Черные дыры и генетические «ножницы»: итоги Нобелевской премии-2020
Химия
Кто получил: Эммануэль Шарпантье (Франция) и Дженнифер Дудна (США).
За что: самый точный на сегодня метод для генной модификации организмов.
В чем суть:
Ученые изобрели «ножницы» для максимально точного извлечения и изменения генома CRISPR/Cas, в том числе у человека. CRISPR/Cas9 — механизм, с помощью которого бактерии избавляются от вирусных вставок в своем геноме. CRISPR — это участки ДНК архей (одноклеточных безъядерных микроорганизмов) с повторяющимися частями. Эти участки очень важны для иммунитета: когда археи и бактерии выживают после столкновения с вирусом, в их ДНК остается часть вирусных генов. Они передают их по наследству и в следующий раз, когда встречаются с таким же вирусом, уже умеют его распознавать. Cas — группа белков, которые используют гены вируса в ДНК как наводку и атакуют его.
Почему это важно:
О геноме CRISPR/Cas уже было известно. Шарпантье и Дудна первыми в 2012 году подробно описали, как он работает и доработали этот механизм. Технология позволяет вырезать участки генетического кода и изменять его, вставляя новые гены и последовательности. Это стало настоящей революцией в молекулярной биологии, хотя понадобилось восемь лет, чтобы другие ученые в этом убедились.
ДНК изменяли и раньше. Основных способа было два: собрать геном с нуля или встроить в него вирусный вектор. Но известные методы либо слишком грубые (не позволяют добраться до определенного фрагмента), либо очень сложные и дорогие. Новая технология настолько простая и дешевая, что наборы для экспериментов на ее основе используют даже в школах.
Эту методику уже применяют, чтобы изучать функции отдельных генов и выводить новые сорта растений. С началом пандемии начали выпускать тесты на коронавирус на основе CRISPR. Но главная цель — научиться редактировать ДНК человека так, чтобы избавить людей от тяжелых наследственных заболеваний и развить новые полезные способности. Это открытие сравнивают по значимости с изобретением электричества или интернета.
Однако пока применять методику на человеке довольно сложно. Даже для того, чтобы избавиться от поражения печени, нужно изменить миллиарды клеток в геноме. Как это сделать на практике пока не ясно: нет механизмов доставки информации в определенные клетки конкретных тканей организма.
Но главное — появилась надежда, что эта Нобелевская премия поможет ускорить создание юридических норм для геномного редактирования.
В научном мире до сих пор не утихают споры из-за того, насколько этично и законно редактировать человеческие гены. Недавний скандал связан с китайским генетиком Хэ Цзянькуем, который изменил ДНК эмбрионов так, чтобы они не могли заразиться ВИЧ. За это ученый получил уголовный срок и штраф в 3 млн юаней.
Физика
Кто получил: Роджер Пенроуз, Райнхард Генцель и Андреа Гэз
За что: первый ученый — за открытие того, что образование черных дыр является строгим следствием общей теории относительности; второй и третий — за открытие сверхмассивной черной дыры в центре Галактики.
В чем суть: премию поделили между теоретическим описанием черных дыр и экспериментальным подтверждением существования такого объекта в центре нашей галактики.
Черные дыры были впервые описаны еще в 1915 году, в рамках общей теории относительности. Однако экспериментальные подтверждения этому появились гораздо позже.
Роджер Пенроуз занимается исследованиями черных дыр более 50 лет. Еще в 1965 году он доказал, что черные дыры появляются в результате гравитационного коллапса умирающих звезд. В результате в центре дыры возникает сингулярность — точка в пространстве-времени, где оно искривляется и не подчиняется большинству законов физики.
Райнхард Генцель и Андреа Гэз в 1990-х годах руководили астрономическими наблюдениями. Они изучали орбиты звезд, которые ближе других подходят к центру Млечного Пути. Независимо друг от друга они доказали, что в центре нашей галактики — сверхмассивная черная дыра, которая воздействует на траектории всех ближайших объектов.
Почему это важно:
Пенроуз сформулировал теорему о сингулярностях: математически доказал, что гравитационный коллапс и появление сингулярности неизбежно для любой черной дыры. Это можно предсказать с того момента, когда возникает поверхность типа горизонта событий — область с бесконечной плотностью энергии и бесконечной кривизной пространства, из которой световые лучи не могут выйти наружу. Тогда же ученый предположил, что в будущем черные дыры можно использовать как неисчерпаемый источник энергии.
Однако его расчеты и теории активно используются для исследования термодинамики черных дыр или их излучения. А также — при разработке теории квантовой гравитации, которая должна, наконец, согласовать общую теорию относительности с квантовой механикой.
Ученый предположил, что сингулярность возникает там, где ее невозможно наблюдать со стороны. Это вызвало споры среди астрофизиков. Поэтому некоторые отнеслись к награждению скептически: ведь его исследования — всего лишь одни из сотен не менее важных. Они отмечали, что Пенроуз всего лишь предсказал возможность существования черных дыр в центре Галактики, а не доказал это.
Генцель и Гэз открыли черную дыру, которую можно использовать как полигон для различных испытаний, в том числе — проверки теории гравитации. А еще — усовершенствовали методику наблюдения за черными дырами. Для обнаружения они использовали косвенные признаки — гравитационные волны, которые влияли на объекты вблизи: другие способы обнаружения для черных дыр не работают. В ходе наблюдения ученые заметили, что траектории некоторых звезд вблизи центра Млечного Пути искривляются. Им удалось выделить нужный сигнал, используя особую технику изменения траекторий.
С этой премией, однако, тоже согласны не все: противники утверждают, что результаты исследований — скорее количественные, чем качественные. Как будто комитет выбрал первых попавшихся исследователей, чтобы наградить кого-то за черные дыры.
Медицина и физиология
Кто получил: Харви Алтер, Майкл Хьютон и Чарльз Райс.
За что: за открытие вируса гепатита С.
В чем суть:
Существует две самые распространенные формы вирусного гепатита:
1 – А — передается в основном через пищу и воду.
2 – В и С — передаются вместе с кровью.
Гепатит А и В уже открыты и изучены.
В 1975 году Харви Алтер — заведующий отделением инфекционных болезней в Национальном Институте Здравоохранения США — заметил, что даже после переливания донорской крови больные гепатитом иногда заражаются снова. Он предположил, что виновником является какой-то новый вид вируса.
В 1989-м Майклу Хьютону, который тогда работал в фармацевтической компании Chiron, удалось обнаружить РНК вируса гепатита С в крови шимпанзе.
Наконец, в 1997 году Чарльз Райс из Университета Вашингтона в Сент-Луисе вживил измененный геном вируса в печень шимпанзе и доказал, что именно гепатит С вызывает там характерные поражения.
Почему это важно:
По данным ВОЗ, от хронического гепатита С страдают 71 млн человек в мире. Вирус не только вызывает воспаление печени, но и является главной причиной рака этого органа. В 2016 году от последствий заболевания умерли 400 тыс. человек.
В России в 2019 году выявили 45,4 тыс. пациентов с хроническим гепатитом С и 1 470 случаев острой инфекции. Экономические потери от болезни Роспотребнадзор оценил в ₽2 млрд.
Открытие вируса дает возможность разработать препараты, которые позволят предотвратить смерть от гепатита С в 95% случаев. По прогнозам ВОЗ, к 2030 году 80% больных гепатитом С смогут получить лекарства.
Подписывайтесь также на Telegram-канал РБК Тренды и будьте в курсе актуальных тенденций и прогнозов о будущем технологий, эко-номики, образования и инноваций.