http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=ec1775cc-b50d-47be-9c7d-3445e5d637e5&print=1© 2024 Российская академия наук
Премию разделили на две половины. Одну получили Брюс Бойтлер, профессор генетики и иммунологии Исследовательского института Скриппса (Ла Хойя, США), и Жюль Хоффман, бывший руководитель лаборатории в Страсбургском университете, директор Института молекулярной биологии клетки, — за исследование механизмов активации врожденного иммунитета. Вторую половину присудили Ральфу Стайнману, выходцу из Канады, занимавшему пост профессора иммунологии в Рокфеллеровском университете (Нью-Йорк), — за открытие роли дендритных клеток в адаптивном иммунитете. Торжество омрачила печальная новость: Стайнман скончался 30 сентября. Нобелевский комитет не получил этой информации вовремя, и 3 октября, впервые за всю историю самой престижной научной премии, лауреатом был объявлен человек, которого нет в живых.
Линии защиты
Каждое мгновение нас атакуют вирусы, бактерии, паразиты, клетки микроскопических грибков и патогенных простейших. Но счастливое большинство не замечает этих ежеминутных атак, разве что во время сезонной эпидемии ОРВИ. Благодарить за это нужно нашу личную «армию» — иммунную систему.
Человеческий организм защищен от захватчиков тремя линиями обороны. Первая — кожные покровы и антимикробные вещества в составе биологических жидкостей, например, лизоцим слез. Враги, прорвавшиеся за первую линию обороны, столкнутся со второй — врожденным, неспецифическим иммунитетом. Покраснение кожи вокруг царапины, распухшая десна у больного зуба, высокая температура — все это проявления защитной воспалительной реакции. Есть и третья линия обороны, самая «высокотехнологичная» — специфический, или адаптивный (приобретенный) иммунитет. Его инструменты — антитела, небольшие белковые молекулы, вырабатываемые лимфоцитами. Иммунная система может «подобрать» антитело к любому антигену, то есть чужой молекуле, проникшей в кровь и ткани. Взаимодействуя с этой молекулой, антитело «помечает» объект для уничтожения. Затем клетки-киллеры (это их официальное название) избирательно расправляются с врагом, несущим «черную метку», и наступает выздоровление. При повторной встрече с тем же возбудителем именно эти клетки начинают стремительно размножаться, чтобы синтезировать антитела в достаточном количестве. На этом же свойстве иммунной системы основан принцип вакцинации.
Опасно как ослабление иммунитета с возрастом или при заболевании (вспомним хотя бы СПИД), так и чрезмерная активность иммунной системы, при которой возникают аутоиммунные заболевания, то есть реакции, направленные против «своих» молекул и клеток. Аллергические заболевания также связаны с некорректным срабатыванием защиты.
Иммунологические открытия не раз награждались Нобелевскими премиями. Где искать «наибольшую пользу человечеству», как не здесь?
Ключ к воспалению
Почему воспалительная реакция запускается так быстро и однозначно? Как организм узнает, что враг на пороге, и как понимает, что это именно враг?
Началом этой истории можно считать открытие у дрозофилы гена Toll. Немецкая исследовательница Кристиана Нюсляйн-Фольхард (Нобелевская премия 1995 года), увидев необычайно уродливых личинок плодовой мушки, воскликнула: «Das war ja toll!» («Это поразительно!») — так и назвали мутантный ген. А Жюль Хоффман с коллегами выяснил, что этот ген отвечает не только за эмбриональное развитие мушки, но и за устойчивость взрослых дрозофил к грибковым инфекциям.
Самое интересное, что Toll-подобные гены были найдены у млекопитающих. В этом заслуга Брюса Бойтлера — группа ученых под его руководством обнаружила такой ген у мыши* * Poltorak A., He X., Smirnova I., Liu MY, Van Huffel C., Du X., Birdwell D., Alejos E., Silva M., Galanos C., Freudenberg M., Ricciardi-Castagnoli P., Layton B., Beutler B. Defective LPS signaling in C3H/HeJ and C57BL/10ScCr mice: Mutations in Tlr4 gene. Science 1998; 282:2085-2088. . Будущий нобелевский лауреат в соответствии с требованиями научной этики поместил себя в списке авторов на последнее место, а на первом — Александр Полторак, выпускник СПбГУ, ныне работающий в Университете Тафтса (Бостон). Кстати, Александр Полторак в сентябре этого года получил один из сорока «мегагрантов» Минобрнауки на создание лаборатории врожденного иммунитета в Петрозаводском государственном университете.
Группа Бойтлера выяснила, что продукт Toll-подобного гена у мыши — рецептор вещества липополисахарида — взаимодействует с веществом, характерным для многих болезнетворных бактерий, и запускает каскад биохимических событий, который и приводит к реакции воспаления. Вскоре были найдены десятки таких рецепторов (они получили название TLR — Toll-like receptors) у человека и мыши, специфичных к различным классам инфекций.
Сразу же после объявления имен лауреатов начались обычные постнобелевские споры о приоритете и справедливости. В 1997 году статью о клонировании и свойствах человеческого рецептора, подобного Toll, опубликовала группа ученых из Йельского университета* * Medzhitov R., Preston-Hurlburt P., Janeway CA Jr. A human homologue of the Drosophila Toll protein signals activation of adaptive immunity. Nature, 1997 Jul 24;388(6640):394-7. . Чарльз Джейнуэй еще в конце 80-х предположил, что «рубильником», включающим врожденный иммунитет, должны быть некие рецепторы, которые распознают вещества, типичные сразу для многих инфекционных агентов. Эта идея не пользовалась популярностью в научном сообществе, пока в начале 90-х статья Джейнуэя не попала в руки Руслану Меджитову, выпускнику Ташкентского госуниверситета и аспиранту МГУ. Дальше все происходило, как в кино: молодой ученый, преодолев множество препятствий, отправился в США, стал постдоком* * Post doctoral — стипендия для молодых ученых. у Джейнуэя, и они в совместной работе получили экспериментальные доказательства его идей. Сегодня Руслан Меджитов — профессор Йельского университета и один из самых молодых (1966 г.р.) членов Национальной академии наук США.
Специалисты полагают, что заслуги йельской команды и группы Бойтлера сравнимы по значимости: первые работали с белком человека, а не мыши, зато вторые яснее показали роль рецептора в развитии заболевания.* * В июне 2011 г. Хоффману, Бойтлеру и Меджитову была присуждена авторитетная премия Шоу, «азиатская Нобелевка».
Учителя иммунитета
Ральф Стайнман в 1973 году открыл новый тип клеток иммунной системы, которые он назвал дендритными, или дендроцитами. Это довольно крупные клетки с длинными разветвленными отростками. Предположение Стайнмана, что они могут играть особую роль в формировании иммунного ответа, сначала не вызвало ни у кого интереса, но впоследствии блестяще подтвердилось.
Задача дендроцитов состоит в том, чтобы захватывать антигены и преподносить их Т-лимфоцитам. Лимфоциты «инспектируют» предъявленные фрагменты, и если опознают среди них «образ врага», развивается мощный иммунный ответ. К тому же дендритные клетки несложно получать из крови, а это путь к практическому применению. Дальнейшие исследования Стайнмана и других ученых показали, что дендроциты регулируют активность иммунной системы, препятствуя атакам на собственные молекулы организма и развитию аутоиммунных болезней. Кстати, среди рецепторов, обнаруженных на поверхности дендритных клеток, есть TLR — вот и связь между неспецифическим и специфическим иммунитетом.
Лечение дендритными клетками Ральф Стайнман испытал на себе. У него была агрессивная форма рака поджелудочной железы, с которой 80% пациентов умирают в течение года. Стайнман прожил больше четырех лет. Медицинский потенциал дендроцитов, вероятно, не в последнюю очередь повлиял на решение Нобелевского комитета. Есть надежда, что эти клетки, несущие опухолевые антигены, станут основой для вакцин, которые научат иммунную систему побеждать болезнь. Пытаются с их помощью лечить и хронические инфекционные заболевания, и даже СПИД.
Американцы Сол Перлмуттер, Адам Рис и австралиец Брайан Шмидт стали лауреатами Нобелевской премии по физике за 2011 год. Она вручена за «открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдения далеких сверхновых». Это третья «астрономическая» Нобелевка за последнее десятилетие
Коротко современную астрономическую картину мира можно описать так. Солнце вместе с еще несколькими сотнями миллиардов подобных светил входит в состав Галактики. Кроме звезд, в Галактике есть межзвездная среда — газ и пыль, — из которой звезды рождаются и которую они обогащают новыми элементами, выбрасывая вещество на протяжении своей эволюции. Наша Галактика — лишь одна из многих. В доступной для наблюдения области Вселенной есть несколько сотен миллиардов крупных галактик. Вселенная эволюционирует. Далекие галактики удаляются друг от друга из-за расширения Вселенной, начавшегося 13–14 млрд лет назад. Кроме обычного вещества, составляющего лишь около 5% плотности Вселенной, существуют темное вещество и темная энергия. Из-за темной энергии Вселенная ускоренно расширяется последние несколько миллиардов лет. Вот за открытие последнего факта и вручена Нобелевская премия.
Таинственное нечто
Трое ученых, получивших премию, являются лидерами двух разных международных исследовательских групп. Американец Сол Перлмуттер возглавлял проект «Сверхновые для космологии» (Supernova Cosmology Project). Австралиец Брайан Шмидт и американец Адам Рис входили в группу «Поиск сверхновых на больших красных смещениях» (High-Z Supernova Search Team). В 1998 году они представили результаты обработки данных по нескольким десяткам сверхновых звезд типа Ia, свет от которых шел к нам от 2 до 7 млрд лет.
Сверхновые открывались в основном на четырехметровом телескопе в обсерватории Сьерро Тололо в Чили, а потом проводились наблюдения на более крупных инструментах, чтобы определить красные смещения, — эта величина характеризует, во сколько раз растянулась Вселенная с тех пор, как сверхновые вспыхнули. Итогом стали два списка из нескольких десятков далеких сверхновых, для которых были известны и расстояния, и (независимо) красные смещения.
Сверхновые типа Ia происходят из-за взрывов тяжелых «белых карликов». Эти вспышки обладают важной особенностью. Мощность большинства из них можно определить по параметрам изменения блеска. Зная видимый блеск и мощность, мы можем определить расстояние. Зная расстояния и красные смещения для нескольких объектов, можно определять различные параметры, описывающие динамику расширения Вселенной.
Измерения и обработка данных показали, что сверхновые находятся немного (процентов на 10–15) дальше, чем должны были бы, если бы расширение Вселенной замедлялось. Авторы показали, что стандартные на тот момент модели Вселенной не соответствовали данным их наблюдений. Тогда был добавлен новый параметр — что-то, что вносит вклад в плотность и при этом не тормозит расширение, а ускоряет.
Ошибка Эйнштейна
Впервые о возможности существования чего-то со свойствами «антигравитации» (т.е. отрицательного давления) в космологических моделях заговорил Альберт Эйнштейн. Он ввел в уравнение стационарной Вселенной так называемый лямбда-член, уравновешивающий силы гравитации. Впоследствии с легкой руки нобелевского лауреата Георгия Гамова стали говорить, что сам Эйнштейн после открытия расширения Вселенной и торжества модели, предложенной создателем теории нестационарной Вселенной Александром Фридманом, считал введение лямбда-члена своей самой большой ошибкой. Правда, другие источники это не подтверждают.
Теоретики тем не менее не забыли о гипотезе Эйнштейна и в применении к очень молодой Вселенной изучали модели с ускоренным расширением. Это даже стало стандартным элементом космологической картины. В начале 80-х годов прошлого века оформилась теория космологической инфляции — расширения Вселенной на ранней стадии Большого взрыва. Она гласит, что спустя примерно 10 -36 секунд после момента «ноль» был короткий, длительностью около 10 -33 секунд, эпизод очень быстрого расширения под действием специального поля — инфлатона. Именно стадия инфляции сделала нашу Вселенную плоской, однородной и изотропной, именно распад инфлатона сделал ее горячей и т.д.
То нечто с отрицательным давлением, что открыли нынешние нобелевские лауреаты, принято называть темной энергией. Природа ее неясна. Но на сегодняшний день целый комплекс данных свидетельствует в пользу ее существования. Объединяя вместе данные по сверхновым (которых теперь намного больше, чем 13 лет назад: не десятки, а сотни), по реликтовому излучению, по пространственному распределению галактик и т.д., ученые установили, что вклад темной энергии в полную плотность Вселенной составляет около 70%.
Опознать нечто
Чтобы разобраться в том, что же такое темная энергия, нужны новые данные наблюдений и усилия теоретиков. Во-первых, планируется ввести в строй новые инструменты для уточнения космологических параметров и уточнения динамики эволюции Вселенной. Во-вторых, теоретики будут продолжать строить модели, в которых темная энергия возникает естественным образом. Для проверки таких моделей нужны усилия экспериментаторов. Речь идет не только об экспериментах на Большом адронном коллайдере, но и об изучении свойств гравитации (проверка закона всемирного тяготения) в малых масштабах (сейчас речь идет уже о миллиметрах и менее).
Вручение Нобелевской премии за открытие, которое не только формирует космологическую картину мира, но ставит сложные задачи и перед астрономами-наблюдателями, и перед экспериментаторами в лабораториях, и перед теоретиками, — решение более чем верное. Нет сомнений, что в будущем премии еще ждут тех, кто ответит на вопрос: а что же все-таки стоит за явлением, обнаруженным лауреатами 2011 года?