Загадки асимметрии

Стереть память светом

В области физиологии и медицины в центре внимания оказалась оптогенетика — метод, который позволяет показать, как нервные клетки формируют воспоминания, чувства и поведение в живом мозге.

В начале 2000-х Петер Хегеманн и Георг Нагель обнаружили в одноклеточной водоросли хламидомонаде, способной плыть к свету, удивительный белок — канальный родопсин. При освещении синим светом в нем открывается канал, через который заряженные ионы проникают в клетку, создавая электрический импульс. Позднее выяснилось, что клетки, в которые был помещен белок, становились светочувствительными независимо от типа. В 2005 году Карл Дейссерот внедрил ген канального родопсина в нервные клетки крыс и, освещая их синим светом, смог вызвать нервный сигнал. А два года спустя добился того, чтобы управляемый светом переключатель нервных клеток работал в мозге живых мышей. Именно с этого открытия началась новая эра в нейробиологии, а метод управления нервными сигналами с помощью света стал называться оптогенетикой. «Это открывает такие возможности для картирования мозга, о которых раньше мы могли только мечтать», — говорит Пер Свеннингссон, председатель Нобелевского комитета по физиологии и медицине.

С помощью оптогенетики исследователи теперь выявляют нейронные цепи, которые отвечают за определенные воспоминания, чувства и модели поведения, связанные с неврологическими и психическими расстройствами. В клинической медицине оптогенетика используется для восстановления зрения у людей с нарушением зрительной функции.

Успехи в этой области есть и у российской науки. «С помощью оптогенетического метода можно затормозить или активировать большую область, а можно наоборот — сделать очень тонкое оптоволокно, подвести его к конкретному нейрону и активировать или затормозить этот нейрон, — отмечает директор Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН Алексей Малышев. — Мы активно применяем оптогенетику в своих исследованиях. Например, предъявляем мышам зрительные стимулы. У нейронов в зрительной коре есть свои преференции. Для одного нейрона определенный стимул будет оптимальным, для другого — нет. Оказалось, что если показывать мыши неоптимальный для конкретного нейрона стимул и в момент демонстрации производить оптогенетическую стимуляцию данного нейрона (в терминах психофизиологии и выработки условных рефлексов это называется подкреплением), то через некоторое время можно вызвать пластические перестройки в одном-единственном нейроне: изменить предпочитаемую ориентацию стимула. Если говорить совсем просто, мы меняем памятный след в одном нейроне — и создаем искусственное воспоминание».

Если показывать мыши определенный стимул и в этот момент производить оптогенетическую стимуляцию нейрона, можно изменить памятный след в этом нейроне, то есть создать искусственное воспоминание

Поймать нейтрино у черной дыры

Премию по физике получил бельгийско-американский астрофизик, профессор Университета Висконсина-Мэдисона Фрэнсис Хальцен «за решающий вклад в работу нейтринной обсерватории IceCube и открытие высокоэнергетических нейтрино астрофизического происхождения». Еще в конце 1980-х ученый выяснил, что лед на Южном полюсе можно использовать для отслеживания нейтрино — нейтральных элементарных частиц, которые почти не взаимодействуют с веществом, но дают вспышки света при крайне редких столкновениях с ядрами атомов. В 1990-е годы были предприняты первые попытки зафиксировать такие вспышки датчиками, встроенными в прозрачный антарктический лед. А в 2005 году Университет Висконсин-Мэдисон при поддержке Национального научного фонда США начал строить нейтринную обсерваторию IceCube — сейчас это 5160 оптических модулей, размещенных в толще льда. В 2013 году обсерватория впервые зафиксировала нейтрино сверхвысоких энергий, открыв тем самым новые возможности для изучения Вселенной.

«Это был прорыв в понимании процессов ускорения вещества и физических механизмов в окрестностях сверхмассивных черных дыр, — пояснила “Моноклю” Евгения Кравченко, старший научный сотрудник отдела плазменной астрофизики Пущинской радиоастрономической обсерватории АКЦ Физического института им. П. Н. Лебедева РАН. — Открытие перевело нейтринную астрономию из теоретической области в наблюдательную науку. С появлением телескопов, которые регистрируют десятки подобных событий в год, астрономия стала как многоволновой, так и многоканальной — мультимессенджерной. То есть космические и астрономические события теперь можно исследовать с помощью разных типов сигналов: в электромагнитном спектре, гравитационными волнами, космическими лучами и нейтрино».

После IceCube появилось еще несколько крупных нейтринных проектов, в том числе подводные телескопы Baikal-GVD, расположенный в озере Байкал на глубине 1300 метров, и KM3NeT на дне Средиземного моря. В настоящее время все они работают в рамках Глобальной нейтринной сети — объединения установок для поиска источников нейтрино и получения более полной картины неба. В ближайшем будущем планируется ввести в строй телескопы SKA в Австралии и ЮАР и ngVLA в Северной Америке — с их помощью можно будет искать объекты в десятки раз слабее тех, которые ученые исследуют сейчас.

Практический смысл поисков нейтрино хорошо описан в научной фантастике: это, например, нейтринный маяк, который поможет обнаруживать следы замаскированных кораблей или даже внеземных цивилизаций

В России Астрономический центр Физического института им. П. Н. Лебедева РАН реализует еще и национальный проект по поиску загадочных космических частиц. Благодаря новой обсерватории «Миллиметрон», строительство которой должно быть завершено к 2030 году, ученым удастся исследовать окрестности сверхмассивных черных дыр с невероятным угловым разрешением. Изучая структуру аккреционных дисков и релятивистских струй, астрофизики сумеют лучше понять механизмы ускорения частиц, которые в итоге порождают нейтрино. Практический смысл поисков нейтрино, как отмечает Евгения Кравченко, хорошо описан в научной фантастике: в частности, там упоминается нейтринный маяк, позволяющий держать связь на больших расстояниях, обнаруживать следы замаскированных кораблей или даже внеземных цивилизаций.

Разделить неделимое

Награду в области химии получили Анри Каган из Франции и Кенсо Соаи из Японии за «открытие нелинейных эффектов и автокатализа в асимметрическом органическом синтезе». Ученым удалось разгадать химическую загадку, которой уже более века: как гомохиральность — свойство природы использовать молекулы только определенной пространственной ориентации — может возникать спонтанно. Дело в том, что некоторые молекулы, например аминокислоты, существуют в двух вариантах, выступающих зеркальными отражениями друг друга. Однако живые организмы содержат только одно из этих отражений.

«Работы Анри Кагана и Кенсо Соаи посвящены оптическим изомерам аминокислот. Из аминокислот состоят не только белки, но и главные хранители генетического кода — ДНК и РНК. Поэтому критически важно создавать их правильно, — рассказывает Сергей Карлов, и. о. декана химического факультета МГУ. — Изомеры — это варианты молекул, которые имеют одинаковый атомный состав, но различаются порядком соединения атомов, что напрямую влияет на их свойства. Оптические изомеры, в свою очередь, подобны левой и правой руке. Вы не можете совместить их, потому что они зеркально отражают друг друга. Но любой из этих изомеров можно совместить с отражением другого».

Чтобы представить все сказанное наглядно, можно скатать из пластилина пять пар шариков (каждая пара — одного цвета) и соединить их палочками так, чтобы получились две одинаковые тригональные пирамиды. А потом в одной из пирамид поменять местами два любых шарика — получатся зеркальные изомеры.

Спустя сто лет ученые нашли способ получить один изомер, не получая при этом его токсичное «отражение»

«Если мы говорим о соединениях для новых лекарств, то если один из изомеров полезен, то второй либо неактивен, либо даже вреден, — поясняет Сергей Карлов. — А разделять их очень сложно, ведь физические свойства таких соединений практически идентичны. Ученые более сотни лет искали способ получения только одного изомера, без токсичного “отражения”. Каган и Соаи решили проблему и тем самым открыли путь для синтеза огромного количества биологически активных веществ, ставших основой современных препаратов для лечения и профилактики широкого спектра заболеваний».