Нобелівському комітету завжди вдавалося обдурити очікування публіки, але цього разу нічого не можна було вдіяти. В останні два роки гравітаційні хвилі стали найбільш обговорюваною подією у фізиці, а їх відкриття припало рівно на столітній ювілей Загальної теорії відносності. Крім того, якраз напередодні відпали останні сумніви в перспективах гравітаційної астрономії: вченим вперше вдалося спостерігати «відлуння» злиття нейтронних зірок. Коротше кажучи, з премією з фізики цього року все було передбачувано, чого не можна сказати про дві інші номінації.
Фізіологія і медицина
Маятник біологічного годинника
Премію отримали Майкл Росбаш, Джеффрі Холл і Майкл Янг «за дослідження молекулярних механізмів, що контролюють циркадні ритми».
Кожен, хто хоч раз відчував джетлаг, знає, що таке біологічний годинник. Їх коливання контролюють сон, уважність, метаболізм, навіть температуру тіла. Вони існують у людей і тварин, рослин, грибів і навіть у ціанобактерій. Але пристрій маятника цього годинника - того, що викликає і контролює їх коливання, - до 70-х років минулого століття було абсолютно невідомо. Будувалися різні припущення, пов'язані, наприклад, з електричними струмами на клітинній мембрані, але всі вони виявилися невірними.
Розкрити цю загадку вдалося саме нинішнім лауреатам, хоча початок цій роботі поклав американський генетик Рональд Конопка, який не дожив до вручення премії. У 1971 році разом з Сеймуром Бензером він поставив досить простий експеримент: нагодував плодових мушок потужним мутагеном і поспостерігав за тим, як вони поводяться протягом доби. Виявилося, що серед мутантних тварин були ті, чий цикл активності збільшився до 28 годин, ті, у кого він скоротився до 19 годин, і ті, хто зовсім перестав стежити за часом. Але найцікавіше було в тому, що всі три мутації припадали на один ген, а значить, саме він керував роботою біологічного годинника. Ось тільки як керував - залишалося не зрозуміло.
Діаграми активності лабораторних тварин збирають за допомогою звичайного датчика, прикріпленого до бігового колесу. Рівні смуги відзначають періоди суворої роботи біологічного годинника, а «перешкоди» - їх поломку.
Ключовий прорив стався вже в 1980-ті, коли Холл і Росбаш встановили, що матрична РНК цього гена (чернетка, з якої синтезується білок) відчуває ті ж коливання, що і активність дрозофіл: її концентрація в мозку постійно змінюється. Дослідження нинішніх лауреатів дозволили повністю розшифрувати механізм коливань. Виявилося, що їх причиною є негативний зворотний зв'язок на основі транскрипції: якщо білок може впливати на власний синтез і при цьому мати досить короткий час життя, то в клітці неминуче виникають коливання його концентрації. Крім свого власного гена, білок може діяти і на інші, і тоді вже їх активність починає змінюватися з часом.
Цікаво, що біологічний годинник є в кожній клітині організму і механізми їх синхронізації поки не до кінця ясні. Наприклад, експерименти на химерах - тварин, чиє тіло складено з генетично різних організмів, - показали, що тут все вирішує демократія: чим більше в хімерній миші клітин з «правильними» генами, тим чіткіше такі гризуни тримають добові ритми.
Хімія
Заглянути всередину молекули
Премію отримали Жак Дюбоше, Йоахім Франк і Річард Хендерсон «за розвиток кріоелектронної мікроскопії, що дозволяє з високою роздільною здатністю визначати структуру біомолекул в розчині».
Майже всі ліки, які ми приймаємо, будь вони «від голови» або «від шлунка», діють не на абстрактні голову або шлунок, а на конкретні біомолекули-мішені, робота яких порушена в результаті хвороби. Вони можуть бути не завжди відомі, але, щоб раціонально створювати нові препарати, добре б знати, як ці мішені влаштовані. Майже всі вони білки, більшість - рецептори, тобто білки, що живуть на клітинній мембрані. Дізнатися їх структуру можна було б дуже просто - досить прочитати амінокислотну послідовність і завантажити її в комп'ютер, адже структура білка повністю визначається послідовністю. Але навіть сучасні потужні комп'ютери не здатні впоратися з цим завданням. Зрушення в цьому напрямку є (можна згадати краудсорсинговий проект FoldIt), але до вирішення «проблеми білка» поки дуже далеко.
Структура комплексу лід-галактозидази, отримана методом кріоелектронної мікроскопії.
Єдиним способом дізнатися будову великої молекули досі був рентгеноструктурний аналіз - той самий, за допомогою якого відкрили спіральну форму ДНК. Розсіюючись на кристалі, рентгенівське світло формує плями на детекторі, і вже за їх розташуванням можна дізнатися внутрішню будову. Якщо ви змогли отримати хороший кристал, метод працює просто відмінно. Тільки ось реальні мішені для ліків з великими труднощами піддаються кристалізації, особливо якщо це мембранні білки.
Саме тут у нашій історії з'являються цьогорічні нобелівські лауреати. Вони запропонували альтернативний підхід: використовувати для визначення структури не кристали, а окремі молекули, і не рентгенівські промені, а промені електронів. Іншими словами, потрібно спробувати розглянути внутрішній пристрій молекул в електронний мікроскоп. Довгий час вважалося, що це завдання не має рішення: електрони мають величезну енергію і здатні просто спопелити кожну окрему молекулу. Отриманий «посмертний знімок» можна намагатися розшифрувати, але такий слабкий сигнал несе занадто мало інформації. Виходить, потрібно збирати тисячі знімків і комбінувати дані - але як дізнатися, в фас чи профіль був зроблений кожен з них?
Математичну основу для вирішення цього завдання заклав нинішній лауреат Йоахім Франк. У 1977 році він показав, що при досить великому розмірі частинок можна спочатку визначити орієнтацію кожної з них, поділити їх на групи і вже потім приступати до аналізу. Чим мельче молекула, тим складніше, але на сьогодні таким чином вдалося визначити навіть структуру крихітного гемоглобіну - одного з перших об'єктів рентгеноструктурного аналізу.