В Стокгольме объявлены лауреаты Нобелевской премии — одной из наиболее престижных международных наград, ежегодно присуждаемой за выдающиеся научные исследования, революционные изобретения, а также за крупный вклад в культуру или развитие общества. По традиции сибирские ученые объяснили суть прорывных открытий, за которые в этом году вручены премии по медицине, физике и химии, и рассказали, какие исследования в этих областях ведутся в научно-исследовательских институтах, находящихся под научно-методическим руководством Сибирского отделения РАН.
Нобелевскую премию по физиологии и медицине, присужденную биохимику Каталин Карико (Венгрия) и иммунологу Дрю Вайсману (США) за открытия, позволившие разработать мРНК-вакцины (прежде всего против коронавирусной инфекции), прокомментировал заведующий лабораторией геномного редактирования Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН кандидат химических наук Григорий Александрович Степанов.
«Простыми словами достижения нобелевских лауреатов Каталин Карико и Дрю Вайсмана сформулировать можно так: они продемонстрировали, что из РНК можно сделать лекарство, — пояснил ученый. — Исходно К. Карико начала заниматься этой тематикой, именно чтобы показать: мРНК возможно использовать в качестве доставки генетической информации в клетку и таким образом проводить терапию или профилактику каких-либо заболеваний. В конечном итоге мы все знаем результат: во время пандемии коронавирусной инфекции была экстренно применена эта мРНК-технология, и мир получил две вакцины на ее основе».
В своей статье 2005 года Каталин Карико показала: чтобы клетка начала воспринимать РНК как свою собственную и не запускала систему неспецифического врожденного иммунного ответа, в эту РНК необходимо включить нуклеотиды, содержащие химические модификации. Поскольку РНК является биополимером, она состоит из индивидуальных звеньев — нуклеотидов, и существует определенная, эволюционно обоснованная система в клетке, которая позволяет отличать свой материал от чужеродного, например вирусного. «Заслуга Каталин Карико в том, что она доказала: в этом узнавании участвуют именно модификации нуклеотидов, и это действительно можно применять на практике, — рассказал Григорий Степанов. — То есть мы можем использовать РНК в качестве тонкого инструмента доставки генетической информации в клетки».
Уникальность этой технологии заключается в том, что исследователи могут представить мРНК в виде пазла, в котором им известны обязательные элементы, обеспечивающие ее стабильность, а в середине стоят «кубики», на которых, по сути, написано, против какого заболевания эта мРНК-вакцина была создана. Заменяя эти фрагменты, можно менять мишени. «Молекулярные биологи и генные инженеры хорошо владеют этой технологией, — объяснил ученый. — Прежде чем создать мРНК-молекулу, нам надо создать шаблон, по которому мы будем ее синтезировать. И первоначально нужно именно в шаблоне ДНК заменить эти “кубики”, затем они методами молекулярной биологии перейдут в РНК, и после этого она будет нацелена на ту или иную инфекцию».
Масштабы результатов исследований нобелевских лауреатов заключаются в том, что они не ограничиваются лишь профилактикой заболеваний. «Все мы хорошо понимаем значение вакцин против инфекционных заболеваний, и мРНК-платформа обязательно будет давать всё новые и новые препараты против множества видов вирусов, — подчеркнул Г. Степанов. — Но, оставаясь в плоскости термина мРНК-вакцин, мы уже можем говорить о потенциальных препаратах для борьбы с онкологическими заболеваниями».
Более общий, но и более технологически нагруженный подход заключается в создании персонализированных мРНК-вакцин. «Сначала мы должны провести генетический анализ клеток опухоли, определить уникальную последовательность, против которой мы будем настраивать мРНК-вакцину, и потом создавать препарат персонально для каждого больного, — пояснил Григорий Степанов. — Технологически это очень трудоемкий и дорогостоящий процесс, но, тем не менее, такие разработки во всем мире уже ведутся, и хотелось бы, чтобы в России подобные работы тоже были бы инициированы, хотя бы в пилотных экспериментах».
При создании мРНК-вакцин, по словам ученого, нужно разрешить три фундаментальных вопроса. Первый — какова максимально эффективная структура самой РНК, которая может обеспечить высокую продукцию белка в клетках человека. РНК — молекула не очень стабильная, и ей необходима какая-то оболочка, и с этим связан второй вопрос: во что ее упаковать? «Мы в ИХБФМ СО РАН доставщиками тоже занимаемся, тестируем те липиды, которые у нас в России синтезируют, и подбираем композиции, которые могут использоваться для доставки мРНК в организм человека или животного, — рассказал Григорий Степанов. — Третий вопрос связан с созданием реагентной базы для синтеза молекул мРНК: она должна быть в каждой стране, которая стремится к лидерству в области мРНК-препаратов. Вместе с нашим индустриальным партнером, группой компаний “Биосан&Биолабмикс” мы занимаемся также и производством реагентов для синтеза молекул мРНК. Если созданием и разработкой мРНК в России занимается как минимум шесть крупных научных команд (в основном речь идет о мРНК против инфекционных заболеваний, но и противораковые мРНК уже тоже начали создавать), то реагентную базу на данный момент предлагает только новосибирская группа компаний, выпускающая в сотрудничестве с учеными Академгородка весь спектр реагентов для синтеза мРНК, как для собственных исследований, так и для других научных центров, которые занимаются этим вопросом. Поэтому сейчас речь идет не только о научном, но и о технологическом лидерстве в решении вопроса о создании новых препаратов на основе мРНК».
(слева направо) Ян Майдэбура, Григорий Степанов, Александр Аполонский
Лауреатами Нобелевской премии по физике 2023 года стали Пьер Агостини (США), Ференц Краус (Германия) и Анне Лулье (Швеция) — за работу, которая позволила реализовать аттосекундные импульсы для изучения поведения электронов в веществе. Об их исследованиях рассказал руководитель тематической группы газового анализа лаборатории физики лазеров Института автоматики и электрометрии СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Анатольевич Аполонский.
Он проработал в лаборатории Ференца Крауса двадцать лет, и со своей командой разработал как лазер, который генерировал фемтосекундные импульсы (1 фемтосекунда — 10⁻15 часть секунды) с заданными параметрами, так и специальную оптику для него и последующих экспериментов. По его словам, без создания подобного лазера и оптики аттосекундная физика не смогла бы развиться.
«Сейчас аттосекундная физика становится уже рутинной работой. Мы берем материал в газовой, твердой или жидкой фазе и смотрим, как он меняется во времени — на масштабе менее фемтосекунды, — в зависимости от нашего воздействия лазерным импульсом. Например, в случае атома мы можем его ионизовать или перевести возбуждение в нем с одного уровня на другой. Аттосекундная физика скоро позволит понять, как мы можем воздействовать на большую биологическую молекулу вторым импульсом, чтобы, например, прекратить молекулярную реакцию или ее структурные изменения, или сделать так, чтобы они пошли по другому пути», — рассказал Александр Аполонский.
Благодаря работе лауреатов премии удалось получить самые короткие на сегодня световые импульсы, которые измеряются в аттосекундах (1 аттосекунда — 10⁻¹⁸ часть секунды) и имеют характерную длину волны 10 нанометров.
«Определяющей в формировании и реализации аттосекундной тематики стала личность Ференца Крауса. Трудно представить, что другая группа в такой короткий период — порядка десяти лет — и с таким напором могла бы поднять столь сложную тематику. Он умен, прекрасно генерирует идеи и организует работу, умеет зажигать людей. Для достижения поставленной цели он организовал лабораторию аттосекундной физики, которая базируется на Институте квантовой оптики общества Макса Планка в Гархинге и Мюнхенском университете Людвига Максимилиана. В ней работают порядка 100 человек, из которых около 20 постдоков. Лаборатория обладает гигантскими финансами и поддержкой на всех уровнях», — прокомментировал Александр Аполонский.
По словам исследователя, российские ученые внесли большой вклад в развитие аттосекундной физики. В частности, практически каждая работа в этой области имеет ссылку на теоретические работы отечественного исследователя академика Леонида Вениаминовича Келдыша. Однако в полном формате аттосекундной тематикой в нашей стране пока тяжело заниматься, прежде всего по финансовой причине.
Нобелевскую премию по химии в 2023 году получили Мунги Бавенди (США), Луис Брюс (США) и Алексей Екимов (Россия — США) — за открытие и исследование квантовых точек. О значимости их научной работы рассказал младший научный сотрудник молодежной лаборатории Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН Ян Евгеньевич Майдэбура.
Квантовые точки представляют собой полупроводниковый объект очень малого размера — 10—20 нанометров, в который входят сотни или тысячи атомов. Свойства квантовых точек значительно зависят от их размеров. Меняя размеры квантовой точки, можно получить совершенно разные термические, электрические, оптические и другие свойства этого объекта.
«Лауреаты премии работали над разными квантовыми точками. М. Бавенди и Л. Брюс исследовали коллоидные квантовые точки, которые являются более простыми по способу их получения, однако являются менее структурно совершенными и однородными, нежели эпитаксиальные. А. Екимов же занимался эпитаксиальными квантовыми точками — суть метода их получения заключается в эпитаксии, последовательном и упорядоченном выращивании одного кристаллического материала на поверхности другого. Создать их сложнее, но в результате они обладают более совершенными характеристиками. В ИФП СО РАН мы работаем преимущественно с эпитаксиальными квантовыми точками, но некоторые научные группы также исследуют и коллоидные. В частности, в нашей лаборатории мы синтезируем и исследуем квантовые точки нитрида галлия (GaN)», — рассказал Ян Майдэбура.
По словам ученого, коллоидные квантовые точки используются в производстве QLED (Quantum-dot Light-Emitting Diode) телевизоров, а кроме того, находят применение в биомедицине, в качестве маркеров для диагностики раковых опухолей. Эпитаксиальные квантовые точки, в свою очередь, имеют большее значение для фундаментальных и прикладных исследований.
«Ученые-лауреаты Нобелевской премии по химии внесли существенный вклад в развитие нанотехнологий путем открытия и создания квантовых точек, предоставив возможность мировой науке легко их получать, исследовать и применять. М. Бавенди и Л. Брюс участвовали в разработке синтеза квантовых точек, А. Екимов был первооткрывателем их необычного эффекта изменения свойств в зависимости от размера еще в 1981 году», — добавил специалист.
Елена Трухина, Полина Щербакова, Кирилл Сергеевич
Фото Кирилла Сергеевича
