодействовать с волнами света, поглощать их и преобразовать в другие формы колебаний. Характер этих взаимодействий, а также свойства испускаемого излучения зависят от размеров и формы квантовых точек. Это свойство впервые обнаружил и изучил в 1980-х годах Алексей Екимов с другими советскими физиками в ходе опытов по синтезу нанокристаллов из хлорида меди.
Идеи Екимова и его коллег впоследствии были развиты Брюсом и Бавенди. Им удалось создать другой тип квантовых точек, основанных на базе коллоидных материалов, а также разработать методы их синтеза, позволяющие получать наноструктуры с четко заданными размерами. Это открыло дорогу для применения квантовых точек при решении огромного числа научных и технических задач.
"Квантовые точки давно вышли за пределы тех задач, для решения которых их создавали Нобелевские лауреаты. К примеру, их можно использовать для создания кубитов, элементарных блоков квантовых вычислительных систем, а также для повышения эффективности работы перовскитных солнечных батарей. Мы ожидаем, что эти объекты составят базу для наноэлектроники, в работе которой будут действительно использоваться квантовые эффекты", — пояснил ТАСС профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Андрей Васенко.
Васенко при этом отметил, что эти новые направления использования квантовых далеки от практического применения, но активно изучаются в рамках лабораторных экспериментов. Как считает ученый, рано или поздно они проникнут в промышленное производство, что приведет к прорыву в развитии квантово-электронных вычислительных систем и высокоэффективных солнечных батарей.
Александр Телишев