Шведский конкурс инноваций1

Нобелевскими премиями этого года, по сути, награждены инновационные проекты — научные открытия лауреатов были превращены в реальные технологии, которые по большей части уже выведены на рынок

Шведский конкурс инноваций Нобелевская премия,Из жизни Евросоюза

Лауреатов в трех естественно-научных номинациях смело можно причислить к разряду выдающихся методологов-экспериментаторов. Создание прорывных нокаутирующих технологий в генетике, открытие квантово-механических эффектов на наноуровне в физике и детальная проработка базовых механизмов важнейших промышленных реакций в химии — все эти весьма далекие друг от друга научные достижения были сделаны благодаря высочайшей экспериментальной квалификации ученых и их умению находить нестандартные методики для решения научных задач, требующих особой креативности мышления.

Мыши стали моделями

Нобелевская премия 2007 года по физиологии и медицине присуждена ученым из США — Марио Капеччи и Оливеру Смитису и Великобритании — Мартину Эвансу за открытие принципов внедрения специфических модификаций генов у мышей с помощью эмбриональных стволовых клеток. Проще говоря, этот метод позволяет «выключать» гены или вносить в них изменения, а в результате получать информацию, как это влияет на организм или на формирование генетических заболеваний. Модели заболеваний, созданные с применением этого метода, позволяют понять биохимию и физиологию наследственных патологий и помогают формированию принципиально новых подходов к их лечению.

Многие эксперты отмечают, что прорывные работы, связанные со стволовыми клетками, до сих пор не удостаивались высокого внимания и оценки. Нобелевский комитет, можно сказать, проявил смелость, большую, к примеру, чем правительства США и Великобритании, которые не захотели лет тридцать назад дать гранты на эти работы, сочтя их слишком амбициозными. Сейчас же эта технология, уже значительно усовершенствованная, приносит пользу как практической медицине, так и фундаментальным изысканиям на тему «как устроена жизнь».

«В отмеченной Нобелевским комитетом технологии слиты две идеи: одна о том, как лучше всего производить изменения в геноме с помощью эмбриональных стволовых клеток, вторая — как производить эти изменения в нужном месте генома», — рассказывает завлабораторией генетической инженерии клеток центра «Биоинженерия» РАН Егор Прохорчук.

В современной биологии эта технология сейчас известна как направленная инактивация, или «нокаут» генов. Установлено, что в организмах млекопитающих лишь несколько процентов генома — это гены, кодирующие белки. Многие функции белков уже изучены, но не все. Для того чтобы уяснить функции конкретных белков, ученые «нокаутируют» (выключают) отдельные гены. Кроме этого ген в ДНК можно заменить мутантным геном, чтобы понять механизмы генетических заболеваний и попытаться подобрать к «поломкам» ключи. Поскольку геномы мыши и человека содержат примерно одинаковое число генов, а сходство последовательностей составляет около 90%, мыши — отличные модельные животные. Еще одной причиной использования мышей является возможность изолировать их эмбриональные стволовые клетки, в которых любой ген можно подвергнуть модификации.

Мартин Эванс первым в мире «потрогал руками» мышиные эмбриональные стволовые клетки. Эванс выделил их в 1974 году. Произошло это почти случайно. Ученый работал с мышиными клетками карциномы. Он знал, что раковые клетки бессмертны, и хотел вывести чистую линию таких эмбриональных раковых клеток, которыми можно было бы манипулировать в культуре — что-то в них изменять, а затем контролировать и отбирать нужные. И в дальнейшем с помощью этих измененных клеток производить трансгенез — встраивать их в животных. До этого для трансгенеза использовалась технология, при которой нужный ген с помощью вектора вставлялся в оплодотворенную яйцеклетку, а затем модифицированная яйцеклетка встраивалась в суррогатную самку. Проблемы было две: первая — нужный ген встраивался совершенно случайно в разные места генома, и для того, чтобы получить животное с нужными признаками, было необходимо проделывать десятки тысяч опытов. Вторая проблема — модифицированную оплодотворенную яйцеклетку невозможно было контролировать, результаты можно было увидеть лишь после рождения потомства. Эта методика была малоэффективна и чудовищно дорога.

Эванс считал, что куда удобнее использовать для трансгенеза эмбриональные раковые клетки. «Он внедрял эти клетки в бластоцисту (начальная стадия плода) мыши. Потом эта бластоциста подсаживалась суррогатной самке, — рассказывает Егор Прохорчук. — Но эти исследования прервались, поскольку у мышей не образовывались сперматозоиды и они быстро умирали от множественных опухолей».

Казалось, идея провалилась. Однако по ходу этих опытов Эванс заметил, что в тех клетках, которые он извлекал из мышиных эмбрионов, были не только раковые, но и клетки без молекулярных раковых маркеров — при этом очень похожие по структуре и поведению на раковые. Он их выделил в самостоятельную культуру и провел опыты с ними. Это и были здоровые эмбриональные стволовые клетки (ЭСК). Опыты подсаживания в бластоцисту этих эмбриональных клеток позволили получить здоровое потомство. И Эванс понял, что именно эмбриональные стволовые клетки, а вовсе не раковые, могут стать очень удобным инструментом для получения модельных организмов с желаемыми генными изменениями. Тогда он встроил в ЭСК ретровирус в качестве маркера (сигнальной метки) и в конце вереницы опытов (см. схему) получил мышат с ретровирусами. Проверив, что методика работает, Эванс вставил в ЭСК мутантный ген одной из нейродегенеративных болезней и получил линию больных мышей.

Фото: AP

Но в этих манипуляциях внедряемый ген встраивался случайным образом. Нужно было придумать, как мутантный ген вставить точно в то место, где сидит его здоровый «собрат».

К этому времени (конец восьмидесятых) как раз подоспели работы Марио Капеччи и Оливера Смитиса. Они также, независимо друг от друга, искали способ направленного изменения генома и разработали метод так называемой гомологичной рекомбинации. Сначала оба начинали работать со взрослыми соматическими клетками, в ядро которых встраивали конструкцию (вектор) с нужным геном, к примеру, устойчивости к антибиотику. Этот ген должен был «выбить» или нокаутировать ген из клеточной ДНК. Для этого придумывалась специальная конструкция, которая должна была найти нужное место с помощью последовательностей, идентичных (или гомологичных) окружению гена — кандидата на выбивание. «Эти последовательности мы называем “плечами”, — говорит Прохорчук. — Когда вектор встраивается в нужное место, происходит так называемая гомологичная рекомбинация, в результате которой ген устойчивости к антибиотику из вектора меняется местами с геном-жертвой. При этом ген-жертва из ДНК выбрасывается. Если же вектор встраивается в постороннее место, такая рекомбинация не происходит». Далее отбирались клетки, в которых произошла гомологичная рекомбинация, но для этого нужно было проверить тысячи, а то и десятки тысяч клеток. Заковыка была в том, что в процессе гомологичной рекомбинации участвует множество «помощников», которые сначала перекручивают участки вектора с клеточной ДНК, потом их разрезают и склеивают. Во взрослых соматических клетках эта бригада помощников работает крайне вяло. Когда ученые попробовали те же опыты с раковыми клетками, получилось лучше. Ну а с эмбриональными стволовыми — еще лучше. Там «помощники» очень активны.

Таким образом соединились две технологии — культивирования ЭСК, которые можно модифицировать, разработанная Эвансом, и гомологичной рекомбинации от Капеччи и Смитиса. По словам Капеччи, новая технология в десятки тысяч раз удешевила создание организмов с направленными мутациями. В мире уже выведено более 500 линий — моделей многих человеческих заболеваний: сердечно-сосудистых, нейродегенеративных, онкологических, а также диабета, на базе которых отрабатываются новые фармпрепараты.

Герои магнитного сопротивления

Нобелевская премия по физике 2007 года присуждена французу Альберу Ферту, директору физического подразделения Национального центра научных исследований (CNRS, Орсэ), и немцу Петеру Грюнбергу, профессору Исследовательского центра Юлиха, за открытие эффекта гигантского магнетосопротивления (Giant Magnetoresistance, сокращенно — GMR).

Руководитель лаборатории исследования магнитных свойств физического факультета МГУ Николай Перов, неоднократно лично общавшийся с нынешними нобелевскими лауреатами, отметил: «И Ферт, и Грюнберг — ученые высочайшей квалификации, имеющие в своем послужном списке, помимо упомянутого в официальной формулировке нобелевского комитета открытия, целый ряд других значимых научных результатов. Присужденная им премия — абсолютно заслуженная награда, более того, меня, честно говоря, несколько удивляет, что Шведская академия так долго тянула с этой Нобелевкой: колоссальное практическое значение GMR стало очевидным еще десять лет назад, когда в массовое промышленное производство были запущены первые жесткие магнитные диски, работающие на базе открытого ими в 1988 году нового физического эффекта».

Физическая Нобелевка 2007 года — это одна из первых премий, полученных пионерами столь популярного сегодня во всем мире обширного нанотехнологического кластера. Именно благодаря открытию, сделанному почти два десятилетия назад независимо друг от друга Фертом и Грюнбергом, миллионы нынешних пользователей персональных компьютеров получили резко возросшую емкость винчестеров, исчисляемую не мегабайтами, а сотнями и даже тысячами гигабайтов, а любители миниатюрных устройств для хранения и воспроизведения музыки, графики и видео в сжатых форматах избавились от необходимости постоянно соизмерять свои аппетиты с ограничениями, накладываемыми размерными характеристиками этих носителей информации.

Как отмечается в научном комментарии Шведской академии наук к присуждению Нобелевской премии 2007 года, за прошедшие с середины XIX века сто с лишним лет науке не удалось сколько-нибудь серьезно продвинуться в повышении эффективности магниторезистивных материалов. Сделать качественный и количественный прорыв современной физике удалось лишь после того, как она наконец научилась получать композитные материалы с сверхминиатюрными размерами. Как отметил Николай Перов, «ситуация резко изменилась, после того как были разработаны экспериментальные технологии напыления идеально плоских пленок с толщинами в несколько нанометров и четкими границами, минимизирующими диффузию посторонних веществ».

Гигантское магнетосопротивление, экспериментально открытое Фертом и Грюнбергом, — это резкое изменение под воздействием внешнего магнитного поля электрического сопротивления композитных материалов, состоящих из чередующихся сверхтонких (нанометровых) слоев различных металлов (ферромагнетиков, немагнитных металлов или диэлектриков). Группа Ферта, работавшая с многослойными нанокомпозитами (количество различных слоев железа и хрома в их экспериментах доходило до трех с лишним десятков) при сверхнизких температурах (4,2 К, или -269 °C ) и с очень мощными внешними магнитными полями, смогла установить падение сопротивления этих систем до 50%. Грюнбергу и его коллегам в Юлихе, изучавшим в сходных условиях трехслойные композиты (Fe-Cr-Fe), удалось обнаружить падение сопротивления лишь на 10%.

В физической основе нового эффекта GMR лежит обменное взаимодействие между электронами d-оболочек атомов, которое и приводит к появлению спонтанной намагниченности в системе. Это взаимодействие оказывает сильное влияние на динамику электронов: происходит расщепление электронных энергетических зон на т. н. спиновые подзоны. Как известно, спин — собственный момент количества движения различных элементарных частиц, имеющий квантовую природу; важнейшей характеристикой спина электронов является магнитный момент. При спонтанной намагниченности образующиеся электронные спиновые подзоны — это области, соответствующие группам электронов со спиновым магнитным моментом, направленным параллельно вектору спонтанной намагниченности («вверх»), и электронам с магнитным моментом, направленным антипараллельно этому вектору («вниз»).

Таким образом, Ферт и Грюнберг экспериментально продемонстрировали, что электронный ток в ферромагнитном металле поляризован по спину. В свою очередь, поляризация тока обеспечила принципиальную возможность управления переносом спинов в ферромагнитных структурах с помощью внешних магнитных полей, и в современной науке возникло новое перспективное направление — спинтроника.

Фото: AP

Ключевая особенность обменного взаимодействия, обуславливающего эффект GMR, — его короткодействующая природа: характерный пространственный масштаб здесь составляет всего около 10 нм. Именно благодаря этой особенности использование спиновых эффектов открыло дорогу дальнейшей миниатюризации электронных приборов и существенному повышению плотности магнитной записи информации.

Однако базовый метод, использованный в революционных экспериментах групп Ферта и Грюнберга (искусственное выращивание тонких однородных кристаллических слоев металлов), отличался повышенной трудоемкостью и дороговизной и поэтому был непригодным для применения в промышленном производстве сверхплотных магнитных носителей информации.

Практическую доработку методики осуществили в 90-х годах Стюарт Паркин из Альмаденского исследовательского центра корпорации IBM (Сан-Хосе, США) и его коллеги Кевин Роч и Брюс Герни. Они применили более простой метод последовательного напыления, который и позволил получать наноразмерные металлические слои в нужных количествах уже при комнатной температуре. В 1997 году IBM первой приступила к промышленному производству жестких дисков, основанных на использовании эффекта GMR с рекордной для того времени емкостью 16,8 Гб, и уже к началу XXI века эта технология стала базовой.

Обнаруженный Фертом и Грюнбергом эффект — образец сверхпродуктивного взаимодействия фундаментальной и прикладной составляющих современной науки. Причем в данном случае четко прослеживается и еще одна ее красивая особенность: все теснее переплетаются дисциплины, еще недавно казавшиеся мало связанными друг с другом. Рождение нанотехнологий стало важнейшей предпосылкой открытия GMR, открытие GMR, в свою очередь, послужило мощным стимулом развития перспективнейшего научного направления — спинтроники, и, наконец, уже спинтроника сегодня предлагает нанотехнологическому кластеру богатый арсенал идей и решений, которые могут найти практическое применение в материалах, приборах и устройствах будущего.

Удобрения и выхлопы

Главным химиком 2007 года Шведская академия наук признала 71-летнего немца Герхарда Эртля. Эртль был удостоен высшей научной награды за «исследования химических процессов, происходящих на поверхностях твердых материалов».

Обсуждая химическую Нобелевку, целый ряд специалистов отметил, что, несмотря на всю значимость научных достижений Герхарда Эртля, отсутствие на призовом подиуме-2007 других его коллег по исследованиям в области химии поверхностных явлений (в частности, неоднократно упоминается имя американца венгерского происхождения Габора Соморьяи) не слишком понятно. Если же учесть, что химия поверхностных явлений в последний раз удостаивалась внимания Нобелевского комитета аж 75 лет назад (в 1932 году премию получил знаменитый американский ученый Ирвинг Ленгмюр, внесший большой вклад в исследование процессов абсорбции и поверхностного натяжения, а также в изучение поведения тонких покрытий жидких и твердых тел), выбор Эртля в качестве «солиста» нынешнего года и вовсе кажется странным.

Впрочем, справедливости ради, отметим и другое: после длительного чередования в призовых списках прошлых лет представителей интердисциплинарной биохимии (и отчасти физхимии) почетная награда наконец досталась «чистому химику». Герхард Эртль — один из основоположников современной химии поверхностных явлений, выдающийся экспериментатор и методолог, на протяжении нескольких десятилетий кропотливо исследовавший природу химических процессов, происходящих на границах раздела трех фазовых состояний вещества — твердого, жидкого и газообразного.

По мнению Владимира Собянина, ректора Новосибирского государственного университета, много лет работавшего в области химии поверхностных явлений, Герхарда Эртля можно считать живым классиком химического эксперимента. Эртль сумел стать законодателем мод в этой области прежде всего благодаря детально отработанной за многие годы экспериментальной методологии исследований. В частности, полноценное описание реакций, протекающих в пограничных слоях, требовало создания совершенно новых установок — для получения высокого вакуума, сверхчистых поверхностей, разработки инструментов, позволяющих работать с отдельными тонкими слоями атомов и молекул и т. д.

Наибольший вклад Эртль внес в исследования так называемого процесса Хабера-Боша (ПХБ), базового каталитического процесса в промышленном производстве искусственных удобрений, богатых азотом. Массовый выпуск удобрений на базе ПХБ был налажен в промышленности уже во втором десятилетии прошлого века (изобретатель процесса Фриц Хабер в 1918 году удостоился Нобелевской премии по химии за синтез аммиака, а Эртль вплоть до 2004 года был директором берлинского Института имени Фрица Хабера), на эту тему было выполнено множество научных работ, однако лишь спустя более чем полвека благодаря Герхарду Эртлю, с середины 1970-х годов вплотную занявшемуся данной проблематикой, современная химия наконец смогла получить детальное научное объяснение того, как работает ПХБ.

Основа ПХБ — соединение азота с водородом и образование аммиака, но для успешного осуществления этой реакции необходим катализатор. Таким катализатором является высокодисперсное железо: реакция происходит на его поверхности (сначала атомы азота и водорода прикрепляются к этой поверхности и лишь затем реагируют друг с другом).

Ключевой вопрос, над разрешением которого многие годы бился Герхард Эртль, заключался в определении основного замедлителя ПХБ и возможных способов ускорения данного процесса. Немецкий химик экспериментально установил, что наиболее проблемный этап ПХБ — это разделение молекул азота на составляющие их атомы (когда атомы азота становятся свободными, они относительно легко и быстро взаимодействуют с водородом). Далее Эртль выяснил, что для ускорения разделения молекулярного азота необходимо добавить в процесс еще один катализатор — калий, и подробно теоретически обосновал, за счет чего при этом достигается дополнительный эффект.

Другое важнейшее направление его научной деятельности, также имевшее колоссальное прикладное значение, связано с исследованием процесса окисления моноксида углерода (угарного газа СО) на платиновых металлических поверхностях — химической основы работы каталитических нейтрализаторов выхлопных газов автомобильного двигателя. Эртль детально изучил и этот процесс и установил многие его динамические особенности, в том числе нелинейный характер ряда составляющих этапов.

Статьи на тему: «Нобелевская премия»