Наступил октябрь, а значит в Швеции снова вручили Нобелевские премии, а ученые СО РАН объяснили журналистам суть этих открытий и заодно рассказали, чем в этом направлении отметилась наша наука.
Конструктор для вакцин и лекарств
Лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине в 2023 году стали венгерский и американский биохимики Каталин Карико и Дрю Вайсман. Награду им присудили за разработку технологии, которая легла в основу мРНК-вакцин против COVID-19. Значение этой работы прокомментировал заведующий лабораторией геномного редактирования Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН кандидат химических наук Григорий Степанов.
Он напомнил, что работы в этом направлении начались задолго до самой пандемии: «Исходно Каталин Карико начала заниматься этой тематикой, именно чтобы показать: мРНК возможно использовать в качестве доставки генетической информации в клетку и таким образом проводить терапию или профилактику каких-либо заболеваний. В конечном итоге мы все знаем результат: во время пандемии коронавирусной инфекции была экстренно применена эта мРНК-технология, и мир получил две вакцины на ее основе».
Схожая история, по словам ученого, была и с российской вакциной «Спутник» - создавший ее коллектив в Центре им. Гамалеи на протяжении ряда лет до того работал с другой разновидностью коронавируса в качестве модельного объекта. И кода мир столкнулся с SARS-CoV-2, они смогли достаточно быстро создать свою вакцину на базе предыдущих наработок. Это можно назвать научным везением, а можно – аргументом в пользу того, что любые фундаментальные научные исследования могут иметь прикладной эффект.
А в случае с лауреатами премии этого года эффект не исчерпывается вакциной против COVID-19. Основная проблема, которую пытались решить эти ученые, заключается в том, что при введении нуклеиновых кислот наступает цитотоксический эффект, объясняют специалисты. Сенсоры в клетках видят нуклеиновые кислоты ДНК или РНК там, где их не должно быть, клетка сигнализирует о том, что внутри нее инфекция, похожая на вирус. В результате запускается иммунная система, клетка начинает умирать. Чтобы это предотвратить, биохимики начали разрабатывать технологии, позволяющие замаскировать РНК, чтобы клетки не включали противовирусную тревогу.
Решив эту задачу, Карико и Вайсман не просто создали некий «конструктор для вакцин», что само по себе стало бы значительным достижением. «Оставаясь в плоскости термина мРНК-вакцин, мы уже можем говорить о создании лекарств, потенциальных препаратов для борьбы с онкологическими заболеваниями», - подчеркнул Степанов.
Правда этот шаг возможен лишь в рамках персонифицированной медицины: необходимо провести генетический анализ будут настраивать мРНК-вакцину, и на ее основе уже создавать препарат индивидуально для каждого пациента. Для современного уровня развития здравоохранения это выглядит очень дорогостояще и сложно, но медицина развивается и многое из того, что еще пару десятилетий назад казалось фантастикой, сегодня становится рутинной процедурой. Вот и такие разработки в области онкотерапии уже ведутся в ряде мировых центров, наша страна пока немного отстает в данной области.
А вот работа над мРНК-вакцинами у нас развивается вполне успешно. Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН вместе с компаниями «Биосан» и «Биолабмикс» работает над такой вакциной от гриппа (в данном случае этот вирус также выступает модельным объектом, поскольку хорошо изучен) и уже дошла до стадии доклинических испытаний. Впрочем, итоговая цель, которую поставили исследователи, более значительна. «Мы хотим разработать универсальную структуру искусственных мРНК, некую платформу, которая позволит в будущем менять ту часть, которая отвечает, против какого вируса будет работать вакцина, и перенаправлять мРНК на другие вирусы», - поделился ученый.
Также Григорий Степанов рассказал о трех фундаментальных задачах, которые ученым еще предстоит решить в этой области. Первая – определить максимально эффективную структуру самой РНК, чтобы обеспечить высокую продукцию белка в клетках человека. Вторая задача - как правильно организовать доставку лекарственных средств в клетку, учитывая, что молекула РНК не отличается высокой стабильностью. Третьим пунктом идет создание реагентной базы для синтеза молекул РНК, которая должна быть у каждой страны, претендующей на создание собственных вакцин. И если созданием и разработкой мРНК в России занимается несколько крупных научных команд, то реагентную базу на данный момент предлагает только новосибирская группа компаний, работающая в сотрудничестве с учеными Академгородка. И, при всех их успехах, этого явно недостаточно для полного обеспечения внутреннего рынка, особенно с учетом перспектив его развития.
Самый быстрый лазер
Нобелевскую премию по физике в 2023 году получили ученые Пьер Агостини, Ференц Краус и Анн Л'Юилье за исследования в области аттосекундной физики, которые открывают новые способы изучения внутриатомного мира. А прокомментировал эту работу руководитель тематической группы газового анализа лаборатории физики лазеров Института автоматики и электрометрии СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Аполонский, который сам проработал в лаборатории Ференца Крауса двадцать лет.
В то время коллектив лаборатории занимался созданием лазера, генерирующего фемтосекундные импульсы (1 фемтосекунда – 10⁻15 часть секунды) с заданными параметрами, а также специальной оптики для него и последующих экспериментов. Именно эта работа обеспечила в дальнейшем выход на новый уровень, аттосекунд, когда за одну секунду происходит миллиард миллиардов аттосекундных колебаний. Именно с такими скоростями протекают процессы в микрочастицах - атомах и молекулах. Генерировать аттосекундные импульсы очень трудно, потому что колебания электромагнитного поля в обычной лазерной волне видимого света длятся дольше. Потребовалось работать с жестким ультрафиолетовым излучением и использовать методы нелинейной оптики: генерировать излучение в инертном газе. Ференц Краус разработал методы как генерации, так и измерения аттосекундных импульсов. Пьеру Агостини принадлежит метод реконструкции профиля аттосекундного импульса. Анн Л'Юлье применила аттосекундные лазерные импульсы, чтобы изучить движение электронов в атомах и молекулах в режиме реального времени.
Эти исследования также имеют понятное прикладное значение. Например, для создания новых проводников электричества. С помощью аттосекундных лазеров удалось засечь, как вещество из изолятора может ненадолго стать проводником, а потом обратно. Аттосекундные импульсы также могут использоваться для идентификации различных молекул при диагностике различных заболеваний, например, рака легких. «Аттосекундная физика скоро позволит понять, как мы можем воздействовать на большую биологическую молекулу вторым импульсом, чтобы, например, прекратить молекулярную реакцию или ее структурные изменения, или сделать так, чтобы они пошли по другому пути», – объяснил Александр Аполонский.
Физика сверхкоротких лазерных импульсов продолжает развиваться, новый рубеж, который предстоит взять ученым – еще больше увеличить частоту импульсов, чтобы заглянуть уже не внутрь молекулы, а в ядро атома. И хотя сегодня трудно представить, чтобы в России быстро возникла собственная научная инфраструктура, способная к новым прорывным достижениям на этом пути, как отметил Аполонский наша наука тоже внесла свой значимый вклад. Практически каждая работа в этой области имеет ссылку на теоретические работы отечественного исследователя академика Леонида Вениаминовича Келдыша. И хочется верить, что этим дело не ограничится.
Такие разные квантовые точки
Есть российский след и в Нобелевской премии по химии этого года. Ее присудили ученым Мунги Бавенди, Луиcу Брюсу и Алексею Екимову за открытие и синтез квантовых точек. Когда-то Екимов работал в ленинградской лаборатории Жореса Алферова, где первым смог увидеть эти частицы. А подробнее об этой области науки рассказал младший научный сотрудник молодежной лаборатории Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН Ян Майдэбура.
Квантовые точки представляют собой полупроводниковый объект очень малого размера, отметил он: «Такая точка примерно во столько же раз меньше футбольного мяча, насколько он меньше нашей планеты». Но этот объект, содержащий всего несколько сотен атомов очень интересен ученым. При этом его электрофизические, термические, оптические свойства меняются в зависимости от размера.
Коллоидные квантовые точки, более простые по способу получения, известны с прошлого века, они достаточно широко распространены и применяются в самых разных областях: в производстве QLED телевизоров, а кроме того, находят применение в биомедицине, в качестве маркеров для диагностики раковых опухолей.
Второй тип, эпитаксиальные квантовые точки (получением которых как раз и занимался Алексей Екимов) получить намного сложнее, для этого приходится последовательно и упорядоченно выращивать один кристаллический материал на поверхности другого (собственно методы эпитаксии и создал другой нобелевский лауреат из нашей страны, научный руководитель нынешнего Жорес Алферов).
Такие квантовые точки имеют большее значение для фундаментальных и прикладных исследований, которые проводят, в частности, в Институте физики полупроводников СО РАН. «По этой тематике проводят исследования в научных группах заведующего лабораторией члена-корреспондента РАН Анатолия Васильевича Двуреченского, заведующего лабораторией кандидата наук Валерия Владимировича Преображенского и других. Область моих научных интересов: нитрид-галлиевые (GaN) квантовые точки, исследования ведутся под руководством заведующего лабораторией доктора наук Константина Сергеевича Журавлева», – сообщил Ян Майдэбура.
Он отметил, что особенности нитрида галлия дают преимущества, позволяющие создавать, к примеру, светоизлучающие приборы глубокого ультрафиолетового диапазона, а также источники одиночных фотонов, работающие при комнатной температуре. Для традиционных источников одиночных фотонов требуется охлаждение до криогенных температур. Поэтому источники на основе нитрид-галлиевых квантовых точек особенно интересны, но пока синтез этих материалов весьма дорог. «Вместе с коллегами я работаю над тем, чтобы создать простой метод синтеза и получать значимые как для фундаментальной, так и прикладной науки результаты», – подытожил ученый.
Сергей Исаев
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии