Comitetele care acorda premiile Nobel sunt greu de banuit. Anul trecut, de exemplu, premiul pentru fiziologie sau medicina i-a fost acordat lui Svante Paabo, un pionier al studiului ADN-ului fosil, care a aruncat multa lumina asupra evolutiei umane.
Un castigator demn. Dar unii au considerat ca alegerea este una ciudata, in lumina pandemiei de covid-19 care a devastat lumea. Anul acesta, Institutul Karolinska din Stockholm, care acorda premiul, a facut amendamente. L-a acordat lui Katalin Kariko si Drew Weissman, care, lucrand la Universitatea din Pennsylvania, au ajutat la lansarea vaccinurilor ARNm care au fost implementate, in timp record, impotriva coronavirusului. Ei au fost cei care au descoperit cum sa opreasca molecula din inima unor astfel de vaccinuri provocand o reactie care altfel le-ar fi facut inutilizabile.
Explicatia simpla a geneticii moleculare implica patru „litere” genetice. In ADN, molecula in care sunt de obicei stocate genele, acestea sunt A, C, G si T – initialele substantelor chimice implicate. Cand o gena este activata, secventa ei de litere este copiata intr-o molecula similara, ARN, in care T este inlocuit cu o substanta chimica inrudita, U. Mesajul rezultat („m” din ARNm inseamna „mesager”) este citit de masini celulare numite ribozomi, care asambleaza proteina dorita.
Ideea din spatele vaccinurilor ARNm a fost de a produce ARNm care codifica o parte dintr-o proteina gasita intr-un agent patogen. Celulele destinatarului vor incepe sa produca fragmentul de proteina in cauza, care va fi inregistrat de sistemul imunitar ca fiind strain si, astfel, probabil ostil. Daca agentul patogen in cauza apare cu adevarat, sistemul imunitar are un avans. Iar capacitatea de a convinge celulele sa produca proteine pentru care le lipsesc genele in sine ar putea avea tot felul de intrebuintari, in afara de vaccinuri.
In biologie, insa, nimic nu este simplu. Incercarile timpurii de a produce vaccinuri ARNm au creat un raspuns ostil la ARN-ul injectat. Celulele care au preluat-o au recunoscut molecula ca fiind straina si au invitat sistemul imunitar sa le omoare, presupunand ca s-au infectat.
Dr. Kariko si Dr. Weissman si-au dat seama ca trebuie sa existe o diferenta chimica semnificativa intre ARN-ul creat artificial si tipul uman natural. Experimentele au aratat ca se afla in chimia exacta a literei cunoscute sub numele de U. Tweak, pentru a arata ca versiunea umana a lui U si problema dispare.
Toate acestea s-au intamplat in 2005. Si aproape ca nu s-au intamplat deloc. Natura a respins lucrarea in care cei doi si-au scris descoperirea si au trebuit sa lupte din greu pentru a convinge jurnalul in care a aparut in cele din urma, Immunity . Inainte de aceasta, dr. Kariko a fost retrogradata de Universitatea din Pennsylvania pentru ca a insistat sa-si continue activitatea ARNm, cand superiorii ei au crezut ca nu duce nicaieri.
Chiar si dupa publicare, interesul a fost lent sa se dezvolte. Dar dezvoltarea a facut-o, astfel incat pana la inceputul lui 2020, cand guvernele lumii au apasat butonul de panica, doua firme – BioNTech, la care Dr. Kariko a fost candva vicepresedinte senior, si Moderna – lucrau deja la vaccinuri ARNm. Au putut sa-si schimbe atentia si sa dezvolte versiuni eficiente impotriva noului coronavirus descoperit. Ei au facut acest lucru determinand ARNm implicat sa codifice o parte a uneia dintre proteinele virusului, numita „spike”. Miliarde de lovituri si milioane de vieti mai tarziu, Dr. Kariko si Dr. Weissman au devenit eroi.
Clipeste si vei rata
Premiul pentru fizica a fost, de asemenea, acordat pentru munca a carei rasplata a venit multi ani mai tarziu. A fost premiat pentru dezvoltarea laserelor ultra-rapide care se pot porni si opri in doar attosecunde, sau chintilioane de secunda. Aceasta este o unitate de timp atat de scurta incat exista la fel de multe attosecunde intr-o secunda cate secunde au fost de la Big Bang, acum 13,8 miliarde de ani.
Dar este genul de viteza cu care au loc multe procese fizice. Electronii, de exemplu, orbiteaza in jurul atomilor lor parinti suficient de repede incat isi schimba pozitia pe scale de timp attosecunde. Laureatii de fizica din acest an — Pierre Agostini, Ferenc Krausz si Anne L’Huillier — au gasit o modalitate de a observa astfel de procese.
Ideea de baza este similara cu cea a luminii stroboscopice, care poate ajuta la capturarea de imagini ale obiectelor care se misca rapid in lumea de zi cu zi. O pasare colibri, de exemplu, isi poate bate aripile de 80 de ori pe secunda. Pentru ochi umani, aceasta pare a fi neclara. Foloseste totusi o camera de mare viteza si o lumina stroboscopica care clipeste la o viteza comparabila si este posibil sa faci poze detaliate ale pasarii in zbor.
Lucrarea a fost lansata de Dr. L’Huillier. In 1987, ea lucra la Centrul de Cercetare Nucleara Saclay, langa Paris, experimentand cu lasere de tragere si gaze nobile precum argonul sau neonul. Stralucirea laserelor in gaz a impartit energie atomilor sai, slabind unii dintre electronii lor. Cand acei electroni au fost in cele din urma recapturati, ei au reeliberat acea energie sub forma de lumina.
Acele unde luminoase au interactionat intre ele la randul lor. Acolo unde varfurile lor coincideau, aveau sa devina mai intense. Cand varful unui val se intalnea cu jgheabul altuia, intensitatea luminii scade. Si uneori, daca undele de lumina au interactionat in mod corect, ele au produs impulsuri de lumina ultravioleta care au durat doar cateva sute de attosecunde.
In 2001, Dr. Agostini, care lucreaza si in Franta, a transformat observatia Dr. L’Huillier intr-o piesa de tehnologie functionala, proiectand o modalitate de a produce o serie de impulsuri de lumina care au durat 250 de attosecunde fiecare. Aproximativ in acelasi timp, Dr. Krausz, care lucreaza independent la Viena, a reusit sa produca o serie de impulsuri care dureaza 650 de attosecunde fiecare.
In zilele noastre, oamenii de stiinta au reusit sa scurteze si mai mult pulsurile de lumina, pana la zeci de attosecunde. Aceste lumini disco ultra-rapide inca nu sunt suficient de rapide pentru a ingheta perfect electronii in orbitele lor in jurul atomilor. Dar o camera incetosata este mai buna decat nicio camera. Inainte ca lumina attosecunda sa fie disponibila, oamenii de stiinta puteau vorbi doar despre probabilitatea ca un electron sa se afle intr-un anumit loc la un anumit moment. Impulsurile pot fi, de asemenea, folosite pentru a masura cat de strans sunt legati electronii de nucleul unui atom si cat de mult dureaza pentru ca unul sa fie slabit in timpul unei reactii chimice.
Alte aplicatii sunt mai departe. Impulsurile de lumina de attosecunda ar putea ajuta intr-o zi la crearea unei electronice ultra-rapide, in care un semiconductor este impins sa comute intre starile sale izolatoare si conducatoare mult mai rapid decat poate in prezent. Pulsulele pot fi, de asemenea, folosite pentru a impinge molecule mari, care apoi continua sa emita radiatii caracteristice, care depind de componenta lor chimica precisa. Acesta ar putea fi folosit pentru a analiza probe de sange, de exemplu, cu scopul de a detecta chiar si cei mai mici markeri de boala.
Poate fi greu de anticipat deciziile comitetului Nobel. Dar anul acesta, pentru premiul de chimie, nu a fost nevoie. Aftonbladet si Dagens Nyheter , o pereche de ziare suedeze, au publicat numele cu cateva ore inainte de anuntul oficial.
O scurgere nu a mai avut loc pana acum. Unii au crezut ca este o farsa. Dar rapoartele s-au dovedit a fi corecte. Premiul a fost acordat lui Moungi Bawendi, Louis Brus si Alexei Ekimov, un trio de oameni de stiinta care au reusit sa valorifice unul dintre numeroasele aspecte contraintuitive ale taramului cuantic: ca proprietatile unui material depind uneori nu de compozitia sa chimica, ci de marimea lui.
Materialele in cauza sunt puncte cuantice, denumirea informala pentru structurile chimice cunoscute si sub numele de nanocristale semiconductoare. Electronii dintr-un punct cuantic pot fi separati de atomii lor gazda atunci cand li se ofera un impuls de energie printr-un impuls de lumina ultravioleta. Asta ii inchideaza in interiorul cristalului pana cand pot reemite acea energie ca o alta explozie de lumina si se pot intoarce la starea lor originala.
Punctul cuantic
Cu toate acestea, dimensiunea mica a punctului limiteaza lungimea de unda si, prin urmare, culoarea luminii pe care electronii o pot reemite. Nanopunctele mai mici produc lumina albastra; cele mai mari produc rosu. Treceti peste zece nanometri sau cam asa ceva – aproximativ o miime din dimensiunea unui globule rosii – si efectele cuantice necesare pentru a produce lumina se infunda in nimic.
Fizica care stau la baza punctelor cuantice este cunoscuta inca din anii 1930. Dar folosirea cunostintelor parea imposibila. In 1979, totusi, dr. Ekimov, pe atunci la Institutul de Optica de Stat SI Vavilov din Leningrad (azi Sankt Petersburg), a reusit sa produca cristale minuscule de clorura de cupru in sticla si a putut chiar sa varieze culoarea luminii pe care o emanau prin modificarea dimensiunii lor. .
Sticla colorata, totusi, este un mediu incomod cu care sa lucrezi. In 1983 a fost descoperita o metoda de fabricatie mai manevrabila. Dr. Brus, atunci la Laboratoarele Bell din New Jersey, a reusit sa creeze puncte cuantice sub forma de particule care plutesc liber in solutie, permitand observarea fenomenului atat in lichide, cat si in solide.
Dr Bawendi, de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, a fost cel care a ajutat la transformarea acestor experimente intr-o tehnologie utilizabila. In 1993 a dezvoltat o modalitate de a produce puncte cuantice la comanda. Injectand reactivi intr-un solvent la temperatura ridicata, el a creat mici cristale seminte in jurul carora s-ar putea forma altele mai mari.
In deceniile care au urmat, aceste obiecte minuscule au avut un impact mare. Ele sunt folosite in iluminat, pentru a valorifica energia solara si pentru a marca parti ale corpului pentru imagistica biomedicala. Cea mai cunoscuta utilizare a acestora este in tehnologia de consum. Asa-numitele televizoare cu LED-uri si monitoarele de computer fac reclame la culori mai clare, care nu se vor estompa. Este chiar posibil ca acestea sa fie folosite in arhitectura viitoarelor calculatoare cuantice.
Premiile Nobel atrag uneori critici pentru ca sunt cu ani in urma fata de vremurile stiintifice. Unii oameni de stiinta, considerati pe scara larga ca potentiali castigatori demni, au murit inainte ca comitetul sa poata ajunge sa-i onoreze (premiile sunt acordate doar celor vii). Dar gongurile din acest an arata de ce lucrurile se misca adesea incet. Dupa cum demonstreaza in special luptele doctorului Kariko, importanta completa a unui pic de cercetare care schimba lumea poate dura multi ani pentru a deveni clar.
