Artykuł w wersji audio
Tegoroczne Nagrody Nobla zaskoczyły. Nie samą zasadnością wyboru laureatów z medycyny, fizyki czy chemii, ale zrozumiałością tego, co zostało uhonorowane przez Królewską Szwedzką Akademię Nauk i Instytut Karolinska (uniwersytet medyczny). Nierzadko bowiem pojawiał się problem z przetłumaczeniem na popularny język, na czym polega istota nagrodzonego odkrycia i czy ma jakieś praktyczne zastosowania. A niektóre osiągnięcia wyróżnione Noblem brzmiały wręcz ezoterycznie. W tym roku stało się jednak inaczej, nawet w przypadku fizyki, bo któż nie słyszał o czarnych dziurach w kosmosie…
Nobel a sprawa polska
Zaczęło się w poniedziałek, 5 października, kiedy komitet noblowski Instytutu Karolinska ogłosił swój werdykt. Szczególna, pandemiczna otoczka przyznawania Nagrody Nobla w dziedzinie medycyny sugerowała docenienie badań nad którąś z chorób zakaźnych. I tak też się stało. Wielkim wyróżnieniem podzielą się naukowcy zajmujący się wirusologią, czyli trzech odkrywców wirusa C zapalenia wątroby: Amerykanie: Harvey J. Alter i Charles M. Rice oraz Brytyjczyk Michael Houghton.
Prace trójki tegorocznych noblistów umożliwiły stworzenie dość prostych testów wykrywających WZW C we krwi (np. u honorowych dawców), dzięki czemu wyeliminowano podawanie jej innym pacjentom, co zdarzało się niemal na co dzień jeszcze w latach 80. i na początku lat 90. XX w. Bez przełomowego odkrycia wirusa C zapalenia wątroby nie rozpoczęłyby się także zaawansowane prace nad nowymi terapiami. Na te najskuteczniejsze trzeba było czekać w Polsce aż do 2015 r., ale sukces osiągnięto ogromny – dzięki obecnym metodom terapeutycznym epidemia WZW C może być w ciągu najbliższych lat skutecznie opanowana (więcej POLITYKA 25/15). Zaledwie kilkanaście lat temu wydawało się to nieprawdopodobne, bo, inaczej niż w przypadku WZW B, nie udało się stworzyć efektywnej szczepionki przeciw wirusowi typu C. W tym miejscu warto dodać, że odkrywca wirusa B prof. Baruch S. Blumberg również otrzymał Nagrodę Nobla, w 1976 r.
W samej Polsce liczbę zakażonych WZW C szacuje się aż na 150 tys. Spośród nich 86 proc. niestety nie wie o tym, że ta podstępna choroba niszczy im wątrobę, prowadząc do marskości i raka. Ponieważ wirus przenosi się w zasadzie tylko przez krew (o wiele rzadziej, choć również, podczas kontaktów seksualnych), najbardziej zagrożeni są ludzie, którzy mają kontakt z zakażoną krwią pozostawioną na niejałowych igłach, rękawiczkach, źle wysterylizowanym sprzęcie medycznym czy tym wykorzystywanym w salonach kosmetycznych, tatuażu itp. Do infekcji dochodzi wyłącznie wtedy, gdy zarazek przez drobne skaleczenie lub otarcie naskórka dostanie się do krwiobiegu. Nie może się to zdarzyć podczas codziennych kontaktów, o ile domownicy nie stosują wspólnych szczoteczek do zębów, maszynek do golenia ani akcesoriów do manicure.
Polska nie ma jak dotąd masowego programu wykrywania osób zakażonych WZW C, chociaż jest to jedna z nielicznych chorób przewlekłych, które da się już w pełni wyleczyć. Obecnie Narodowy Fundusz Zdrowia, korzystając z obojętności Ministerstwa Zdrowia, nie refunduje prostego testu wykrywającego HCV w podstawowej opiece zdrowotnej. Ale może pod wpływem tegorocznej Nagrody Nobla nasi decydenci pochylą się nad projektem ogólnokrajowej strategii walki z HCV. Taki plan został przygotowany wiele lat temu i tylko czeka na zatwierdzenie.
Ich troje, czyli pięcioro
Spóźnianie się to przywilej cesarzy, królów, Władimira Putina oraz komitetu noblowskiego Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk. Wtorkowe (6 października) odczytanie listy laureatów w dziedzinie fizyki odbyło się z poślizgiem, bo dokonujący porannych ablucji Roger Penrose nie słyszał dzwonka telefonu, którym chciano mu przekazać radosną nowinę. Czas na Ziemi bywa źródłem problemów, ale to nic w porównaniu z tym, co dzieje się z nim w okolicach i we wnętrzu czarnych dziur – najbardziej tajemniczych obiektów we wszechświecie.
Właśnie za teoretyczne utwierdzenie nas w przekonaniu, że czarne dziury mogą naprawdę istnieć, „połową Nobla” wyróżniony został Penrose z University of Oxford. Natomiast drugą połową podzielą się Reinhard Genzel z niemieckiego Max Planck Institute i University of California w Berkeley oraz Andrea Ghez z University of California w Los Angeles. Ta para rywalizujących ze sobą astrofizyków/astronomów dostarczyła przekonujących eksperymentalnych dowodów realnej obecności czarnej dziury w centrum naszej galaktyki.
Kiedy Penrose zaczął swoje rozmyślania o czarnych dziurach, były one zjawiskiem obecnym w świadomości fizyków i astrofizyków od lat. Chociaż próby jego rzeczowej analizy podejmowano co najmniej parokrotnie, taką szansę dały dopiero metody naukowe, które w połowie lat 60. wynalazł Penrose. Ten 89-letni dziś Brytyjczyk jest wybitnym matematykiem z zacięciem fizycznym i filozoficznym. Jego wycieczki na tereny nieobjęte jeszcze metodą naukową (na przykład istota świadomości) bywają surowo krytykowane, ale wkład w analizę zjawisk związanych z grawitacją i czasoprzestrzenią pozostaje poza zasięgiem krytyki. „Czarnodziurowy” dorobek ułatwił wyjaśnianie innych ekstremalnych zjawisk, takich chociażby, jak kwazary czy blazary (galaktyki emitujące potężne strumienie plazmy).
Sugestię, że obiekt zainteresowań Penrose’a może tkwić w sercu Drogi Mlecznej Martin Rees, niegdysiejszy Astronom Królewski, oraz inny brytyjski astrofizyk Donald Lynden-Bell, sformułowali już w 1971 r. Brakowało jednak instrumentów obserwacyjnych, by to zweryfikować. Wszystko zmieniła optyka adaptatywna i interferometria plamkowa, dwie różne, ale prowadzące do podobnego efektu metody poprawiania jakości obrazów z teleskopów optycznych. Obie znakomicie redukują wpływ atmosfery na obraz badanych obiektów. Obie stały się dostępne dopiero w latach 90. i wtedy właśnie wystartowała do biegu para nagrodzonych astronomów. Genzel używał sprzętu Europejskiego Obserwatorium Południowego w Chile, Ghez – teleskopu Kecka na Hawajach. Oboje niezależnie skierowali je w stronę regionu Sagittarius A*.
W tym otoczonym pyłem jądrze Drogi Mlecznej działo się coś dziwnego – a konkretnie podejrzanie małe były orbity i podejrzanie krótkie czasy obiegu krążących tam gwiazd. Proces odkrywania przyczyn trwał wiele lat. Przy tej okazji na wyższą orbitę współzawodniczące zespoły pchnęły całą macierzystą dziedzinę nauki. A ostateczna konkluzja była jednakowa i następująca: jedynym sensownym wytłumaczeniem kształtu orbit gwiazd krążących wokół Sagittariusa A* jest wielka, masywna jak 4 mln Słońc, determinująca ewolucję naszej galaktyki czarna dziura.
Należy się spodziewać, że dalszych odkryć związanych z ekstremalnymi fenomenami kosmologicznymi będzie tylko przybywać. Są one ściśle związane z postępem techniki. Będą więc kolejne nagrody. Warto przy tej okazji pamiętać, że w przypadku nagród za eksperyment, za nazwiskami wyróżnionych stoją wieloosobowe zespoły. Tego gatunku nauki nie da się uprawiać pod prysznicem.
Jeszcze kilka lat temu z przyznaniem Nobla za przełomowe badania nad czarnymi dziurami byłby potężny kłopot. Należałoby prawdopodobnie uwzględnić czwartego „zawodnika” (a jak wiadomo maksymalna liczba nagrodzonych Noblem wynosi trzy), kogoś, kto wspólnie z Penrosem wyprowadzał zjawisko czarnej dziury ze sfery zagadnień egzotycznych. To z nim Penrose dał w latach 70. początek renesansowi teorii względności, rozważaniom o jej kosmologicznych konsekwencjach i nie tylko. Chodzi oczywiście o Stephena Hawkinga, ikonę astrofizyki, autora słynnej „Krótkiej historii czasu”.
„Stephen Hawking i Roger Penrose zrobili więcej niż ktokolwiek inny od czasów Einsteina w pogłębianiu naszej wiedzy o grawitacji” – mówił Rees serwisowi phys.org. „To smutne, że nagroda przychodzi z opóźnieniem zbyt dużym, by Hawking mógł dzielić uznanie za to odkrycie”. Z kolei niemiecka fizyczka Sabine Hossenfelder pisała: „Rozumiemy dziś, że czarne dziury są jak kotły, w których mieszają się różne dziedziny fizyki. Fizyka czarnych dziur mogłaby być samodzielną dziedziną wiedzy – i może powinna nią być. Wielka w tym zasługa Stephena Hawkinga”. Ale Nobel przyznawany jest tylko żyjącym uczonym, a Hawking zmarł w 2018 r.
Drugim milczącym bohaterem (piątym w ogólnym rozrachunku) jest oczywiście sam Albert Einstein. Ogólna teoria względności, którą tworzył między 1907 a 1915 r., zerwała z parareligijnym absolutyzmem czasu i przestrzeni (być może nie do końca, ale to w tej chwili nieistotne). Uświadomiła fascynujące związki grawitacji z innymi siłami natury, uzmysłowiła fakt, że masa zakrzywia otaczającą ją przestrzeń itd. Konsekwencje teorii tak bardzo przekraczały codzienne wyobrażenia, że z niektórymi nie mógł pogodzić się nawet sam Einstein. Nie przyjął do wiadomości spostrzeżenia Karla Schwarzschilda, że równania teorii względności mają dziwne rozwiązania – sugerujące kolaps czasoprzestrzeni, istnienie punktów o nieskończonej gęstości. Penrose, Genzel i Ghez dowodzą, jak potężne narzędzie poznania obmyślił Einstein i jak trafne są tego konceptu przewidywania.
Nie po raz pierwszy już Nagroda Nobla z fizyki trafia w ręce naukowców, z których pracy nie będzie przysłowiowych kołaczy – tzn. nie przełożą się one natychmiast na zastosowania praktyczne. Co by na to powiedział Alfred Nobel, człowiek ze wszech miar praktyczny? Niekoniecznie przypadłoby mu to do gustu. W 1921 r. Einstein nie dostał Nobla za „teorię grawitacji”, lecz za wyjaśnienie czegoś nieco bardziej przyziemnego, tzw. efektu fotoelektrycznego (choć i to przyniosło rewolucyjne konsekwencje).
Decyzja Komitetu Noblowskiego bardzo cieszy. Nauka fundamentalna nie może się rozwijać w warunkach szantażu użytecznością. Poza tym – a nuż dogłębna znajomość czarnych dziur umożliwi kiedyś podróże przez kosmos na skróty? To oczywiście fantazja, choć nie mniej fascynująca niż rzeczywistość. Bo ta jest taka, że chcemy czy nie chcemy, i tak kiedyś znajdziemy się tam, gdzie kończy się przestrzeń i czas. Pewnego dnia cała nasza galaktyka zostanie pochłonięta przez czarną dziurę. Dzięki Penrose’owi, nieobecnemu już Hawkingowi, Ghez, Genzelowi, no i Einsteinowi wiemy teraz o tym lepiej niż kiedykolwiek wcześniej. Nastąpi to jednak dopiero za jakiś czas i akurat tym nie ma się co martwić.
Nożyce do DNA
W środę, 7 października Królewska Szwedzka Akademia Nauk ogłosiła ostatnich tegorocznych laureatów z nauk przyrodniczych – w dziedzinie chemii. Wśród specjalistów właściwie nie było żadnego zaskoczenia tegorocznym werdyktem, gdyż środowisko m.in. biochemików i genetyków spodziewało się go od kilku lat. Nagrodę otrzymały dwie badaczki (biochemiczki i biolożki) – Francuzka Emmanuelle Charpentier i Amerykanka Jennifer Doudna – za odkrycie metody ingerowania w DNA o trudnej do wymówienia nazwie CRISPR/Cas9. Zrewolucjonizowała ona badania w kilku dziedzinach nauki, gdyż inżynierowie genetyczni otrzymali tanie, szybkie, łatwe w użyciu i bardzo precyzyjne narzędzie.
CRISPR/Cas9 wiąże się z palindromami, czyli wyrażeniami, które czytane od lewej do prawej albo na odwrót brzmią tak samo, np. „Ikar łapał raki”. Takie właśnie palindromy, tyle że zapisane w DNA bakterii i innych jednokomórkowych mikrobów, zaczęły bardzo interesować naukowców. Składały się z 30 „liter” utworzonych z zestawu czterech: A, T, G i C, czyli związków chemicznych (nukleotydów) pełniących bardzo ważną funkcję w DNA (za ich pomocą zakodowana jest budowa m.in. bakterii czy ludzkiego organizmu).
Okazało się, że owe palindromy w materiale genetycznym mikrobów są częścią prymitywnego układu obronnego, dzięki któremu m.in. bakterie odpierają ataki wirusów. Intruzi do tworzenia swoich kopii wykorzystują aparat komórkowy „żywiciela”, wprowadzając do jego komórek własny materiał genetyczny. Dlatego w bakteriach, które przetrwały atak wirusa, pozostają jego fragmenty. Co ciekawe, nauczyły się one oznaczać owe wirusowe kawałki w swoim DNA właśnie palindromicznymi sekwencjami. Ponadto dodały do nich gen kodujący białka, które potrafią ciąć nić DNA (lub RNA). Jeśli zatem wirus próbuje taką bakterię ponownie zaatakować, to dzięki owemu fragmentowi własnego materiału genetycznego intruz zostaje rozpoznany, a ów „tnący gen” go unieszkodliwia.
Naukowcy nadali palindromicznym fragmentom DNA mikrobów nazwę CRISPR, będącą skrótem od Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (grupowane, regularnie przerywane, krótkie powtórzenia palindromiczne). Do tego dorzucili Cas9, oznaczające gen odpowiedzialny za produkcję białka tnącego DNA (później okazało się, że mikroby stosują jeszcze inne rodzaje protein Cas).
Zasługą tegorocznych laureatek Nagrody Nobla było wykazanie, że można ten bakteryjny system obronny wykorzystać jako narzędzie do precyzyjnej edycji genomu. Jeśli bowiem wstawi się do niego np. jakąś konkretną część genu człowieka, to CRISPR znajdzie miejsce w ludzkim DNA, w którym znajduje się on i jego kopie. Dalsze wydarzenia zależą od tego, jakie tnące białko zostanie zastosowane. Jedno może przeciąć w wyznaczonym miejscu nić DNA, a następnie mechanizmy naprawcze komórki z powrotem ją skleją. Przy czym można tak wpłynąć na ich działanie, że naprawiając owo przecięcie, komórka wprowadzi zmianę pożądaną przez eksperymentatora. Nazywa się to redagowaniem genomu, gdyż przypomina pracę redaktora poprawiającego literówki w tekście. Można też użyć tnącego białka, które usunie wskazany fragment DNA, tak jak redaktor wykreśla słowa ze zdania. Zatem za pomocą CRISPR można zmodyfikować fragment DNA, czyli uszkodzić jakiś gen, tym samym go wyłączając, albo zmienić w inny wariant.
CIRSIPR/Cas9 już stosuje się w praktyce m.in. do uzyskiwania roślin uprawnych o pożądanych cechach, np. pszenicy o mniejszej zawartości glutenu (co ważne dla alergików) czy soi, z której otrzymuje się olej o zdrowszym składzie chemicznym. Ale największe nadzieje wiąże się ze stosowaniem „molekularnych nożyc” w medycynie. Trwają właśnie próby kliniczne z użyciem CRISPR/Cas9 w terapii anemii sierpowatej oraz niektórych nowotworów. W tym roku rozpoczęły się też eksperymenty w leczeniu jednego z rodzajów wrodzonej ślepoty spowodowanej mutacją pojedynczego genu. Pewne elementy CRISPR/Cas9 pozwoliły także na opracowanie bardzo szybkich testów wykrywających zakażenie wirusem SARS-CoV-2. A to tylko niektóre przykłady zastosowania molekularnych nożyc – jednego z najważniejszych osiągnięć nauki XXI wieku.
