Ta prima premiu Nobel care este anunțat în fiecare an este adesea denumit „premiul Nobel pentru medicină”. Însă acesta nu este numele său real. Este de fapt premiul pentru fiziologie sau medicină. Iar premiul din acest an s-a situat ferm de partea fiziologiei. Câștigătorul – și a fost unul singur, în loc de doi sau trei de obicei – a fost Svante Paabo, un om care are rara distincție de a fi inventat o întreagă disciplină științifică, paleogenomica, mai mult sau mai puțin de unul singur.

Paleogenomica este studiul genomului speciilor biologice vechi, adesea dispărute. În special, Dr. Paabo s-a concentrat asupra membrilor antici ai genului Homo. Activitatea sa timpurie, începută în 1985, a fost dedicată mumiilor egiptene. Mumificarea în Egipt a început în urmă cu aproximativ 4.600 de ani – o clipită în termeni paleontologici – iar climatul deșertic al acestei țări este deosebit de favorabil conservării ADN. Așadar, acesta a fost un bun punct de plecare. Dar, treptat, pe măsură ce tehnicile de secvențiere genetică s-au îmbunătățit, el a putut să-și împingă munca înapoi în timp.

Prima sa mare descoperire a venit în 1997, când a secvențiat mitocondriale ADN de la neanderthalieni, o specie umană care a trăit în Europa și în vestul Asiei și care a dispărut în urmă cu aproximativ 30.000 de ani. Mitocondriile unei celule sunt grupurile energetice ale acesteia, extrăgând energia din glucoză și transferând-o într-o moleculă numită ATP, care conduce apoi reacțiile metabolice. Deoarece provin din bacterii care au devenit simbiotice cu aproximativ 2 miliarde de ani în urmă cu celulele ancestrale ale animalelor, plantelor și așa mai departe, mitocondriile au propriul lor ADN, separat de cel din nucleul unei celule. Și pentru că există o mulțime de ele într-o celulă, în timp ce există doar un singur nucleu, ADN-ul lor ADN este mult mai abundent și, prin urmare, este mai probabil să supraviețuiască în cantități detectabile.

Analiza doctorului Paabo a arătat că mitocondriile Neanderthalului ADN este într-adevăr diferită de cea a Homo sapiens. Acest lucru a oferit, prin estimări bazate pe rapiditatea cu care astfel de ADN evoluează, o estimare (acum 800.000 de ani) a momentului în care cele două specii au divergent. Cu toate acestea, adevăratul premiu a venit în 2009, când el și colegii săi de la Institutul Max Planck de Antropologie Evolutivă din Leipzig, Germania, pe care a contribuit la fondarea acestuia, au anunțat o secvență a ADN-ului nuclear ADN de Neanderthal – pentru că îmbunătățirile tehnologice au însemnat că definiția „cantităților detectabile” se schimbase până atunci. Acest lucru, împreună cu secvențele succesoare, a permis compilarea unui catalog de gene care se găsesc în Homo sapiens dar nu și Homo neanderthalensis. Și în acest catalog, probabil, se află explicația, încă neelucidată, a ceea ce face ca Homo sapiens o specie atât de extraordinară.

Cea mai mare surpriză a carierei doctorului Paabo a fost, însă, probabil, identificarea, numai din ADN, a unei întregi specii noi, Homo denisova. Genomul original al acestei specii a fost extras dintr-un os de deget găsit într-o peșteră din munții Altai din Rusia. Denisovanii erau înrudiți mai mult cu neanderthalienii decât cu Homo sapiens, iar analizele ulterioare au arătat că cei doi s-au încrucișat uneori. Mai relevant din perspectiva actuală este faptul că ambii s-au încrucișat și cu Homo sapiens atunci când această specie africană a început să apară în țările lor de origine europene și asiatice acum aproximativ 70.000 de ani. Urmele sunt încă acolo, europenii moderni având 1-2% din Neanderthal. ADN iar la unele persoane din Asia și Australasia până la 6% din ADN-ul Denisovan. ADN.

Cariera doctorului Paabo este, așadar, un tur de forță al detecției științifice. Și mai este un lucru. Deși și-a petrecut o mare parte din carieră în Germania, el este suedez. În testamentul lui Alfred Nobel s-a specificat: „Este dorința mea expresă ca, la acordarea premiilor, să nu se țină cont de naționalitate, ci ca premiul să fie acordat celei mai valoroase persoane, indiferent dacă este sau nu scandinavă”. Cu toate acestea, a fost greu să nu observi o ușoară umflătură de mândrie patriotică atunci când Thomas Perlmann, secretarul Adunării Nobel de la Institutul Karolinska, a citit anunțul.

Un puzzle încâlcit

Premiul pentru fizică a fost acordat unui trio de oameni de știință ale căror descoperiri ale fundamentelor mecanicii cuantice au pregătit terenul pentru o nouă eră a tehnologiei. Calculatoarele cuantice, rețelele cuantice și criptografia cuantică sigură își au toate rădăcinile în experimentele efectuate, pe parcursul mai multor decenii, de Alain Aspect, John Clauser și Anton Zeilinger.

Lucrările lor se învârt în jurul unui fenomen numit entanglement cuantic, în care perechi de particule devin corelate între ele, astfel încât se comportă ca și cum ar fi unități unice. Acest lucru duce la efecte contraintuitive – modificarea proprietăților unei particule dintr-o astfel de pereche încurcată o va modifica imediat pe cealaltă, de exemplu, indiferent de distanța dintre particule. Acestea ar putea fi chiar una lângă cealaltă sau la capetele opuse ale galaxiei.

Albert Einstein – care nu era un fan al naturii probabilistice a mecanicii cuantice – a descris încurcarea ca fiind o „acțiune înfricoșătoare la distanță”. El și alții erau îngrijorați de faptul că părea să încalce regulile relativității speciale, care stipulează că nimic nu poate călători mai repede decât viteza luminii. Dacă particulele încurcate erau separate de o distanță mare, a argumentat el, cum ar putea informația să călătorească aparent instantaneu între ele?

În 1935, Einstein și doi colegi, Boris Podolsky și Nathan Rosen, au propus un experiment de gândire (cunoscut ulterior sub numele de „EPR paradox”) pentru a verifica dacă comportamentul ciudat observat în entanglement implica faptul că mecanica cuantică nu era o descriere completă a realității. Poate că particulele purtau cu ele și informații ascunse, care nu sunt descrise de mecanica cuantică, despre cum ar putea acționa în timpul experimentelor sau atunci când sunt măsurate. În 1964, John Stewart Bell, un fizician de la CERN, din Geneva, a dezvoltat EPR paradoxul mai departe și a venit cu predicții testabile pentru a determina dacă variabilele ascunse există cu adevărat sau nu.

Aproape un deceniu mai târziu, John Clauser a construit primul experiment pentru a testa ideea lui Bell. Rezultatele sale au fost de acord cu predicțiile mecanicii cuantice și au arătat că variabilele ascunse ale lui Einstein probabil nu există. Experimentele au lăsat totuși câteva lacune, care au fost rezolvate la începutul anilor 1980 de Alain Aspect, pe atunci student absolvent la Universitatea Paris-Sud din Orsay, Franța. Prin ajustarea și îmbunătățirea experimentelor doctorului Clauser, doctorul Aspect a pus ultimul cui în sicriul variabilelor ascunse ale lui Einstein.

Cel de-al treilea laureat în fizică, Anton Zeilinger, de la Universitatea din Viena, a petrecut decenii căutând modalități de a pune în practică încurcătura cuantică. În 1997, el a arătat că este posibil să se transfere informații între particule, un proces numit „teleportare cuantică”. De asemenea, a demonstrat că două perechi de particule încurcate pot interacționa în moduri interesante. În special, aducerea împreună a unui membru al fiecărei perechi încurcate face ca cele două particule rămase (care nu au fost niciodată în contact) să devină ele însele încurcate.

Manipularea stărilor cuantice ale sistemelor de particule încurcate a devenit baza unor tehnologii precum informatica cuantică și criptarea cuantică. Bazându-se pe munca laureaților din acest an din domeniul fizicii, semnale compuse din fotoni (particule de lumină) încurcați au fost trimise prin fibre optice de mai mulți kilometri lungime și chiar au fost transmise între sol și un satelit care orbitează la sute de kilometri deasupra Pământului.

„Știința informației cuantice este un domeniu vibrant și în plină dezvoltare”, a declarat Eva Olsson, membră a comitetului de acordare a premiului de fizică al Academiei Regale de Științe din Suedia. „Are implicații largi și potențiale în domenii precum transferul securizat de informații, calculul cuantic și tehnologia de detecție, predicțiile au deschis ușile către o altă lume.”

Vorbind după ce a fost făcut anunțul, Dr. Zeilinger a declarat că a fost surprins să primească apelul academiei cu o oră mai devreme. „Sunt încă un pic șocat”, a spus el, „dar este un șoc foarte pozitiv”.

Cel de-al treilea dintre premiile pentru știință, cel pentru chimie, a fost acordat inventatorilor unei tehnici numite chimie „click”. Toată chimia constă în a pune molecule împreună și a le separa. Detaliile variază în mod inevitabil de la o reacție la alta. Dar există multe domenii ale materiei în care ar fi util să existe o modalitate de a pune laolaltă elementele constitutive ale moleculelor mari, indiferent de proprietățile chimice ale acestor unități mai mici, iar acest lucru este ceea ce face chimia cu clic.

Doi dintre cei trei câștigători, Morton Meldal de la Universitatea din Copenhaga și Barry Sharpless de la Scripps Research, din La Jolla, California (deja laureat pentru activitatea asupra catalizatorilor), au inventat trucul de bază. Cel de-al treilea, Carolyn Bertozzi de la Universitatea Stanford, l-a adaptat pentru a fi utilizat în sistemele biologice. În ambele cazuri, însă, se folosește o pereche de grupuri chimice – azide (în care trei atomi de azot sunt legați unul de altul la rând) și alchine (în care doi atomi de carbon sunt conectați printr-o legătură triplă) – care, în circumstanțele potrivite, vor reacționa pentru a forma o structură numită triazol (un inel cu cinci membri format din două atomi de carbon și trei atomi de azot), rămânând în același timp atașate și de moleculele lor originale. În esență, azida și alchina sunt ca cele două jumătăți ale unei catarame care se îmbină la fix.

Faceți clic și colectați

Înainte ca Dr. Meldal și Dr. Sharpless să se aplice în mod independent la această chestiune în 2001 și 2002, se știa că reacția dintre azide și alchine funcționează, dar numai încet și cu tendința de a da un amestec de produse. Ei au căutat să schimbe acest lucru și, după un pic de experimente, au descoperit că ionii de cupru îmbunătățesc mult atât viteza, cât și puritatea. Astfel s-a născut chimia clic. Iar pentru procesele pur chimice, abordarea lor a funcționat bine. Rezultatul a îmbunătățit dezvoltarea de medicamente, ADN secvențierea și crearea de materiale mai bune, pentru a numi doar trei domenii.

Totuși, atunci când chimia se amestecă cu biologia, apare o problemă. Ionii de cupru sunt frecvent otrăvitori pentru sistemele biologice. Așa că Dr. Bertozzi a decis să lucreze la o modalitate de a face ca azidele și alchinele să reacționeze fără implicarea lor. Soluția sa, pe care a publicat-o în 2004, a fost de a include jumătatea alchenei din cataramă într-o moleculă care să o supună la presiune și astfel să o facă mai reactivă. Ea a făcut acest lucru prin inserarea atomilor de carbon triplu legați într-un inel cu opt membri. Inelele de atomi de carbon sunt mai stabile atunci când au șase membri. Un inel cu opt membri distorsionează legăturile implicate, de unde și tensiunea.

Pentru a rezolva problema care o interesa în mod special, care era de a studia polimerii de carbohidrați numiți glicani care se găsesc adesea pe suprafețele celulelor, ea a atașat grupări azidă la moleculele de zahăr de tipul celor care formează subunitățile glicanilor și a alimentat celulele cu rezultatul. Așa cum spera, aceste zaharuri modificate au fost încorporate în glicani. Ea a putut apoi să atașeze molecule de marcare fluorescente la acești glicani, odată ce aceștia au fost expuși la lumea exterioară, prin montarea unor inele alchene încordate.

O astfel de marcare fluorescentă specifică moleculei (a se vedea fotografia) este încă o utilizare importantă a chimiei bioortogonale, așa cum Dr. Bertozzi și-a numit invenția, pentru a o distinge de versiunea pe bază de cupru. Acum poate fi folosită nu doar pentru a marca moleculele, ci și pentru a le urmări și a vedea cum interacționează în cadrul unei celule. Printre altele, acest lucru permite o mai bună înțelegere a proceselor care stau la baza fiecărei boli în parte și poate fi folosit, de asemenea, pentru a ajuta la dezvoltarea de medicamente. Prin urmare, chimia click și ramura sa bioortogonală se numără printre cele mai importante invenții chimice ale secolului XXI, iar inventatorii lor sunt, cu siguranță, câștigători demni de acest premiu. ■

Curiozitatea de a cunoaște lumea? Pentru a vă bucura de acoperirea noastră științifică care vă extinde mintea, înscrieți-vă la Simply Science, buletinul nostru informativ săptămânal.