Nagrody Nobla 2022: Spodziewane niespodzianki są najlepsze

– Ledwie mogę oddychać. Powiedzieć, że jestem w szoku, to nic nie powiedzieć. Wywołana telefonicznie w środku kalifornijskiej nocy Carolyn R. Bertozzi była wyraźnie zaskoczona werdyktem Komitetu Noblowskiego. Ale chyba nikt poza tą znakomitą chemiczką nie czuł dezorientacji, która niekiedy towarzyszy noblowskim werdyktom. Wszystkie tegoroczne medale z wizerunkiem wielkiego Alfreda trafią w ręce naukowców, których dorobek miał charakter dziedzinotwórczy.

Postać Svante’a Pääbo jest wręcz tożsama z paleogenomiką. Ta stworzona przez niego interdyscyplinarna nauka rzuciła diametralnie nowe światło na nieoczywistą ewolucję i zawikłane migracje gatunku, jakim jest człowiek.

Gdyby nie eksperymenty, które zaprojektowali i przeprowadzili John F. Clauser, Alain Aspect i Anton Zeilinger, cała gałąź mechaniki kwantowej – informacja kwantowa – dużo dłużej pozostawałaby dziedziną czysto teoretyczną. Efekty ich zabaw z fotonami stały się podstawą technologii, które genialnym skądinąd twórcom mechaniki kwantowej wydałyby się tylko fantazją.

Morten Meldal, K. Barry Sharpless i Carolyn R. Bertozzi wynaleźli metodę, która dziś stosowana jest z powodzeniem przez przedstawicieli większości nauk o życiu. Pozwala na konstruowanie molekuł jak z klocków, także we wnętrzu żywych organizmów. Nowe materiały, nowe leki, nowe informacje o najbardziej utajonych procesach biologicznych – oto „efekty uboczne” odkryć trójki nagrodzonych chemików.

– Jestem tak jakby zszokowany – powiedział Anton Zeilinger 4 października, rozmawiając przez Skype’a z Hansem Ellegrenem, sekretarzem generalnym Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk. I w tym „tak jakby” austriackiego fizyka zawiera się istota najtrafniejszych dotychczasowych noblowskich wyborów. Są zaskakujące, ale niejako nienachalnie spodziewane. Tak jak w tym roku.

Svante Pääbo – za poszukiwania granic pojęcia „człowieczeństwo”

To prezent dla badaczy przeszłości. Fundator Nagrody Nobla nie traktował humanistyki jako nauki, więc jej przedstawiciele śledzą decyzje komitetu bez nadziei, że wyróżnienie trafi do któregoś z nich. Co prawda zdarzył się medal za opracowanie metody datowania radiowęglowego, która pomaga w ustalaniu chronologii przedmiotów, ale dopiero w tym roku wyróżniono zdeklarowanego badacza przeszłości. Nie byłoby to jednak możliwe, gdyby nie był genetykiem, a jego badań nad ewolucją człowieka nie dało się podciągnąć pod kategorię „fizjologia i medycyna”.

***

Svante Pääbo jest jednym z najsłynniejszych paleogenetyków, twórcą dziedziny, badającej ewolucję człowieka w kontekście różnic genetycznych między nim a hominidami. Jego odkrycia po prostu zrewolucjonizowały naszą wiedzę o nas samych. Dzięki zsekwencjonowaniu najpierw mitochondrialnego (1997), a potem całego genomu neandertalczyka (2010) badacz dowiódł, że człowiek współczesny krzyżował się z tym hominidem, a odkrycie zupełnie nowego gatunku z jaskini Denisova na Syberii (2010) pokazało, że raptem 40 tys. lat temu Euroazja przypominała świat z powieści Tolkiena. Badania Szweda pozwoliły przesunąć granice człowieczeństwa, bo w innych hominidach zobaczyliśmy bliskich kuzynów, a nie bliższych małpom dzikusów. Pośrednim dowodem tej zmiany jest zamiana nazewnictwa – dziś neandertalczyk to Homo sapiens neanderthalensis, człowiek współczesny to Homo sapiens sapiens.

Ten Nobel to też nagroda za ciekawość i wytrwałość, bo badanie przeszłości było dla laureata – jak pisze w autobiografii „Neandertalczyk W poszukiwaniu zaginionych genomów” (Prószyński, 2015) – idée fixe od dzieciństwa. Bo karierę naukową miał we krwi. Jego matka, Karin, była estońską chemiczką, a ojciec, Karl Sune Bergström, biochemikiem i zdobywcą Nobla w 1982 r. za badania nad prostaglandynami. Młody Svante, zafascynowany mumiami, faraonami i piramidami, zamierzał zostać egiptologiem. Gdy zaczął wkuwać hieroglify, zdał sobie jednak sprawę, że dziedzina ta nie jest do końca zgodna z jego temperamentem, i poszedł na medycynę. Niejako w ślady Karla, którego jako dziecko z nieprawego łoża, widział zaledwie kilka razy w życiu.

***

Po studiach zdecydował się na pracę w laboratorium zajmującym się biologią molekularną ze względu na „jej niezwykłe możliwości poprawy ludzkiego bytu”. Badał odporność człowieka, ale fascynacja starożytnością pozostała. Postanowił się dowiedzieć, na ile współcześni Egipcjanie to potomkowie poddanych faraonów. Z tym że 1981 r. nie potrafiono jeszcze wyciągać DNA z martwych ciał. Pääbo zrobił więc eksperyment: spróbował wyekstrahować jego fragmenty z kupionej w supermarkecie i wysuszonej cielęcej wątróbki. Udało się. Rozochocony naukowiec pobrał wycinki z egipskich mumii i po wielu nieudanych próbach wyekstrahował w końcu fragment ludzkiego DNA, co jeszcze przed obroną doktoratu pozwoliło mu pierwszy raz znaleźć się na okładce „Nature”.

W decyzji, że będzie trzymał się badań antycznego genomu utwierdziło go opracowanie przez amerykańskiego biochemika Kary’ego Mullisa techniki łańcuchowej reakcji polimerazy (PCR), która umożliwiała sekwencjonowanie fragmentów mitochondrialnego DNA. Ponieważ jednak badanie DNA dawno zmarłych ludzi było w latach 80. zadaniem zbyt ambitnym, zabrał się za do pozyskiwania ich z wypchanych w muzeach szczuroskoczków, wymarłych wilków workowatych, plejstoceńskich koni, mamutów i leniwców olbrzymich.

Przełom nastąpił po odkryciu Człowieka z Lodu w 1991 r. Po dwóch latach Pääbo pozyskał próbki tej liczącej 5,3 tys. lat zachowanej w naturalny sposób mumii. Niestety okazało się, że są tak bardzo zanieczyszczone współczesnym materiałem genetycznym, że udało mu się jedynie wyciągnąć z nich fragmenty DNA mitochondrialnego i to z największym trudem. Ale po tych badaniach odważył się zabrać do genomu neandertalczyka, tyle że już w sterylnym laboratorium – powstałym w 1997 r. w Lipsku Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie, którego został szefem.

Badania nad genomem neandertalczyków okazały się niezwykle trudne. Nie tylko współczesne zanieczyszczenia, ale też fakt, że DNA na skutek następującej z czasem degradacji dzieli się na bardzo krótkie fragmenty, wymagały opracowania nowej metody pozyskania jego dłuższych fragmentów. Zanim udało się uzyskać 3 mld nukleotydów umożliwiających odczytanie całego genomu, Pääbo i jego współpracownicy ponieśli kilka porażek i wysunęli wiele błędnych wniosków, które jednak – jak podkreśla noblista – są elementem procesu badawczego.

***

W swojej autobiografii Pääbo przyznaje, że jest bękartem, którego ojciec prowadził podwójne życie, oraz biseksualistą, bo choć zawsze pociągali go fizycznie mężczyźni, zakochał się, ożenił i ma syna z Lindą Vigilant, byłą żoną genetyka i współpracownika Marka Stonekinga. Skomplikowane relacje rodzinne i orientacja płciowa nie mają oczywiście znaczenia dla osiągnięć badacza. Dodają jednak smaczku odkryciu, że w późnym plejstocenie neandertalczyk sypiał z człowiekiem współczesnym i miał płodne dzieci.

Badania Szweda wielokrotnie trafiały na okładki „Science” czy „Nature”, więc w świecie naukowym uchodzi za celebrytę. Jednocześnie jest skromnym i ujmującym rozmówcą, czym potrafił zjednywać sobie ludzi. Zwłaszcza tych, którzy tak jak on „w ten czy inny sposób poszukują odpowiedzi na to samo pytanie: co to znaczy być człowiekiem”.

Gdy 3 października Komitet Noblowski ogłosił swoją decyzję, medycy byli jednak skonsternowani. Jak to nagroda za badanie ludzi nieżyjących od tysięcy lat? Po co? Ale nawet jeśli Pääbo głównie chce poznawać początki naszego gatunku, to wyniki jego badań mają też współczesny wymiar: stosunki między neandertalczykami, denisowianami i człowiekiem współczesnym wpłynęły na naszą fizjologię. Fakt, że nosimy w genach DNA neandertalczyków (do 4 proc.) i denisowian (w Malanezji nawet 6 proc.) wpływa na funkcjonowanie naszego układu odpornościowego na różne infekcje wirusowe czy bakteryjne czy wydolność naszych organizmów (np. denisowiańska wersja genu EPAS1, umożliwia Tybetańczykom przetrwanie na dużych wysokościach, a po neandertalczykach mamy nie tylko rude włosy, ale też skłonności do choroby Leśniowskiego-Crohna czy tocznia).

***

Paradoks chce, że to, od czego zaczęła się ekscytacja Pääbo antycznym DNA – mumie egipskie – nadal pozostają wyzwaniem dla paleogenetyków ze względu na degradację ich DNA i zanieczyszczenia. Ale może nie jest przypadkiem, że Nobel został mu przyznany w 200-lecie odczytania hieroglifów przez Champolliona. Najprawdopodobniej laureat nie powiedział jeszcze ostatniego słowa i znów powróci do swych młodzieńczych fascynacji, by zgłębiać tajemnice podwójnej helisy starożytnej mieszkańców Doliny Nilu.

John F. Clauser, Alain Aspect i Anton Zeilinger – za udowodnienie, że dziwność jest pożyteczna

– Tegoroczne nagrody są dowodem potęgi mechaniki kwantowej – powiedział podczas konferencji prasowej 4 października Hans Ellegren z Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk. Ale ta potęga nie była początkowo ewidentna. Kilkadziesiąt lat temu nie dowierzali jej nawet geniusze, z Albertem Einsteinem na czele. Bo nowa nauka sugerowała, że rzeczy mogą się zdarzać bez przyczyny i że obiekty zyskują własności dopiero wtedy w akcie obserwacji. Dyskutowano, rachowano – ale nauka ugina się pod ciężarem nie równań, ale eksperymentów. Dopiero trzej nagrodzeni w tym roku Noblem fizycy udowodnili, że przedziwna natura świata kwantowego nie ma w sobie niczego mistycznego. Jest on po prostu dziwny.

W 1935 r. Einstein wraz z Borysem Podolskim i Nathanem Rosenem zaprojektował eksperyment myślowy, bez którego tegorocznych Nobli z fizyki by nie było. Chciał dowieść, jak bardzo mechanika kwantowa jest niekompletna. Opisał układ, którego istnienie dopuszczać miała owa nauka: dwóch cząsteczek, z których każda jest w stanie niekreślonym, zamglonym. Gdyby mechanika kwantowa miała być słuszna, mógłby je łączyć przedziwny związek: pomiar stanu jednej natychmiast ustalałby stan drugiej, bez względu na odległość. Zupełnie jakby cząstki porozumiewały się szybciej niż światło, co jest niemożliwe. Jakby rzeczy zdarzały się bez przyczyny.

Einstein określił owo splątanie kwantowe mianem „oddziaływaniem duchów na odległość“. I w takiej mniej więcej ezoteryczno-filozoficznej sferze przez lata prowadzono debaty o fundamentach mechaniki kwantowej i poszukiwania teorii alternatywnej – tzw. teorii zmiennych ukrytych, które to zmienne podpowiadałyby cząstkom, w jakim stanie powinny się znaleźć.

***

Dopiero ćwierć wieku później irlandzki fizyk John Stewart Bell (1928–1990) uznał, że czas skończyć te bajania i ustalić konkretnie, na czym stoi świat. A konkretnie przyznać rację Einsteinowi. W latach 1964 r. przedstawił nierówności, w których w matematyczny sposób uchwycił sedno różnicy w dwóch sposobach myślenia o świecie. Trzeba było tylko sprawdzić, czy są one spełnione w rzeczywistości. Czy splątanie kwantowe to w przyrodzie norma, czy raczej mechanika kwantowa jest błędna.

O pomysłach Bella początkowo wiedział mało kto – a większość z tych, którzy wiedzieli, nie dostrzegała ich doniosłości. Wyzwanie rzucone przez Irlandczyka przyjął dopiero w latach 70. ówczesny postdok John F. Clauser (ur. 1942). Najpierw z kolegami – Michaelem Hornem, Abnerem Shimonym i Richardem Holtem – przekształcił nierówności Bella do formy, którą dało się sprawdzić w laboratorium. Później wraz z Stuartem Freedmanem ten utalentowany manualnie fizyk z rupieci znalezionych w magazynach University of California w Berkeley, skonstruował wielkie, niezgrabne urządzenie, które zmieniło współczesną fizykę. Bawiąc się spolaryzowanymi fotonami i rozdzielając je na odległość jednego metra Clauser wykazał, że z mechaniką kwantową wszystko jest w porządku. Nie jest natomiast w porządku z tym, jak Einstein i inni o niej myśleli. Splątane cząstki tworzą jedną, niezakłóconą przez dzielącą je dystans, całość – tylko tak należy o nich myśleć.

Francuz Alain Aspect (ur. 1947) poszedł dalej. Jego doświadczenia z początków lat 80. wyeliminowały kolejne wątpliwości związane z pionierskim układem Clausera. A gwóźdź w trumnę teorii zmiennych ukrytych wbił Anton Zeilinger (ur. 1945). Eksperymentalny kunszt Austriaka pozwolił na jednoznaczne stwierdzenie: splątanie kwantowe to w przyrodzie rzecz naturalna.

I wtedy fizycy odkurzyli nieco zapomnianą pracę Erwina Schrödingera z połowy lat 30. Już wtedy ten wielki fizyk sugerował, że splątanie jest nie egzotyczną, ale podstawową cechą mechaniki kwantowej. Thors Hans Hansson z Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk opowiadał o tym, prezentując dorobek noblistów: – Eksperymenty Clausera i Aspecta otworzyły fizykom oczy na stwierdzenie Schrödingera i dostarczyły eksperymentalnych narzędzi do pracy.

Zeilinger z tej właśnie oferty z talentem skorzystał. Ten mistrz interferometrii, techniki kluczowej w mechanice kwantowej, pokazał, że splątanie można wykorzystać do bezpiecznego przesyłania informacji – światłowodem, ale i przez satelitę. W 1997 r. zademonstrował też coś, co kilka lat wcześniej teoretycznie obmyślił Charles H. Bennett ze współpracownikami – teleportację kwantową, czyli przerzucanie stanu kwantowego z jednej cząstki na drugą.

***

Środowisko rodzącej się nowej nauki było bardzo nieliczne. Funkcjonowało na uboczu wielkich zdarzeń nauki. Wszyscy dobrze się znali. Niewiele by się udało bez udziału nieuwzględnianych przez Komitet Noblowski teoretyków. Wspomniany Bennett, David Deutsch, Stephen Wiesner, Gilles Brassard, Artur Ekert, Wojciech Żurek, Peter Shor i inni – wszyscy oni wspólnie z tegorocznymi laureatami dali początek czemuś, co nazywamy informacją kwantową. Przy czym żaden z nich, nawet Zeilinger, nie był właściwie zainteresowany praktycznym wykorzystaniem swoich odkryć. Ale tak właśnie się stało.

Dziś splątanie wykorzystuje się z powodzeniem w kryptografii kwantowej, metodzie (teoretycznie) całkowicie odpornej na próby włamania. Splątane cząstki przesyła na międzykontynentalne dystanse. Kwantową przypadkowość coraz częściej traktuje się jako użyteczny zasób, a nie dopust boży. Powstają wreszcie teorie podsuwające myśl, że splątanie może mieć coś poważnie wspólnego z fundamentami rzeczywistości. To także dowód potęgi mechaniki kwantowej.

Morten Meldal, K. Barry Sharpless, Carolyn R. Bertozzi – za genialne narzędzie do budowy nowych molekuł

– Tegoroczna Nagroda Nobla zostaje przyznana za genialne narzędzie do budowy nowych molekuł – powiedział dziś Hans Ellgren z Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk. Narzędzie to już dziś pozwala opracowywać nowe leki oraz materiały. Znajduje zastosowanie w sekwencjonowaniu DNA. Pomaga w badaniu interakcji biomolekuł wewnątrz komórki. A nawet umożliwia studiowanie procesu dostarczania do komórek leków.

– Chemia kliknięć działa tak jak brzmi – dodał Johan Åqvist z Komitetu Noblowskiego przyznającego nagrodę z chemii. A zasadę jej działania świetnie przedstawił w swojej prezentacji drugi członek tego gremium Olof Ramstrom. Zasugerował, by dwie łączące się ze sobą molekuły wyobrazić sobie jako dwa idealnie pasujące do siebie elementy klamry zatrzaskowej (powszechnie używanej np. w plecakach). Bo to połączenie (molekuł może być więcej) bardziej przypomina połączenie mechaniczne niż typowo chemiczne.

***

W taki właśnie sposób spojrzeli na azydki (sole lub związki organiczne zawierające w swojej strukturze trzy połączone ze sobą atomy azotu) i alkiny (węglowodory, w których atomy węgla są połączone wiązaniem potrójnym) tegoroczni laureaci: Duńczyk Morten Meldal i Amerykanin K. Barry Sharpless.

Początkowe próby połączenia tych dwóch rodzajów związków chemicznych nie napawały optymizmem. Co tu dużo mówić: azydki i alkiny nie za bardzo chciały ze sobą wchodzić w interakcje. Proces ich łączenia zachodził powoli, a w mieszaninie poreakcyjnej roiło się od produktów ubocznych. Było tak aż do chwili, gdy badacze postanowili dorzucić do środowiska reakcyjnego związek miedzi (I), który miał pełnić funkcję katalizatora (rzymska liczba w nawiasie oznacza stopień utlenienia). Jak za dotknięciem magicznej różdżki wszystkie problemy chemików wtedy zniknęły i udało im się stworzyć docelowy związek z niemalże 100 proc. wydajnością. Co więcej, dzięki zastosowaniu katalizatora reakcja przebiegała bardzo szybko.

W ten sposób naukowcy opracowali katalizowaną miedzią cykloaddycję azydkowo-alkinową, technikę, która jest teraz podstawą chemii kliknięć (autorem terminu jest Sharpless). Stała się ona metodą stosowaną wręcz powszechnie, w naukach pokrewnych i w przemyśle – także na liniach produkcyjnych firm farmaceutycznych.

Sharpless jest jednym z pięciu podwójnych laureatów Nobla. Poprzedniego otrzymał 21 lat temu – również z chemii – za badania o katalizatorach chiralnych, które wykorzystano do syntezy leków nasercowych, tzw. beta-blokerów. Jak chyba wszyscy tegoroczni nagrodzeni, również on wykazywał się dużą determinacją. Jego początki w laboratorium nie były łatwe – 1970 r. stracił oko w wyniku wybuchu probówki. Byłoby pewnie inaczej, gdyby założył okulary ochronne.

***

Działając niezależnie od dwóch panów Amerykanka Carolyn R. Bertozzi zastanawiała się, w jaki sposób do glikanów występujących na powierzchni komórek dołączyć cząsteczki zdolne do fluorescencji (świecenia). Pozwoliłoby to obserwować procesy komórkowe wewnątrz organizmów żywych za pomocą metod spektroskopowych. Rozwiązaniem, które przychodziło jej do głowy, było połączenie azydku z alkinem, dodatkowo zmodyfikowanym substancją fluorescencyjną. Reakcja chemicznego kliknięcia miałaby miejsce we wnętrzu komórki, a jej produkt wskutek naturalnych procesów zostałby wydalony z jej wnętrza, by na jej powierzchni związać się z glikanami.

Łatwo powiedzieć, trudniej zrobić. Problemem okazały się wspomniane wyżej związki miedzi (I). Ze względu na swoją toksyczność nie mogły być wprowadzone do organizmów żywych. Badaczka postanowiła więc wypróbować inny związek z grupy alkinów, czyli cyklooktyn zbudowany z 8 atomów węgla, gdzie jedno z ich związań jest potrójne. Był to strzał w dziesiątkę, a Carolyn R. Bertozzi przeniosła chemię kliknięć na zupełnie nowy poziom. Udowodniła, że chemię kliknięć można z powodzeniem przeprowadzać w żywych komórkach bez zaburzania ich normalnego funkcjonowania. Z tego też powodu nazywa się ją dziś matką tej dziedziny. To o tyle ważne, że Bertozzi jest lesbijką. Coming-outu dokonała jeszcze w latach 80., co było aktem dużej odwagi – tego typu wyznania nierzadko kończyły karierę naukową.

Dzięki osiągnięciom Bertozzi reakcje chemicznego kliknięcia są dziś wykorzystywane na całym świecie. Nowa technika pozwala śledzić procesy, także chorobowe, zachodzące w żywych organizmach, w pojedynczych komórkach.

Może się okazać, że chemia bioortogonalna już niedługo pozwoli stworzyć leki przeciwnowotworowe, które będą idealnie celować w komórki rakowe, omijając te zdrowe, zwiększając efekty kuracji i niwelując jej skutki uboczne. Jest na co czekać.