Nobelovy příčiny

George Smootovi zazvonil 3. října těsně před třetí hodinou ráno telefon a hlas se švédským přízvukem mu oznámil, že získal Nobelovu cenu za fyziku za rok 2006. Ale kosmolog byl skeptický.

Tato mapa teplotních změn ve 14 miliard let staré radiaci byla nazývána dětským obrázkem vesmíru. Získala také Nobelovu cenu za George Smoota ’66, PhD ’70. Pro fotografie Smoota a Andrewa Fire, PhD ’83, kteří také získali Nobelovu cenu za rok 2006, klikněte na multimediální odkaz níže.

Ostatně v jeho rodině se vyskytuje sklon k žertování. Oliver R. Smoot ‘62, který stanovil standard měření pro Harvard Bridge (364,4 smootů a ucho), je vzdálený příbuzný. A sám Smoot si stále živě vybavuje, že hrál praktický vtip na svého poradce pro diplomovou práci, profesora fyziky MIT Davida Frische. Po noční směně Smoot a přítel předstírali, že napilovali vzácný kus osmia, aby se vešlo do magnetu pro experiment. Když Frisch vstoupil do laboratoře a uviděl rozházené kovové třísky, chytil se hrůzou za srdce, vzpomíná Smoot. Proto jsem měl strach, když mi uprostřed noci zavolal telefon, říká. Vím, že studenti umí hrát žerty!

Ale hovor ze Švédska nebyl žádný žert. Smoot a další absolvent MIT, Andrew Z. Fire, se připojili ke skupině 61 dalších významných absolventů, profesorů a poboček MIT, když každý z nich získal v roce 2006 Nobelovu cenu. Oba změnili způsob, jakým se ve svých oborech dělá věda.

Andrew Z. Fire, PhD ‘83, získal cenu za medicínu za to, že pomohl odhalit detaily přirozeného mechanismu umlčování genů zvaného interference RNA. Ačkoli převratný objev přišel teprve před osmi lety, indukce interference RNA je nyní běžnou laboratorní technikou, která biologům pomáhá určit funkce jednotlivých genů. Terapie, které využívají interferenci RNA k boji proti lidským chorobám, jako je makulární degenerace, jsou již v klinických studiích.

Multimédia

• Fotografie Smoot and Fire

George Smoot ‘66, PhD ‘70, vyhrál cenu za fyziku. Spoluvedl výzkumný tým za družicí COBE NASA, která provedla první kvantitativní měření počátečních podmínek vesmíru. Smootova mapa malých teplotních změn v kosmickém záření z roku 1992 pocházejících z doby asi před 14 miliardami let je kouřící pistolí teorie velkého třesku. Předpokládá se, že nepatrné fluktuace zaznamenané Smootem ukazují místní koncentrace energie – semen – kolem kterých se hmota sloučila do kup galaxií, které tvoří dnešní vesmír.

Gene Silencer: Andrew Fire

Před rokem 1998 byla identifikace funkce daného genu pracným procesem, o jehož úspěchu rozhodovalo z velké části štěstí. Výzkumníci našli buňky nebo organismy s mutovanými kopiemi genu a ze ztracených funkcí odvodili to, co normální gen. Nebo se pokusili vyvolat mutace v buňkách v laboratoři, technika hit-or-miss, která v lidských buňkách většinou chyběla. Nyní, díky objevu RNA interference (RNAi), mohou biologové v podstatě vypnout jednotlivé geny v laboratoři. Je to podobné, jako když přepnete vypínač, abyste změnili barvu několika žárovek v řadě milionů.

Pochopení interference RNA radikálně změnilo způsob, jakým děláme buněčnou biologii a rozumíme nebo zkoumáme buňky, říká Phillip Sharp, profesor institutu Centra pro výzkum rakoviny MIT a sám nositel Nobelovy ceny. Z pozice, kdy jsme neměli obecný přístup ke zkoumání funkce genů, jsme přešli k možnosti umlčet gen, abychom se zeptali, co dělá. Každý časopis, na který se podíváte, jeden nebo více nebo všechny články v něm využívají tuto technologii. Byl to skutečně zásadní pokrok.

Fire, nyní profesor patologie a genetiky na lékařské fakultě Stanfordské univerzity, sdílí Nobelovu cenu s Craigem Mellem, nyní profesorem molekulární medicíny na lékařské fakultě University of Massachusetts, za objev mechanismu umlčování genů.

Fire přišel na MIT jako 19letý postgraduální student, který se specializoval na matematiku na University of California v Berkeley. Zatímco se účastnil toho, čemu říká Berkeleyův intelektuální smorgasbord, setkal se s molekulární biologií a byl nadšený. Deset let předtím, než Sharp získal Nobelovu cenu, pracoval Fire ve své laboratoři na MIT. Jako student provedl Fire několik důležitých raných výzkumů biochemie kontroly genové exprese v lidských buňkách, vzpomíná Sharp. Zahájilo to dalších 15 let práce v mé laboratoři a ostatních.

Než Fire a Mello publikovali svůj průlomový dokument, bylo známo, že RNA má více rolí, ale primárně byla považována za prostředníka DNA, posla, který převádí geny na proteiny. Vědci však věděli, že když je RNA vstříknuta do organismu, někdy může zabránit produkci proteinů a umlčování genů.

Tento jev se ale nepodařilo spolehlivě reprodukovat, takže nebylo jasné, jaká forma RNA je za něj zodpovědná. Byla to sense RNA, která sleduje sekvenci messenger RNA, která kóduje specifický protein? Byl to komplement sense RNA, antisense RNA? Nebo to byla dvouvláknová kombinace těchto dvou?

Fire a Mello spolupracovali na řadě přísných experimentů s použitím červa háďátka zvaného C. elegans určit, zda sense, antisense nebo dvouvláknová RNA způsobila umlčení genu. Aby od svých testovaných subjektů vyvolali silné viditelné signály, pracovali s genem, který pomáhá udržovat normální svalové kontrakce C. elegans : kdyby byl gen umlčen, červi by sebou cukali. Když vědci vstříkli červům čistou smyslovou nebo čistou antisense RNA, nic se nestalo. Ale když vstříkli dvouvláknovou RNA, červi sebou škubali. Fire a Mello došli k závěru, že RNA musí být dvouvláknová, aby gen umlčel.

Pár publikoval tyto výsledky spolu s dalšími pozorováními o RNAi v Příroda v roce 1998. Pochopení, že klíčem k umlčení byla dvouvláknová RNA, je důvodem, proč obdrželi [Nobelovu] cenu, říká Sharp. Následný výzkum Firem, Mello, Sharpem a dalšími prokázal molekulární fungování RNAi, o které je nyní známo, že se vyskytuje ve většině organismů.

U lidí, u jiných zvířat a dokonce i u rostlin je RNA normálně přítomna jako jednovláknová. Fire a další v oboru se domnívají, že RNAi se pravděpodobně vyvinul jako obrana proti virům. Když buňka uvidí dvouvláknovou RNA, její první reakcí je rozsekat ji na kousky, což je pochopitelné vzhledem k tomu, že dvouvláknová [virová] RNA je [často přítomná], když se viry replikují, vysvětluje Fire.

Ale buňka jde ještě o krok dál. Nejen, že to chce rozsekat, ale chce jít a najít cokoli, co to vypadá, pro případ, že by mu chyběla nějaká RNA. Takže [molekula v] buňce vezme kousky RNA, které byly nasekány, a začne hledat věci, které jsou podobné. Pokud něco najde, rozseká to.

Tím něčím by mohla být vlastní messengerová RNA buňky. Když je jeho posel zničen, gen je umlčen.

Teoreticky, říká Sharp, RNAi může umlčet jakýkoli gen – od genů invazního viru až po gen, díky kterému se předpokládá, že protein způsobuje Parkinsonovu chorobu. Díky tomu je terapeuticky slibná. Sharp a další výzkumníci založili společnosti pro komercializaci RNAi léků. Pokud byste mohli dostat RNA do cíle [tkáně], mohli byste mít opravdu skvělé terapeutika, říká Fire.

Alnylam, společnost Sharp spoluzaložená v Cambridge, MA, nyní provádí klinické zkoušky léku na respirační virus RSV; Acuity Pharmaceuticals z Philadelphie a Sirna Therapeutics ze San Francisca provádějí klinické zkoušky léků na makulární degeneraci.

Fire rád sleduje tyto podniky – ale pouze jako roztleskávačka, říká. Pokračuje ve studiu molekulárního fungování umlčování genů u oblíbeného testovacího subjektu své laboratoře, C. elegans .

RNAi se také osvědčila jako mechanismus, který buňky běžně používají k řízení aktivity svých genů. Victor Ambros ‘75, PhD ‘79 a Rosalind Lee ‘76 zjistili, že RNA hraje klíčovou roli v řízení vývoje zvířat; výzkumníci našli mnoho genů, které kódují dvouvláknovou RNA, a nyní se věří, že interference těchto RNA je zodpovědná za regulaci 30 procent lidského genomu.

V těchto dnech se Fire zaměřuje na vytváření vazeb mezi umlčováním genů a lidskými nemocemi. Při rakovině je umlčeno mnoho genů, říká. To se ví už docela dlouho. V současné době spolupracuje s patology ve Stanfordu, aby pochopil, jak narušení regulačních procesů RNA přispívá k onemocnění.

Kosmický kartograf: George Smoot

George Smoot si nekladl za cíl být reportérem počasí nebo tvůrcem map. Ale v roce 1992 se zapsal do kartografické historie, když vytvořil první mapu mladého vesmíru zmapováním nepatrných odchylek v teplotě 14 miliard let starého záření. Variace v tomto kosmickém mikrovlnném pozadí nebo CMB dávají astrofyzikům vodítko o tom, jak se formovaly složité struktury, jako jsou galaxie.

Profesor fyziky na Kalifornské univerzitě v Berkeley Smoot sdílí Nobelovu cenu za fyziku s Johnem Matherem z Goddard Space Flight Center NASA za práci na CMB, jehož existence podporuje teorii velkého třesku.

Angelica de Oliveira-Costa, nyní vědecká pracovnice na Kavli Institute for Astrophysics and Space Research na MIT, nastoupila do Smootovy laboratoře v Berkeley jako postgraduální studentka rok poté, co Smoot oznámil svou mapu. Říká, že součástí toho, co z něj dělá prvotřídního fyzika, je to, že má dobré oko pro dobré nápady a nebojí se změn.

Smoota vždy přitahovala kosmologie, ale svou postgraduální práci absolvoval v částicové fyzice a přijal práci u Luise Alvareze, laureáta Nobelovy ceny v tomto oboru v Berkeley. Mezi jednotlivými projekty řekl Alvarez svým zaměstnancům, aby si vzali několik měsíců pauzu a podívali se do plodných nových oblastí výzkumu. Smoot se chopil příležitosti přejít do kosmologie a přijal Alvarezovu filozofii za svou: Když dokončíte experiment, neprovádějte automaticky další. Měli byste vidět, zda existuje nějaký nový objev nebo technologie, která vám umožní provádět měření v oblasti, která je slibná.

Pro Smoota byla studie kosmického mikrovlnného pozadí právě takovou oblastí – lákavou a široce otevřenou. Říká, že měl intuici, že cokoliv změříte, bude to základní měření, a měl pravdu. De Oliveira-Costa o svých třech letech ve Smootově laboratoři říká: Z vědeckého hlediska to bylo jedno z nejlepších období mého života. Každý malý objev, který jsi udělal, byl nový.

CMB byla objevena v 60. letech 20. století a byla předpovězena teorií velkého třesku. Záření nepochází z nějakého místa ve vesmíru, ale z a čas brzy po vzniku vesmíru. Když se podíváme zpět na záření, díváme se zpět do doby ve vesmíru, kdy bylo všechno horké a husté jako plazma na našem slunci, vysvětluje Edmund Bertschinger, vedoucí oddělení astrofyziky na oddělení fyziky MIT. Jak se vesmír rozpínal, ochladil se a CMB také, která je nyní jen asi 2,7 stupně nad absolutní nulou. Ten dosvit vidíme v našich radioteleskopech o miliardy let později, říká.

Fotony CMB poskytují něco jako fotografii vesmíru asi 370 000 let po velkém třesku, kdy se ochladil na asi 3 000 °C a uvolňoval částice, aby vytvořily první atomy. Do té doby byl vesmír neprůhledným, vysokoenergetickým plazmatem; fotony byly zachyceny v vášnivém a intimním rozhovoru se subatomárními částicemi, jako jsou elektrony. Když se vesmír ochladil a vytvořily se atomy, mohly se fotony – včetně těch, které tvoří CMB – poprvé volně pohybovat.

Když Smoot začal pracovat na CMB, jeho přesné spektrum bylo neznámé a zdálo se, že má zcela jednotnou energii. Tato uniformita naznačovala raný vesmír, kde byly energie a hmota distribuovány homogenně – scénář zjevně neslučitelný s dnešním rozmanitým a komplexním vesmírem. Jak se mohly hvězdy seskupené do galaxií seskupených do kup galaxií obklopených velkými dutinami vynořit z raného vesmíru, kde byla hmota rozprostřena tak hladce jako třešnička na svatebním dortu? Aby teorie velkého třesku obstála, raný vesmír by musel mít hrudky, na které by mohly působit kvantově-mechanické síly a poté gravitace, což by nakonec způsobilo vznik galaxií a dalších struktur.

Při hledání této hrudkosti poslalo mnoho skupin, včetně Smootových, detektory záření na balónech a dokonce i ve špionážních letadlech do výšek, kde je CMB téměř zcela nefiltrována zemskou atmosférou. Jiní mezitím vypočítali, jaká úroveň fluktuace energie raného vesmíru by umožnila tvorbu hrudek nebo semen. Smoot se připojil ke skupině vedené Matherem z NASA, která pracovala na tom, aby se na oběžnou dráhu dostal citlivý satelit pro detekci záření s názvem COBE (Cosmic Background Explorer). V době, kdy byl 18. listopadu 1989 vypuštěn COBE, astrofyzici zjistili, že velmi malé odchylky v CMB – malé jako stotisícina stupně – by naznačovaly raný vesmír dostatečně rozmanitý na to, aby vytvořil ten současný.

Smoot měl na starosti skupinu šesti přístrojů na COBE, nazývaných diferenciální mikrovlnné radiometry, které hledaly teplotní variace zvané anizotropie v CMB. Nahoře nad Zemí měl obíhající COBE nerušený příjem CMB ve všech směrech. Smoot a jeho tým z Berkeley analyzovali roční objem těchto měření teploty – miliony – hledali anizotropii; když se zdálo, že to našli, snažili se přesvědčit sami sebe, že to nebylo kvůli hluku z přístrojů na COBE.

V roce 1992 Smoot oznámil, že COBE našel stotisícové variace v energii CMB. Jeho mapa těchto variací, která zhruba ukazuje, která místa v raném vesmíru byla o něco teplejší a která o něco chladnější, byla nazývána vesmírným dětským obrázkem. Úžasné je, že vesmír je téměř úplně jednotný, říká. Je to jednotnější než kulečníková koule. Smoot dostal svou polovinu Nobelovy ceny za práci na mapě; Mather byl oceněn za vedení projektu COBE a měření spektra CMB.

Astrofyzici tvrdí, že oznámení výsledků COBE od Smoota a Mathera bylo zlomovým bodem pro kosmologii, když filozofické spekulace o původu vesmíru ustoupily vědě postavené na kvantitativních důkazech. Smootova mapa byla následně ověřena dalšími balónovými experimenty a od té doby byla vylepšena citlivějšími měřeními z WMAP, satelitu NASA, který je stále na oběžné dráze. Bertschinger přirovnává Smoota a ostatní vědce COBE k průzkumníkům, kteří nalézají nové kontinenty. 'Nejprve najdete kontinenty a pak prozkoumáte pobřeží a vylepšíte své mapy,' říká.

Mapa CMB se setkala s takovým nadšením, že Smoot napsal knihu, Vrásky v čase , aby ukázal mladým lidem, že být ve vědě může být dobrodružství, říká. Nyní, když získal Nobelovu cenu, Smoot jen napůl žertem říká, že cítí ještě větší tlak, aby byl velvyslancem vědy. Býval jsem psanec, vždy jsem šel na okraj fyziky, zkoušel jsem divné věci, byl jsem vzpurný, vzpomíná.

Ve vesmíru, který je z 96 procent považován za tajemnou temnou hmotu a temnou energii, existuje spousta nových a podivných území k prozkoumání. Mám seznam osmi otázek, které považuji za opravdu důležité, říká (viz Smootův seznam níže) . Jednoho dne Smoot plánuje založit kosmologicko-fyzikální centrum, které by je oslovilo. Ale zatím jsou to odrážky v jeho přednáškách – a tvůrce vesmírných map si tento seznam drží přilepený na zdi.

Smootův seznam
Osm kosmologických otázek, které drží George Smoota v noci vzhůru

1. Došlo k inflaci1? Jak?

2. Co je temná hmota?

3. Co je temná energie?

4. Proč je ve vesmíru více hmoty než antihmoty?

5. Lze nalézt další relikvie2 (např. kosmické struny)?

6. Existují další 3 rozměry?

7. Liší se základní konstanty?

8. Jaké další exotické síly mohou existovat?

———————————————————————

1 exponenciální expanzi mladého vesmíru

2 mladého vesmíru

3, tj. více než čtyři (tři prostorové dimenze a čas)

skrýt