Объясняем простыми словами, за какие достижения вручили главные научные премии этого года.

Нобелевская премия по медицине и физиологии

© Dr. Paul Janssen Award

Кто получил: японский биолог Ёсинори Осуми
За что: за исследование механизма аутофагии.

Что такое аутофагия?

Павел Волчков
Заведующий лабораторией геномной инженерии МФТИ

Что такое аутофагия?

Аутофагия — это механизм переработки клеткой внутренних отработавших компонентов. Использовать термины «клеточный мусор» можно, для того чтобы пояснить суть происходящего (еще для этого используется англ. термин recycling — «переработка»). Однако следует понимать, что наши клетки крайне экономичные и используют ресурсы многократно. Ученый доказал, что клетка способна «решить», как поступить с элементами, пришедшими в негодность, — избавиться от них или же переработать и использовать по новой. Например, если белок вышел из строя, клетке лучше разобрать его на части и собрать из них новый, нежели просто выбросить. Правильнее сказать, что у клетки просто нет такого механизма «выбрасывания» чего-либо, не подвергая это переработке.

Этот механизм — своеобразный фундамент, такой же как синтез ДНК и процесс генетического наследования информации. Он достался нам с давних времен, от одноклеточных организмов. Но при этом он настолько консервативен, что нобелевский лауреат провел основные исследования на дрожжах. И ученым понадобилось дополнительно изучить, насколько структура аутофагии дрожжей отличается от такого же процесса в более сложных организмах. Исследования показали, что различия в процессе незначительны: процесс аутофагии схож у одноклеточных и многоклеточных организмов — и регулируют его схожие гены.

Почему эти процессы не могли объяснить раньше?

Морфологические данные, наводящие на существование процесса аутофагии, были известны еще с 1940-х годов. Термин был придуман чуть позже — его автором является бельгийский ученый Кристиан де Дюв, который в 1974-м и сам стал лауреатом Нобелевской премии по физиологии и медицине. Но долгие годы молекулярные основы процесса аутофагии оставались для ученых неясными. Ёсинори Осуми стал первым, кто открыл, каким именно образом протекает этот процесс и какие гены в него вовлечены. Такие работы требуют значительного времени — Ёсинори более 20 лет кропотливо проводил свои исследования, каждый год описывая этот процесс все более полно. На сегодняшний день количество научных статей об аутофагии превышает 25 000.

К тому же 1990-е как раз то время, когда стали доступными необходимые инструменты, которые позволили открывать отдельные гены: полимеразная цепная реакция, клонирование и секвенирование. С помощью этих методов стало возможно изучать конкретные гены, отвечающие за тот или иной процесс.

В чем важность открытия?

Открытие, сделанное японским ученым, нельзя назвать прорывом в привычном понимании, потому что заняло последовательно несколько десятилетий и продолжается по сей день. Это нельзя сравнить с открытием антибиотиков (Нобелевская премия-1945, Флеминг, Флори и Чейн), которое дало немедленное решение для предотвращения бактериальных инфекций. По значимости открытие аутофагии сравнимо с открытием фагоцитоза Мечниковым (за что последний вместе с Эрлихом получил Нобелевскую премию в далеком 1908 году), которое легло в основу иммунологии.

К чему исследование аутофагии может привести ученых в дальнейшем?

Этот механизм оказался вовлеченным в огромное число патологических нарушений из совершенно разных направлений. В ходе исследований выяснилось, что нарушения аутофагии приводят к воспалительным и аутоиммунным процессам, задействованным в устойчивости и, наоборот, толерантности к инфекциям и даже участвующим в развитии рака.

В активной клетке постоянно что-то выходит из строя, что-то необходимо утилизировать и заменить. Если процесс аутофагии нарушен, в организме накапливается чрезмерное количество поломанных, неутилизированных компонентов. Это приводит к остановке всего «конвейера». В многоклеточных организмах это моментально запускает ряд патологических процессов, одним из которых является воспалительный процесс, который при наличии генетической предрасположенности может привести к онкологическим, аутоиммунным и метаболическим заболеваниям.

Нарушение механизма аутофагии, как оказалось, напрямую связано с развитием отдельных форм болезни Паркинсона, влияет на развитие диабета 2-го типа и других заболеваний, возникающих с возрастом. То, что теперь мы понимаем, как этот процесс аутофагии устроен, уже сейчас позволяет создавать новые методы терапии этих заболеваний.

Нобелевская премия по физике

Дэвид Таулесс

© Kiloran Howard/Trinity Hall, Cambridge University 1 / 3

Дункан Халдейн

© D. Applewhite/Princeton University 2 / 3

Кто получил: американцы Дэвид Таулесс, Дункан Халдейн и Майкл Костерлитц
За что: за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи

Олег Фея
Научный сотрудник Лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ

Что открыли ученые?

Таулесс и Костерлитц показали, что в двумерных системах, например, в очень тонких пленках, могут наблюдаться сверхпроводимость и сверхтекучесть. До того считалось, что в таких пленках не может быть никакого порядка из-за тепловых флуктуаций. Ученые ссылаются на работы Вадима Березинского, опубликованные в начале 1970-х, где тот показывает наличие фазовых переходов в таких системах, и развивают его идеи.

Что такое сверхпроводимость и сверхтекучесть?

У сверхпроводящих материалов отсутствует любое электрическое сопротивление. В этом их кардинальное отличие от просто хороших проводников с низким сопротивлением. Эффект открыл еще в 1908 году Хайке Камерлинг-Оннес, охлаждая ртуть до 4К (–269 °C), а описали его только в 1950–1960-х годах разные группы ученых, включая Льва Ландау и Виталия Гинзбурга. Очень упрощенно: в проводнике электрон теряет энергию, сталкиваясь с атомами решетки, тогда как электроны в сверхпроводнике, объединяясь в пары (их называют куперовскими), обходят все препятствия.

Сверхтекучесть, которую впервые наблюдал Петр Капица в атомах гелия, — это характеристика жидкости, которая отличается от обычной жидкости так же, как рота солдат, идущая слаженно в ногу, отличается от обычного движения на Тверской в выходной день. Сверхтекучие жидкости не имеют вязкости, они движутся без помех.

Окружающие нас провода и электронные приборы имеют сопротивление, а жидкости имеют вязкость. Нам это привычно. Отклонение от привычного — представляет для нас интерес.

Что такое фазовый переход и какие эксперименты проводили Таулесс и Костерлитц?

Фазовый переход возникает, например, при плавлении льда — когда упорядоченные молекулы рассыпаются хаосом воды. Или же при переходе от сверхпроводящего состояния к обычному. В тонких пленках наблюдается переход Березинского — Костерлитца — Таулесса (БКТ). В них возникают вихри, которые при низких температурах сцеплены в пары, а при нагреве выше температуры фазового перехода пары распадаются и возникают новые вихри, которые и выводят систему из сверхпроводящего или сверхтекучего состояния.

Сверхпроводники не впускают внутрь себя магнитное поле, это очень важное их свойство, благодаря чему возможны поезда на магнитных подушках. Однако в них есть вихри — это сверхпроводящий ток, вращающийся вокруг обычной, несверхпроводящей фазы, где есть немножко магнитного поля. Вот эти вихри, называемые вихрями Абрикосова, и играют ключевую роль в БКТ-переходе. Дункан Халдейн же показал схожий эффект в одномерных магнитных системах.

Ученые подтвердили теорию экспериментально, обнаружив, что тонкие пленки гелия сверхтекучие, как и предсказывалось.

Причем тут топология? Как она помогла объяснить феномен?

Из комка глины можно вылепить шар, а вот кольцо, не сделав разрыва, вылепить нельзя. Топология изучает свойства неизменных при деформации объектов. Березинский, Костерлитц и Таулесс догадались, что вихри — это разрывы в двумерных системах. Из-за них пленки похожи на крекеры со множеством дырочек. Материал можно деформировать как угодно, но вот эти дырки-вихри никуда не исчезнут.

Все-таки в чем важность достижения?

Они описали явление, до того считавшееся невозможным. Благодаря их работам топологию стали применять в физике конденсированных состояний. Топологические состояния вещества открыли не только в тонких пленках или цепочках, но даже в объемных материалах — топологических изоляторах, которые в объеме ведут себя как обычные изоляторы, а на поверхности проводят ток. Впервые эффект предсказал физик Олег Панкратов в теллуриде ртути в 1987 году, а в 2007 году его наблюдали экспериментально.

Если эти открытия были сделаны в 1970–1980-х, почему их отметили только сейчас?

Нобелевские премии редко дают сразу после открытия. Нужно время, чтобы оно «настоялось», словно коньяк в бочке. Сейчас происходит бум интереса к двумерным системам, подстегнутый, по моему мнению, получением графена в 2004 году, первого двумерного кристалла. С тех пор материаловеды открыли и синтезировали множество других 2D-кристаллов, ряд из которых уже сейчас нашел применение на практике, например, максины — карбиды или нитриды переходных металлов, используемые для создания суперконденсаторов.

Нобелевская премия по химии

Жан-Пьер Саваж

© Patrick Hertzog/AFP/East News 1 / 3

Джеймс Фрейзер Стоддарт

© California NanoSystems Institute 2 / 3

Кто получил: француз Жан-Пьер Саваж, американец сэр Джеймс Фрейзер Стоддарт и голландец Бернард Лукас Феринга
За что: за разработку и синтез молекулярных машин, движения которых можно контролировать

Что это значит?

Трое ученых смогли разработать самые маленькие в мире машины: в них нет ни мини-поршней, ни коленвалов или зубчатых колес — они созданы из простых молекул. Механизмы по сути похожи на двигатели, лифты и даже автомобили размерами всего несколько нанометров. Когда-нибудь они смогут стать универсальными инструментами, которые позволят точечно доставлять лекарственные вещества к определенным органам или же станут помощниками в получении энергии и новых материалов. И Саваж, и Стоддарт, и Феринга — каждый по-своему внес вклад в эту разработку.

Как делали первые молекулярные машины?

Нобелевский комитет отмечает Саважа, профессора Страсбургского университета, за его большое достижение, сделанное еще в 1983 году. Известно, что молекулы, как правило, объединяются через ковалентные связи — их атомы обмениваются парами электронов. Но команда Саважа установила, как связать две молекулы в механическую цепь при помощи иона меди. Но что важно, эти молекулы не фиксируются жестко, то есть они могли и двигаться в сцепке. Проанализировав эту особенность, ученые стали думать о создании крошечных механизмов.

Саваж и Стоддарт из Северо-Западного университета первыми попытались воплотить этот концепт в жизнь. К 1991 году исследовательская команда Стоддарта создала молекулярное кольцо, которое опоясало «ось», заряженную электронами. При подаче тепла молекулярное кольцо стало двигаться по оси вперед-назад, как челнок. Простейшее устройство, которое называется ротаксан, окончательно убедило Стоддарта в том, что с помощью подобных структур можно создать сверхминиатюрные компьютерные чипы.

В 1999 году Бен Феринга из Университета Гронингена показал, как сделать механический двигатель из молекул. Как правило, молекулы вращались вперед-назад очень неустойчиво, но Феринга использовал химические структуры, которые при воздействии импульсов ультрафиолета начинали вращаться слаженно, непрерывно и, что важно, в одном направлении.

Устойчивый мотор позволил химикам построить более сложные машины — первый нанометровый автомобиль Феринга был представлен в 2011 году. Ученые так вдохновились изобретением, что уже в октябре 2011 года были проведены первые гонки среди наномашин по трассе из атомов золота.

Где могут пригодиться эти миниатюрные машины?

Главная ценность нанокаров, конечно, не в развлечениях. Как сообщает журнал Nature, некоторые химики используют принципы, лежащие в основе машин Феринги, для разработки средств по доставке лекарств в отдельные органы, что может кардинально увеличить эффективность лечения.

Другие исследователи соединяют несколько подобных молекулярных моторов в длинные полимеры, которые могут востанавливаться: из таких материалов можно, например, изготавливать защитную пленку, царапины на которой будут сами зарастать.

Другие материалы на основе этой технологии могут разворачиваться или сжиматься при воздействии света, что открывает новые возможности для разработки новых типов солнечных батарей и световых датчиков. Достаточно мощные наномашины когда-нибудь, возможно, смогут заняться очисткой океана.

Хотя загадывать пока рано, но многие химики убеждены, что молекулярные машины в конечном счете будут способны на такое, что не сможет сделать ничто другое. И Нобелевский комитет, похоже, согласен с этим.