Tydzień noblowski. Podsumowanie dokonań naukowych tegorocznych laureatów

Za wkład w opracowanie szczepionek mRNA przeciwko Covid-19: Katalin Karikó i Drew Weissman

„Kiedy coś mnie powali, wiem jak się podnieść” – tak brzmi życiowe motto prof. Katalin Karikó, która wraz z prof. Drew Weissmanem (jej wieloletnim naukowym druhem) pomogła światu wyjść z pandemii Covid-19. Szczepionki wyprodukowane dzięki odkrytej przez nich technologii wykorzystania mRNA uodparniają przed koronawirusami SARS-Cov-2 lub chronią przed ciężkim przebiegiem infekcji.

Nadzieja pokładana w terapeutycznym potencjale mRNA (to skrót od ang. messenger RNA, czyli informacyjnego RNA) przez długie lata była niewielka, a badacze, którzy próbowali się nim zajmować, mieli poczucie beznadziei. Ale nie Karikó, która zwykła mówić, że nauka to w 99 proc. wyzwanie: „Robisz rzeczy, których nigdy nie robiłeś lub nikt nigdy nie zrobił, i nawet nie wiesz, czy to możliwe”. Przebieg jej kariery potwierdza tę wrodzoną determinację, bo przez prawie 50 lat pracowała w zapomnieniu.

Wykształcenie biochemiczne zdobyła na Węgrzech (urodziła się równo 10 lat po zakończeniu drugiej wojny światowej, w rodzinie rzeźnika i księgowej, którzy zakończyli edukację na szkole podstawowej). Kiedy wstrzymano finansowanie jej laboratorium w Centrum Badań Biologicznych Węgierskiej Akademii Nauk, wraz z mężem i 2-letnią córką wyemigrowała w 1985 r. do Stanów Zjednoczonych. Po przybyciu do Filadelfii dość szybko okazało się, że fundusze na Temple University, które miały wystarczyć na kontynuację badań, również zostały przycięte, więc uczelnia podziękowała jej za pracę. Nie było łatwo znaleźć nową, bo jedna z koleżanek, która dostrzegła w niej konkurentkę, sabotowała jej poszukiwania stabilnego zatrudnienia, kwestionując status imigracyjny. Kiedy w końcu Karikó trafiła do prestiżowej Perelman School of Medicine University of Pennsylvania, wciąż nie mówiła perfekcyjnie po angielsku i traktowano ją jak naukowca drugiej kategorii, a jej wnioski o granty na badania nad terapeutycznym mRNA były regularnie odrzucane.

Wszystkie te przykre fakty ze swojego życiorysu opisała we właśnie wydanej książce „Breaking Through: My Life in Science”, ale już wcześniej zwróciła na nie uwagę w rysunkowej książeczce dla dzieci „Never Give Up. Dr Katalin Karikó and the Race for the Future of Vaccines” („Nigdy się nie poddawaj. Dr Katalin Karikó i wyścig o przyszłość szczepionek”). To stąd zaczerpnęliśmy życiowe maksymy, które badaczka lubi przekazywać najmłodszemu pokoleniu i młodszym naukowczyniom: „Kiedy poza mężem Bélą i córką Susan [dwukrotną złotą medalistką olimpijską w wioślarstwie – przyp. red.] nikt we mnie nie wierzył, ja uwierzyłam w siebie. Kiedy szemrali, że moje badania są ślepym zaułkiem, ja byłam przekonana o ich potencjale. Ciężka praca jest częścią życia, a kiedy to zaakceptujesz, czeka cię nagroda”.

Dzielnym sprzyja też przypadek. Takim było spotkanie na University of Pennsylvania – ponoć na korytarzu, przy kserokopiarce – prof. Drew Weissmana. Był już wtedy uznanym immunologiem i interesował się funkcją tzw. komórek dendrytycznych w aktywacji odpowiedzi odpornościowej po podaniu różnych szczepionek. Współpraca z Karikó przyniosła doskonały wynik: zauważyli, że komórki dendrytyczne rozpoznają laboratoryjne mRNA jako substancję obcą, co prowadzi do ich aktywacji i uwolnienia zapalnych cząsteczek sygnałowych (mRNA bez hodowli komórkowej nauczono się wytwarzać już w 1980 r.). Zagadką pozostało, dlaczego akurat ten rodzaj mRNA jest traktowany przez układ immunologiczny w taki sposób, skoro naturalne mRNA nie wywołuje takiej reakcji?

„Uczyliśmy się od siebie nawzajem” – wspominają Karikó i Weissman początek wspólnych badań. Ich największym osiągnięciem było odkrycie niewielkiej modyfikacji jednej z zasad nukleotydowych budujących nić mRNA, która sprawiła, że po wprowadzeniu go do żywego organizmu przestał być odrzucany przez układ odpornościowy. Mógł nienaruszony prześlizgnąć się przez naturalną obronę immunologiczną, ponieważ opakowali go lipidową otoczką chroniącą przed unicestwieniem – o czym donieśli w pierwszym wspólnym artykule, na łamach „Immunity” w 2005 r. Trzy i pięć lat później opublikowali kolejne przełomowe prace, udowadniając, że dostarczanie mRNA wygenerowanego ze zmianami nukleotydów zwiększa produkcję białek. Droga do rozpoczęcia badań klinicznych z wykorzystaniem tej technologii została w ten sposób przetarta.

Prof. Jacek Jemielity z Centrum Nowych Technologii, który również zajmuje się badaniami mRNA (za co w 2008 r. zdobył Nagrodę Naukową POLITYKI), już dwa lata temu przepowiadał na naszych łamach, że ponieważ cząsteczkę tę można nazwać przepisem na wytwarzanie w komórce różnych białek, wkrótce zrewolucjonizuje ona leczenie chorób, z którymi nie potrafimy sobie poradzić. Dzięki dostarczeniu mRNA z zewnątrz – w formie szczepionki, jak w przypadku Covid-19, lub leku – organizm otrzymuje informację, przed jakim białkiem (np. wirusa lub innego patogenu) musi się bronić lub jakiego mu brakuje. Wtedy komórki zabierają się do pracy: mobilizują układ odpornościowy do wytwarzania przeciwciał lub same produkują białko, które zniweluje objawy jakiejś przewlekłej choroby.

Dodatkową zaletą jest to, że takie leki mogą być produkowane szybko i stosunkowo tanio. Prof. Sarah Gilbert z Jenner Institute w Oxfordzie, współtwórczyni konkurencyjnej w stosunku do mRNA szczepionki wektorowej przeciwko koronawirusom, przyrównała wytwarzanie nowych mRNA do wypieku ciast z owocami. W przypadku starszych technologii, wytwórcy za każdym razem musieli zaczynać wszystko od zera, a więc od surowców: mąki, cukru, jajek i masła. Teraz podstawa jest już gotowa, wystarczy wymienić same owoce.

Platformy technologiczne mRNA – jak nazywają ciasto biotechnolodzy – zostały już wykorzystane do produkcji wakcyn przeciwko wściekliźnie, Eboli, Zika, MERS (w kolejce czekają kolejne patogeny). Są wszechstronne i elastyczne, ale clou sukcesu przy tak różnych celach terapeutycznych tkwić będzie w odpowiedniej dawce mRNA – trzeba umieć przy jak najmniejszej jego ilości uzyskać jak najlepszy i najdłuższy efekt. To jest wyzwaniem na najbliższe lata.

Za pionierskie badania z fizyki attosekundowej: Pierre Agostini, Ferenc Krausz i Anne L’Huillier

Rzeczywistość nie została skrojona na ludzką miarę. Procesy fundamentalne rozgrywają się w skalach niedostępnych dla ludzkich zmysłów. Głównymi aktorami na tej scenie są elektrony – obdarzone ładunkiem elektrycznym cząstki elementarne, które wchodzą w skład (prawie) każdego atomu i każdej cząsteczki. To od ich zachowania, położenia, energii zależy przebieg reakcji chemicznych, a także elektryczne, optyczne i mechaniczne właściwości materii. W zasadzie zależy od nich wszystko. Rzeczywistość jest skrojona właśnie na ich miarę. Zjawiska, w których biorą udział, zachodzą z prędkością attosekund, czyli trylionowych ułamków sekundy. Jak mówił Mats Larsson, szef komitetu noblowskiego z fizyki: mają się one do naszych, ludzkich skal czasowych tak jak wiek wszechświata do jednego uderzenia serca. To zakresy niebywale trudno dostępne także dla nauki.

Granice są wyznaczane przez – fundamentalne jak się wydaje – prawa mechaniki kwantowej, sformułowane wiek temu. Werner Heisenberg, jeden z ojców tej nowej nauki, autor zasady nieoznaczoności, zauważał w 1925 r., że jej reguły niejako odcinają fizyków od precyzyjnej wiedzy na temat położenia czy pędów pojedynczych elektronów i innych mikroobiektów. Skazują ich na obcowanie z tzw. obserwablami, wielkościami mierzalnymi, ale uśrednionymi. Na wiedzę zapośredniczoną. L’Huillier, Agostini i Krausz nie pokonali owego ograniczenia w ścisłym znaczeniu, ale opracowali metodę „postrzegania” dynamiki elektronów w atomach, molekułach i ciałach stałych. I za to właśnie – skonstruowanie próbnika czy kamery do podglądania życia intymnego mikroświata – zostali wyróżnieni.

Urodzona w 1958 r. Francuzka Anne L’Huillier (dziś pracująca w szwedzkim Lund University) wykonała pionierskie kroki w fizyce attosekundowej jeszcze w latach 80. Wyjaśniła przyczyny zagadkowych zjawisk zachodzących w gazach szlachetnych oświetlanych promieniami lasera i zaproponowała, jak można je wykorzystać do generowania ultrakrótkich impulsów światła ultrafioletowego. Dwa kolejne kroki wykonali urodzony w 1941 r. w Tunisie (wówczas protektoracie francuskim) Pierre Agostini oraz Węgier Ferenc Krausz, urodzony w 1962 r. Pierwszy nauczył się wytwarzać całe serie impulsów o określonej długości i częstotliwości. Drugi znalazł sposób na wyodrębnianie pojedynczych błysków. „To był niewiarygodny moment, którego nigdy nie zapomnę” – mówił Krausz w pierwszej, telefonicznej reakcji na Nobla. Doszło do niego także dzięki udziałowi dziesiątków innych badaczy na całym świecie – Węgier pięknie im za to podziękował.

Umiejętność śledzenia poczynań pojedynczych elektronów wewnątrz atomów i cząsteczek może mieć fantastyczne implikacje. Może doprowadzić do powstania nowych półprzewodników, poprawienia efektywności wytwarzania i przesyłu energii, podniesienia wydajności fotosyntezy, opracowania superczułych metod diagnostycznych w medycynie (tym zresztą zajmuje się teraz Krausz). Na tym skupiły się media. Pytana o to przez przedstawiciela komitetu noblowskiego L’Huillier jest jednak powściągliwa. Wyjaśniała, że zafascynowała się tą tematyką nie z powodów praktycznych, a fundamentalnych. „Całe lata zajęło nam zrozumienie tych zjawisk. I minie czas, zanim dojdziemy do konkretnych zastosowań”. Kontrolowanie reakcji chemicznych? „To na razie marzenie”. Agostini wyznał szczerze (i nie całkiem serio): „Dlaczego komitet noblowski zdecydował się nagrodzić te właśnie badania, pozostaje tajemnicą. Choć właściwie czemu nie… To dla mnie długi czas – dwadzieścia lat od chwili, gdy wykonaliśmy ten eksperyment dający początek attosekundowej zabawie. Ale OK, lepiej późno niż wcale”.

Poza tym jednak nie było zaskoczeń. L’Huillier, Agostini i Krausz pojawiali się na listach „kandydatów” do szwedzkiej nagrody już od lat. Ich nazwiska przewijały się w oknie konwersacji na YouTube przed rozpoczęciem transmisji ze Sztokholmu. Zaprzyjaźnieni fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego przesłali nam zdjęcie tablicy, na której, czekając na werdykt, spisali swoje przypuszczenia – dwa z nich okazały się trafne.

Tę decyzję komitetu noblowskiego będziemy pamiętać z jeszcze jednego powodu. Maria Skłodowska-Curie otrzymała nagrodę w 1903 r. (za badania radioaktywności), Maria Goeppert Mayer – w 1963 r. (za odkrycia dotyczące struktury jądra atomowego). Później była przerwa, zakończona w roku 2018 wyróżnieniem dla Kanadyjki Donny Strickland (za osiągnięcia w otrzymywaniu krótkich laserowych impulsów wysokiej mocy) i – dwa lata później – dla Amerykanki Andrei Ghez (za odkrycie supermasywnej struktury w centrum Galaktyki). L’Huillier jest dopiero piątą kobietą wyróżnioną w dziedzinie fizyki. A Nagroda Nobla liczy sobie już 122 lata. „To dla mnie coś bardzo, bardzo specjalnego” – mówiła wzruszona Francuzka.

Za odkrycie i syntezę kropek kwantowych: Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus i Alexei I. Ekimov

Tegoroczna Nagroda Nobla z chemii dowodzi, jak splątane są ze sobą dziedziny wiedzy, mocą tradycji postrzegane jako rozdzielne. Otrzymali ją chemicy – Francuz z Massachusetts Institute of Technology (ur. 1961), Amerykanin z Columbia University (ur. 1943) oraz fizyk – Rosjanin z Nanocrystals Technology Inc (ur. 1945).

Kropki kwantowe, które odkryli i które nauczyli się syntetyzować, to obiekty półprzewodnikowe o rozmiarach rzędu miliardowych części metra (nm). Stąd ich ogólniejsza i poprawniejsza nazwa: nanocząsteczki. W tym roku komisja noblowska zadbała o przemawiające do wyobraźni analogie, które pomagają zrozumieć wagę osiągnięć nagrodzonych badaczy: porównała kropkę kwantową do piłki futbolowej, a tę do kuli ziemskiej. Proporcje są jednakowe.

Dominującą funkcję w kształtowaniu właściwości takiej kropki pełnią efekty kwantowe, związane z przeskokami elektronów między orbitami. Zmieniając jeden tylko parametr takich kropek – rozmiar – można wpływać na przeróżne ich właściwości. Na przykład na to, jakiego koloru światło generują, kiedy zostają poddane wpływowi promieniowania ultrafioletowego. „To zupełnie tak, jakby układ okresowy pierwiastków zyskał trzeci wymiar” – zgrabnie tę ich cechę ujęli David Keyton i Mike Corder w magazynie Phys.org. Już nie tylko liczba powłok elektronowych i elektronów determinuje cechy cząsteczki pierwiastka.

I ten właśnie wymiar badali nagrodzeni. Pierwsze sukcesy zaczęli odnosić czterdzieści lat temu, kiedy nikt nie wierzył, że otrzymanie takich kropek w laboratorium jest możliwe. Sama ogólna idea mówiąca, że cechy materiału zależą od (makroskopowych) rozmiarów cząsteczek, nie jest jednak nowa. Już w latach 30. ubiegłego wieku Herbert Fröhlich przebadał konsekwencje słynnego równania Schrödingera i dowiódł teoretycznie jej prawdziwość dla cząsteczek metalu – zimnych i mniejszych niż 10 nm. Tyle że przez pół wieku metody doświadczalne nie były w stanie doścignąć idei tego urodzonego w Niemczech fizyka. Czekała na Ekimova. On we wczesnych latach 80. świadomie stworzył kropki kwantowe z chlorku miedzi, „zamrożone” w szkle. Czekała też na Brusa – który parę lat później, nie mając pojęcia o osiągnięciach ukrytego za żelazną kurtyną Rosjanina, zdołał stworzyć nanocząsteczki w układzie koloidalnym (zawiesinie). Czekała wreszcie na Bawendiego – który opracował precyzyjną metodę ich syntezy o przewidywalnym, pożądanym rozmiarze i jakości. Fabryka kropek ruszyła.

„Kolorowe” kropki są elementem składowym wyświetlaczy o intensywnych barwach i źródeł światła o dobrze zdefiniowanej charakterystyce. Wykłada się nimi matryce telewizorów. A biochemikom pomagają choćby w mapowaniu tkanek. Produkowane są na masową skalę, metodami współczesnej chemii. Kiedyś przydadzą się w produkcji cieńszych niż współczesne ogniw fotowoltaicznych. Będą wędrować w organizmach, wskazując chirurgom drogę do zmian nowotworowych. Lista zastosowań jest wciąż otwarta.

Wszystkie te użycia są w pewien sposób przedłużeniem nanotechnologii, które stosujemy od czasów starożytnych – zauważa prof. Heiner Linke z Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk. Skuteczność używanego przez Greków i Rzymian czernidła do włosów oparta była na kwantowych efektach zachodzących w nonokryształkach siarczku ołowiu (5 nm). A Ekimov nie bez przyczyny badał szkło, którego barwa zależy nie tylko od rodzaju domieszek, ale i od sekwencji ogrzewania i schładzania przy jego wytwarzaniu. Dziś wiemy, że tajemniczą (przechodzącą w zieleń przy zmianie oświetlenia) czerwień pucharu Likurga z IV w. generowały uwięzione w nim cząsteczki złota (5–60 nm).

Intuicyjna, podbudowana doświadczeniem wiedza dawnych mistrzów zyskała naukowe wytłumaczenie. O to też chodziło nagrodzonym. W rozmowie ze Szwedami z komisji noblowskiej Moungi G. Bawendi rymował się z Anne L’Huillier: „Motywacją do działania była tak naprawdę nauka fundamentalna. Podstawowe zrozumienie. Ciekawość, jak działa świat”.