Где в клетке спрятаны часы
Соловьи поют днем, цикады вечером, домашние коты почему-то просят поесть с самого утра, а жители Петербурга и Мурманска часто мучаются бессонницей во время белых ночей. В каждом из нас тикают свои биологические часы — но какие именно процессы скрываются за движением их стрелок? Лауреаты Нобелевской премии 2017 года в области физиологии и медицины, американские исследователи Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг на примере мушек-дрозофил смогли разобрать этот механизм по шестеренкам и увидеть: часы спрятаны не только в каждом живом существе, но и почти в каждой клетке нашего организма.
О том, что такое циркадные ритмы, как их не нарушить и можно ли из «совы» переквалифицироваться в «жаворонка», нам рассказала доктор биологических наук, член Европейской ассоциации нейробиологов, профессор Санкт-Петербургского государственного университета Марина Чернышева.
В организме человека и всех живых существ есть специальные сlock-белки - вещества с удивительными функциями, которые синтезируются во всех клетках, имеющих ядро. Они выполняют роль маленьких часиков: часть белков активируется утром, запуская обмен веществ в клетке, другие вечером, тормозя метаболизм. Их взаимодействие проходит цикл от 20 до 28 часов, то есть в среднем около суток. Так и получается циркадианный, или циркадный, ритм (от латинского circa — «около» и dies — «день»).
Исследования сlock-белков начались еще в 70-х годах, когда калифорнийские ученые смогли найти первый из «часовых» генов — period, влияющий на циркадный ритм. Их работу продолжили сегодняшние лауреаты Нобелевской премии Джеффри Холл и Майкл Росбаш из Брандейского университета, а также Майкл Янг из университета Рокфеллера в Нью-Йорке. Исследователям удалось изолировать ген period, а также на примере мушек-дрозофил увидеть, как белок PER, кодируемый этим геном, накапливается ночью и разрушается днем, задавая такт работы множества клеток.
Выяснилось, что механизм клеточных часов есть не только у плодовых мух, но и у человека, растений, животных, цианобактерий и даже у грибов. Если в каком-то из сlock-белков появляются мутации, то нарушаются различные ритмы живого организма: сна и бодрствования, двигательной активности, пищеварения. К примеру, если человек не спит по ночам, это может привести не только к бессоннице или депрессии, но и к диабету второго типа и даже к онкологическим заболеваниям.
Что же влияет на циркадные ритмы? Множество факторов: солнечный свет, изменения магнитного поля Земли, высокие дозы кислорода, разные токсические вещества. Работа ночью, длительные авиаперелеты, смена часовых поясов — все это может сбить с толку хрупкий механизм, однако постараться откалибровать свои клеточные часы все же можно. Важную роль в работе циркадных ритмов играют ретиноиды — производные витамина А, поэтому, чтобы нормализовать сон и бодрствование, стоит почаще есть морковку и другие красные овощи.
За эту особенность тоже ответственны наследуемые гены, поэтому любые попытки сдвинуть период активности, допустим, с 14 часов (как это бывает у «сов») на более раннее время могут закончиться самыми разными проблемами: от бессонницы до нарушений работы головного мозга.
Благодаря открытию циркадных ритмов мы стали понимать один из механизмов возникновения целой группы заболеваний. Получается, что, восстанавливая нормальное взаимодействие между сlock-белками, мы сможем лечить, к примеру, диабет второго типа и другие недуги, причем на генном уровне. Так что исследования нобелевских лауреатов, возможно, станут толчком к новым открытиям — в первую очередь в области медицины.
Как волнуется пространство-время
3 октября в славном полку нобелевских лауреатов-физиков прибыло: Райнер Вайсс, Барри Бариш и Кип Торн совершили открытие, уверенными мазками вписывающее в нашу картину мира то, что Эйнштейн предрекал на бумаге еще сто лет назад — экспериментально доказали существование гравитационных волн. Впрочем, в обнаружении гравитационных волн участвовало еще по меньшей мере 500 ученых — физика перестала быть делом великих одиночек, но Нобелевку по-прежнему получают немногие. Открытие гравитационных волн позволяет нам наблюдать события вселенского масштаба, происходившие в космосе на расстоянии миллиардов световых лет от нас. Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO уже удалось зафиксировать возмущения от слияния двух черных дыр. Сейчас научное сообщество замерло в ожидании доклада о гравитационных волнах от слияния нейтронных звезд.
О том, на что похожи эти небесные возмущения и почему они так важны, нам рассказал Сергей Попов — российский ученый-астрофизик и популяризатор науки, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга.
Было давно понятно, что первые исследователи, которые зафиксируют гравитационные волны, получат Нобелевскую премию — ведь это открытие чрезвычайно важно для физики в целом и для теории гравитации в частности.
Теория гравитации описывает искривления пространства-времени, которое сильнее искажается вокруг компактных массивных тел. Даже от движения моей руки исходят возмущения пространства-времени, но очень слабые. А черные дыры и нейтронные звезды — это идеальные источники гравитационных волн. Они могут сильнее «давить» на пространство-время, потому что очень компактны и обладают большой массой. При столкновении они летят друг другу навстречу почти со скоростью света и на последних стадиях слияния напоминают по форме арахис в скорлупе с двумя орешками внутри, который, вращаясь около общего центра масс, запускает гравитационные волны, расходящиеся подобно кругам на воде после падения камня.
Отдаляясь от эпицентра событий, гравитационные волны сильно ослабевают. Ведь речь идет о слиянии черных дыр, произошедшем на расстоянии около миллиарда световых лет от нас. Тем не менее дошедшая от них до Земли гравитационная волна все еще способна изменять расстояние между любыми свободно висящими в пространстве объектами. Из-за слабости таких возмущений это явление удалось зафиксировать только с помощью суперчувствительных гравитационно-волновых детекторов, над разработкой и реализацией которых трудились новоиспеченные нобелевские лауреаты и их коллеги по проекту LIGO. До этого прямого экспериментального подтверждения существования гравитационных волн не было. Предсказание их Эйнштейном получило надежное обоснование только сейчас.
Что важно, каждый гравитационно-волновой детектор в каком-то смысле работает как телескоп, с помощью которого можно изучать астрономические объекты — уникальный канал информации о нашей вселенной. Например, мы сейчас ожидаем, что в течение пары недель LIGO расскажет о первом слиянии нейтронных звезд. Лучший способ узнать, что находится внутри нейтронной звезды, — поломать ее другой нейтронной звездой или черной дырой. Забавно, что это явление космических масштабов очень важно для ядерной физики, изучающей явления микромира. Ведь один из главных ее вопросов — как ведет себя вещество в условиях сверхвысокой плотности, а они как раз есть в черных дырах и нейтронных звездах.
Думаю, это не последняя Нобелевская премия за гравитационные волны, потому что есть еще много задач по изучению гравитации. Например, если повысить чувствительность детекторов, можно попробовать получать информацию об устройстве черных дыр, фиксируя гравитационно-волновой сигнал, отраженный от их горизонта.
Что действительно было интригой — какая именно тройка людей будет номинирована на премию. Важную роль в презентации первых результатов играла Габриэла Гонсалес — профессор физики, одна из лидеров проекта LIGO. Многие считали, что она обязательно попадет в тройку. Но нет. Думаю потому, что она заметно моложе коллег, получивших премию. Гонзалес всего 52 года — еще самый расцвет в этой области науки. И премии у LIGO еще будут.
Зачем замораживать молекулу
4 октября стали известны имена лауреатов Нобелевской премии по химии — Жак Дюбоше, Иоким Франк и Ричард Хендерсон. Эти ученые разработали метод криоэлектронной микроскопии, позволяющий установить точную пространственную структуру биомолекул, таких как белки. Эти огромные молекулы сворачиваются в сложные пространственные формы, определяющие их свойства и функции в организме.
Суть метода состоит в том, чтобы поместить под электронный микроскоп очень тонкую пленку образца, содержащего интересующий ученого биообъект, стараясь не оказывать воздействия на его структуру (например, окрашиванием). Такую тонкую пленку получают нанесением раствора образца на металлическую решетку. Затем эта решетка с раствором подвергается воздействию низких температур, на работу с которыми в данном методе намекает приставка «крио-».
Есть природное явление, которое известно почти каждому: если в заморозку положить закрытую бутылку, доверху наполненную водой, ее обязательно разорвет. Так как жизнь на Земле преимущественно состоит из воды, то же самое случится и при обычной заморозке любой живой ткани: мембраны клеток, составляющих эту ткань, просто разорвутся, а значит, увидеть биообъект в его первозданном виде уже не получится.
Но с пленкой на решетке все интереснее. Сначала ее погружают в жидкий этан. Его температура — около –180 градусов Цельсия. При этой температуре молекулы воды замерзают так быстро, что не успевают выстроиться в привычную им структуру льда, который мог бы расшириться и испортить образец. Получается пленка (а точнее, уже некое подобие стекла), очень тонкая — порядка 500 нм. При наличии соответствующего оборудования ее можно даже разрезать еще на несколько слоев. Далее образец исследуется в жидком азоте, при температуре –197 градусов Цельсия. Пучок электронов от микроскопа просвечивает каждый из этих слоев, а у ученых, будто пирамидка, складывается трехмерная модель структуры исследуемого объекта. Причем благодаря такой быстрой заморозке этот объект помещается в микроскоп именно в том виде, в каком существует в реальности, в живом организме.
Помимо получения трехмерной модели сложных молекулярных структур у этого метода немало других применений. Одно из направлений развития нанотехнологий — исследование явления «самосборки»: когда несколько молекул в растворе формируют более сложные структуры в зависимости от своего строения и условий среды, определяя тем самым свойства этого раствора, такие как вязкость. Меняя условия, можно изменить форму этих структур, а значит и свойства самого раствора. Отслеживать изменения таких структур также можно с помощью метода криоэлектронной микроскопии.
Как бы то ни было, самая впечатляющая возможность, которую открывает перед человеком данный метод, кроется именно в получении 3D-модели исследуемой молекулы с достаточно четким разрешением, чтобы можно было понять ее структуру. Буквально замораживая эту молекулу именно в том виде, в каком она существует в организме, ученые получают недоступную другими методами информацию о том, как устроен наш внутренний мир. Потому и метод, разработанный лауреатами Нобелевской премии по химии за 2017 год, настолько важен для мира научного.
О том, как научный мир воспринял присуждение Нобелевской премии по химии, нам рассказала Ольга Соколова, профессор РАН, доцент биологического факультета МГУ.
Разница между Швецией и восточным побережьем Америки — шесть часов. Имена лауреатов стали известны, когда в США глубокая ночь, но научный мир не спал и караулил результаты. Первый комментарий в листе рассылки по трехмерной электронной микроскопии был из Университета Вирджинии: «Поздравляю! Давно пора!»
Я согласна с этим комментарием — действительно, за криоэлектронную микроскопию надо было дать Нобелевскую премию уже давно. Лауреаты 2017 года по химии опубликовали свои прорывные результаты в конце 1980-х — начале 1990-х.
Основное преимущество метода криоэлектронной микроскопии в том, что он позволил буквально в последние три-четыре года получить структуры макромолекул с атомным разрешением. Раньше это приходилось делать гораздо сложнее, с помощью рентгеноструктурного анализа. Кроме этого, современные модификации обработки изображений позволили получить реконструкции молекул в различных физиологических состояниях, собирая более миллиона частиц.
