Нобелевская премия в области химии 2003 года / концепт «F 500 Mind» концерна «Mercedes-Benz»
Сегодняшним выпуском радиожурнала мы завершаем рассказ о нобелевских лауреатах 2003-го года в области естественных наук. В первой из трёх передач речь шла об исследователях, удостоившихся премии по медицине, во второй – об учёных, получивших премию по физике. Теперь настала очередь лауреатов-химиков.
Итак, 8-го октября Шведская королевская академия наук объявила о том, что Нобелевская премия нынешнего года по химии присуждается за открытия, связанные с изучением каналов в клеточной мембране. Награду получили двое исследователей – Питер Эгр (Peter Agre) «за открытие водных каналов» и Родерик Маккиннон (Roderick MacKinnon) «за изучение структуры и механизма ионных каналов».
Оба новоиспечённых лауреата – американцы. Следует отметить, что, в отличие от весьма пожилых учёных, награждённых премиями по медицине и по физике, оба они ещё довольно молоды: Эгру – 54 года, Маккиннону – 47 лет. А главное, они по-прежнему занимаются активной исследовательской деятельностью. Как раз сейчас среди специалистов разгорелись жаркие споры, вызванные одной из совсем свежих работ Маккиннона. Давайте же познакомимся с лауреатами.
Питер Эгр родился в 1949-м году в Нортфилде, штат Миннесота. В школе никакого интереса к химии не проявлял, хотя имел перед собой достойный подражания пример отца. Эгр говорит:
Мой отец был профессором химии, он умер 7 лет назад. Вот он порадовался бы теперь моей Нобелевской премии! Дело в том, что в школе я успехами отнюдь не блистал, причём хуже всего мне давалась химия.
Однако профессия отца всё же, видимо, повлияла на сына: в 1970-м году он окончил колледж в Огсбурге, штат Миннесота, по специальности «химия». Но затем увлёкся медициной и поступил учиться в университет Джонса Гопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд, – один из лучших университетов США, особенно известный свои медицинским факультетом. После защиты диплома выпускник Эгр остался работать в университетской клинике врачом и параллельно начал научную деятельность. Здесь он и совершил то самое открытие, которое теперь удостоилось Нобелевской премии, здесь же профессор биохимии и медицины Питер Эгр работает и сегодня.
Родерик Маккиннон родился в 1956-м году в Бёрлингтоне, пригороде Бостона, штат Массачусетс. В отличие от Эгра, он с детства проявлял интерес к научным изысканиям: например, мог часами решать задачи и головоломки, но больше всего любил наблюдать в микроскоп за жизнедеятельностью простейших и бактерий. Окончив школу, Маккиннон поступил в университет Брандейса, расположенный неподалёку, в Уолтхэме. В 1978-м году он защитил диплом по специальности «биохимия», но затем – так же, как Эгр, – увлёкся медициной, в 1982-м году окончил Высшую медицинскую школу Тафтса в Бостоне, после чего работал врачом в клинике при Гарвардском университете. 4 года спустя он на некоторое время вернулся в университет Брандейса, изучал физику, а затем снова уехал в Гарвард, где стал исследовать воздействие яда скорпиона на мембрану живой клетки. С 1996-го года и по сегодняшний день Маккиннон – профессор молекулярной нейробиологии и биофизики в Медицинском институте Хауарда Хьюза при Рокфеллеровском университете в Нью-Йорке. Именно здесь он и выполнил свои работы, получившие теперь столь высокое признание.
Итак, в чём же суть открытий Эгра и Маккиннона? Как известно, клетка – это основная структурно-функциональная единица всех животных и растений, как бы элементарная живая система. Содержимое клетки состоит из цитоплазмы и ядра. Многообразные функции клетки выполняются специализированными внутриклеточными структурами – так называемыми органоидами. В ядре – это хромосомы, в цитоплазме – митохондрии, рибосомы, лизосомы и ряд других. Одним из органоидов является и клеточная мембрана, выполняющая функцию внешней оболочки клетки. Организм взрослого человека состоит из многих сотен миллиардов клеток, но все они, будь то нервные, костные, мышечные, почечные или секреторные, несмотря на различия в строении и функциях должны, естественно, действовать согласованно, то есть поддерживать связь друг с другом. Выяснению механизмов таких связей и посвятили свои работы Эгр и Маккиннон. Поскольку почти 70 процентов массы человеческого тела составляет водный раствор солей, исследователи уже к середине 19-го века пришли к выводу, что должны существовать некие поры, которые позволяют осуществлять водо- и ионообмен между клетками. Ещё лет 100 спустя стало ясно, что это должны быть разные поры: одни – для молекул воды, другие – для ионов. Однако что это за поры и как они функционируют, удалось выяснить лишь в 1988-м году. Питер Эгр вспоминает:
Мы обнаружили это совершенно случайно. Мы исследовали красные кровяные тельца – эритроциты – и выявили на их оболочках какой-то неизвестный нам протеин. Он присутствовал во всех наших пробах. Мы заинтересовались этим протеином, и оказалось, что он встречается и в мембранах других клеток – например, почечной ткани, – и даже в растительных клетках.
Питер Эгр потратил целый год на изучение таинственного протеина, прежде чем понял, что это и есть та самая пора, канал, при посредстве которого происходит водообмен между клеткой и внешней средой. Учёный назвал этот мембранный каналообразующий белок «аквапорином». Дальнейшие исследования показали, что аквапорины образуют целое семейство мембранных протеинов, имеющих сходную структуру и сходные функции: так, на сегодняшний день в организме человека обнаружено уже 11 разновидностей аквапоринов, в растениях – 35. Аквапорины обладают очень высокой селективностью – пропуская молекулы воды, они задерживают любые ионы, включая даже гидроксоний-катион Н3О+. Вода проходит сквозь канал под воздействием осмотического давления, ионы блокируются за счёт механических параметров канала и наличия внутри него электрического потенциала. Несмотря на столь сложный механизм, аквапорины обеспечивают поистине поразительную скорость пропускания: за одну секунду сквозь каждый мембранный канал может проходить до 3-х миллиардов молекул воды. Понятно, что дисфункция аквапоринов приводит к серьёзному нарушению водообмена, а оно, в свою очередь, чревато такими заболеваниями как катаракта, несахарный диабет, почечная недостаточность.
Родерик Маккиннон посвятил себя изучению мембранных каналов другого типа – так называемых ионных каналов. Исследователи уже давно знали о том, что существуют механизмы, позволяющие некоторым ионам – прежде всего, калия, кальция, натрия и хлора, – проникать сквозь клеточные мембраны, обеспечивая, во-первых, обмен веществ и, во-вторых, передачу электрических импульсов. Со временем стало ясно, что речь идёт о каналообразующих белках, в какой-то мере сходных с аквапоринами. Но как устроены эти белки, почему данный ионный канал пропускает, скажем, ион калия, но задерживает ион натрия или кальция, оставалось загадкой. Решить её взялся Родерик Маккиннон. Профессор Вальтер Штюмер (Walther Stühmer), сотрудник Института экспериментальной медицины имени Макса Планка в Гёттингене, хорошо знакомый с лауреатом, вспоминает:
Он задался целью выяснить структуру калиевых каналов. Причём сказал об этом в то время, когда мы все были уверены, что решить эту задачу удастся ещё очень нескоро. Я ни за что не поверил бы, что он добьётся успеха так быстро. Это просто поразительно.
Сначала Маккиннон использовал в своих исследованиях так называемый электрофизиологический метод анализа, измеряя токи, проходящие сквозь клеточную мембрану по отдельным молекулам. Но потом учёный понял, что здесь требуется иной, более точный метод, и обратился к рентгеновской кристаллографии. Этот метод позволяет выявить пространственную структуру отдельных молекул, но для этого Маккиннону нужно было изолировать эти белковые молекулы из мембраны, размножить их и вырастить из них кристалл. Учёный решил эту задачу, выбрав в качестве объекта один из видов бактерий с очень простой структурой калиевых каналов. Методами генной инженерии Маккиннону удалось получить большое количество нужных молекул. Профессор Штюмер говорит:
Это был первый важный шаг. Потом он разработал и применил множество других хитрых приёмов – например, работал с антителами, образующими более водянистую фазу и легче поддающимися кристаллизации. Он проявил поистине чудеса изобретательности, чтобы выяснить, как работают ионные каналы.
В 1998-м году Маккиннон опубликовал результаты своей работы, которые произвели подлинную сенсацию: учёный представил изумлённым коллегам не только пространственную структуру белка, выполняющего функцию калиевого мембранного канала, но и подробно описал механизм его функционирования. Кроме того, Маккиннон обнаружил своего рода молекулярный переключатель, открывающий и закрывающий ионный канал, тем самым как бы проследив до атомарного уровня процесс передачи сигнала в клетках. Процесс этот имеет первостепенное значение для жизнедеятельности всего организма. Достаточно вспомнить, что нервные клетки проводят электрические импульсы со скоростью до ста метров в секунду. Это означает, что некоторые каналы впускают внутрь или выпускают наружу до ста миллионов ионов калия или натрия в секунду.
Нобелевский комитет критикуют за то, что он, как правило, присуждает премии за работы, выполненные два, три, четыре десятилетия или даже полвека назад. Однако бывают и исключения из правила: одним из них смело можно считать нынешнее присуждение премии по химии работам, выполненным совсем недавно. Такую смелость Нобелевского комитета шведский учёный, профессор химии Ларс Тилландер (Lars Tillander) комментирует так:
Когда имеешь дело с совсем свежими открытиями, очень трудно оценить их потенциал. Но данные работы за весьма короткое время породили целую лавину новых исследований, которые дали ряд чрезвычайно важных результатов, в том числе прикладных. Поэтому Шведская королевская академия решила, что риск оправдан.
В важности этих открытий убеждён и профессор Олаф Понгс (Olaf Pongs), директор Гамбургского центра молекулярной нейробиологии. По его словам, такие наследственные заболевания, как эпилепсия или сердечная аритмия, нередко связаны с дисфункцией калиевых ионных каналов, а потому работы лауреатов имеют большое значение для разработки новых методов терапии. Профессор Вернер Кюльбрандт (Werner Kühlbrandt), директор Института биофизики имени Макса Планка во Франкфурте-на-Майне, напоминает, что такое тяжёлое заболевание как муковисцидоз вызвано генетическим дефектом, нарушающим перенос ионов хлора сквозь клеточную мембрану, и выражает надежду, что уже в обозримом будущем удастся разработать лекарственные препараты, регулирующие функцию ионных каналов.
Автомобильная рубрика
На нынешней автомобильной выставке в Токио концерн «Mercedes-Benz» представил концепт «F 500 Mind» – машину «послезавтрашнего дня». Буква «F» в названии говорит о том, что автомобиль проходит стадию предварительных исследований (Forschungsfahrzeug), но отдельные его детали и компоненты, бесспорно, могут появиться на конвейере уже завтра. Так, «F 500 Mind» получил мотор, который назван дизельно-гибридным. О его конструкции пока ничего не говорят. Известно лишь, что он способен развивать мощность более 300 л.с., расходуя при этом на 20 процентов меньше топлива, чем нормальный дизель CDI.
Машина имеет полностью стеклянную крышу, которая опирается на перегородку, находящуюся внутри машины. Это решение позволяет сделать конструкцию более жёсткой. Перегородка взяла на себя и функцию центральных стоек. А благодаря отсутствию стоек «В» появилась возможность устанавливать распашные двери, что облегчает доступ в салон.
Есть основания предполагать, что проект «F 500 Mind» может стать основоположником новой линии, нового класса «мерседесов» – класса «В». Напомню, что «мерседес» класса «А» – это минивэн, «мерседес» класса «С» – самый маленький из лимузинов. Специалисты полагают, что «мерседес» класса «В» может стать промежуточным между «А» и «С». Пока, правда, ясно только одно – что это высокотехнологичный хэтчбек с большим объёмом кузова. Длина кузова новинки (5,01 метра) и колёсная база практически такие же, как у большого лимузина класса «S». Как бы то ни было, в «F 500 Mind» много места для пассажиров, поскольку в машине нет механических тяг и рычагов: педаль газа и педаль торможения – это по сути всего лишь кнопки, активирующие электронные системы. Вообще вся машина напичкана электроникой. Перед водителем стоит монитор, на который может быть выведена любая информация – как о работе двигателя, так и навигационная. При движении в темноте на монитор (или на ветровое стекло) выводится картинка с прибора ночного видения. Он представляет собой систему, состоящую из двух инфракрасных фар и телекамеры. Невидимый глазу свет этих фар позволяет регистрировать объекты на дороге на расстоянии до 150-ти метров перед вами, т.е. там, куда обычный ближний свет не достаёт. Монитор дополнен акустической системой, связанной с ультразвуковыми датчиками, которые помогают при парковке или предостерегают «владельца» о том, что его машина оказалась в опасной близости от других автомобилей или каких-то препятствий на дороге. Эти предупреждающие акустические сигналы, как и информацию о пробках на дорогах, слышит только водитель, что повышает уровень комфортности для пассажиров.
Кстати, о пробках. В США общий экономический ущерб от простоев в дорожных пробок оценивается в 69,5 миллиардов долларов. В 2001-м году среднестатистический американский водитель провёл в дорожных пробках 26 часов. Труднее всего приходится водителям в Лос-Анджелесе – там каждый в среднем стоит в пробке 90 часов в год. В число наиболее «пробкоопасных» городов вошли также Сан-Франциско (68 часов), Майами (63), Чикаго (61) и Вашингтон (58).