Denník N

Za čo boli udelené Nobelove ceny? Imunoterapia, lasery a evolúcia chemikálií

Tento týždeň priniesol tri fascinujúce vedecké ceny. Keďže ide o technické záležitosti, pokúsili sme sa objavy priblížiť širokému publiku.

Tento týždeň sa udeľovali Nobelove ceny za medicínu a fyziológiu, fyziku a chémiu, čo tradične vzbudilo záujem širokej verejnosti. Z pohľadu vedcov sú zaujímavé snáď všetky objavy, ktoré si cenu odnesú (a aj kopa ďalších, ktoré to šťastie nemali). Nevedci však majú smolu, niekedy sa celá senzácia utopí v kope žargónu a odborných výrazov. Preto sme sa na facebookovej stránke Vedátor_sk rozhodli, že po ohlásení každej z cien spíšeme krátky príspevok, ktorý ju priblíži.

Našťastie sme mali tento rok pomerne ľahkú úlohu, všetky ceny získali veľmi atraktívne objavy. Za medicínu to bolo objavenie mechanizmu, ktorý dokáže odblokovať brzdy, ktoré imunitnému systému zaťahuje rakovina. Za fyziku to bola laserová pinzeta a vysoko energetické lasery, cool! Chémia mala po tomto ťažkú úlohu ohúriť, no zvládla to – vďaka ocenenej technológii riadenej evolúcie chemikálií.

Poďme sa pozrieť na jednotlivé ceny podrobnejšie, zaslúžia si, aby sa o nich hovorilo čo najviac.

[Samuel]

 

MEDICÍNA A FYZIOLÓGIA

Ako povoliť brzdy, ktoré rakovina zaťahuje imunite?

Tohtoročná Nobelova cena za fyziológiu alebo medicínu predstavuje míľnik v boji proti rakovine. Vedci J. P. Allison a T. Honjo (jeden z Ameriky, druhý z Japonska) objavili revolučný prístup, ktorý povoľuje brzdy imunitného systému, čím mu však umožňuje napádať rakovinové bunky (áno, znie to trochu paradoxne).

Imunitný systém za bežných okolností zmutované bunky nájde a zničí, avšak rakovinové bunky nachádzajú sofistikované spôsoby, ako sa pred imunitnými útokmi skrývať, resp. ich úplne vypínať. Viacero typov rakoviny to robí tak, že zvyšujú množstvo proteínov CTLA-4 a PD-1, ktoré pôsobia ako brzdy v imunitných bunkách.

Kým Allison skúmal možnosti vypnutia proteínu CTLA-4, Honjo si zobral na mušku PD-1, dokopy tak ich výskum viedol k novej triede liekov, ktoré transformujú liečbu rakoviny – zistili, ako povoliť brzdy, ktoré imunitnému systému rakovina zaťahuje.

Veľkou výhodou tejto novej metódy je, že funguje na všetky typy rakoviny, aj v prípadoch, v ktorých tradičné terapie ako chemoterapia či rádioterapia zlyhávajú. Podobne ako ony, aj táto metóda prináša nežiaduce vedľajšie účinky, no klinické testy ukazujú, že sú často zvrátiteľné a výhody liečby tak presahujú jej riziká.

PS1: Napríklad pri rakovine prsníka zvýši táto metóda pravdepodobnosť vyliečenia z 20 % na takmer 66 %.

PS2: Touto novou liečbou sa dokonca podarilo zvrátiť metastázu (veľmi pokročilá forma rakoviny) u viacerých pacientov, čo je pri konvenčných terapiách takmer nemožné.

PS3: Na obrázku sú rakovinové bunky označené ružovou farbou, APC sú bunky identifikujúce rakovinu, T bunky sú tie, ktoré ich následne nájdu a zničia. Žltá farba zobrazuje brzdu (toto nám chvíľu trvalo identifikovať).

[Michaela]

 

FYZIKA

Podstata laserov je dokonalá synchronizácia svetla

Lasery poznáme z filmov, kde krájajú kamene a železo ako horúci nôž maslo, no aj z bežného života – máme laserové tlačiarne, čítačky diskov, ukazovátka či laserové operácie očí.

V porovnaní s lasermi pôsobí obyčajné svetlo z lampy či baterky pomerne nudne (no zato bezpečne). V skutočnosti je medzi nimi len veľmi malý rozdiel – a to v synchronizácii.

Predstavte si vaňu plnú vody. Keď po hladine párkrát udriete, začnú po nej pobehovať vlnky – niektoré doľava, niektoré doprava, začnú sa odrážať od stien, navzájom sa prelínať a križovať.

Keď sa vrchol jednej vlny stretne so spodkom druhej, navzájom sa vyrušia (deštrukcia). Ak sa vrchol jednej vlny stretne s vrcholom druhej, sčítajú sa a v danom bode vytvoria väčšiu vlnu (konštrukcia).

Kým je vlnenie na hladine chaotické a neusporiadané, nedeje sa nič extra zaujímavé – dochádza len k drobným lokálnym deštrukciám a konštrukciám.

Ak by sa však podarilo vlny synchronizovať, dokázali by vyskladať a vytvoriť jednu veľkú vlnu, ktorá pokojne pretečie cez okraj vane (určite ste to už niekedy skúšali).

Toto je presne podstata laserov – akurát namiesto vodných vĺn ide o svetlo, čiže o elektromagnetické vlnenie.

Názov LASER obsahuje cieľ (LA = light amplification) a aj spôsob, akým sa dosahuje (SER = stimulated emission of radiation). Technické detaily nás nebudú zaujímať, stačí si odniesť jediné: laser je dokonale synchronizované svetlo.

Toto všetko je však dlho známe, v oblasti laserovej fyziky už bolo udelených niekoľko Nobelových cien. Za čo sú tie dnešné?

Arthur Ashkin vymyslel niečo, čo by sa dalo nazvať laserovou pinzetou. Ide o metódu, pri ktorej sa pomocou silne fokusovaného laseru vyvíja drobná sila (na úrovni pikonewtonov), ktorá umožňuje manipulovať s mikroskopickými objektmi.

Druhú časť ceny si odniesli Gérard Mourou a Donna Struckland za výskum toho, ako vytvoriť čo najintenzívnejší laserový impulz. Ich metóda CPA (chirped pulse amplification) umožňuje vytvoriť až petawattový laser (milión miliárd wattov!).

Ide o pomerne technickú záležitosť, pointa sa však dá okresať: pôvodný problém pri dosahovaní vysokých intenzít bol taký, že ich energia ničila zariadenie, ktoré ich vytváralo. Podstatou CPA je impulz najprv natiahnuť (čiže vlastne zriediť), následne ho nechať zosilniť a potom znovu stlačiť (čiže znova zahustiť).

Je to, ako keby ste chceli zjesť extrémne štipľavú čili papričku a pomohli si tým, že ju najprv zriedite v dvoch litroch vody. Cez ústa vám prejde bez problémov, v tele sa voda rýchlo vstrebe a v žalúdku vám zostane chilli paprička – a to bez toho, aby vás štípali ústa.

Lasery sú cool a zároveň nesmierne užitočné. Zoznam ich aplikácií neustále rastie a toto určite nie je posledná Nobelova cena, ktorá do tejto oblasti putuje.

Ináč, nezávidím chémii, že bude musieť zajtra v atraktivite zápasiť s včerajšou cenou za medicínu a dnešnou za fyziku. Rád sa však nechám ohúriť!

[Samuel]

PS: Fyzikálny princíp laserovej pinzety si môžete vyskúšať aj doma, stačí na to fén a pingpongová loptička (viď posledný link).

 

CHÉMIA

Nobelovu cenu získala evolúcia chemikálií

Evolúcia organizmov sa dá zhrnúť do dvoch viet. Pri rozmnožovaní dochádza k nepresnostiam, ktoré spôsobujú, že potomkovia majú trochu iné vlastnosti než ich rodičia. Tí z nich, ktorí získali prospešné vlastnosti, sa budú množiť viac než ich menej šťastní súrodenci, a tak sa postupne ich vylepšené vlastnosti v populácii rozšíria.

Je to geniálne jednoduchý nápad, ktorý sa dá aplikovať aj na iné veci než organizmy – napríklad na chemikálie.

Enzýmy sú bielkoviny, ktoré katalyzujú (urýchľujú) chemické reakcie. Využívame ich všade: pri štiepení látok, spracovaní potravín, výrobe liečiv či pracích prostriedkov. Bez preháňania možno povedať, že sme od nich životne závislí – umožňujú väčšinu biochemických procesov v živých organizmoch.

Donedávna boli výskumníci závislí od enzýmov, ktoré sa vyskytovali v prírode. Tie zobrali a upravovali podľa svojich požiadaviek, čo je však problematické – mnohé enzýmy sú pomerne rozmaznané a potrebujú správnu teplotu, pH a iné veci, ináč nefungujú. Všetky tieto vlastnosti závisia od zloženia a stavby enzýmu a sú tak nepriamo zakódované v DNA.

Riadená evolúcia, za ktorú získala Frances Arnold polovicu Nobelovej ceny, je laboratórna technika proteínového inžinierstva, ktorá tieto problémy obchádza. Samotný proces sa skladá z dvoch častí: z vytvorenia mutácie na úseku DNA, ktorá tento enzým kóduje (tá je následne vložená do hosťovského organizmu) a identifikácie mutantov, ktoré získali lepšie vlastnosti. Tento postup sa následne opakuje a každou ďalšou generáciou sa blížime k požadovaným vlastnostiam. Je to vlastne taký nie úplne prirodzený výber.

(Mimochodom, zmeny DNA sa docielia buď chemickou mutáciou alebo pomocou PCR, za ktorú získal v roku 1993 Nobelovu cenu Kary Mullis.)

Druhú polovicu ceny si rozdelili George Smith a Gregory Winter za vývoj technológie „phage display“, ktorá využíva bakteriofágy (vírusy napádajúce baktérie) na výrobu protilátok, ktoré sa dobre viažu na antigény.

Gén kódujúci proteín so zaujímavými vlastnosťami sa vloží do DNA fágu, konkrétne do časti, ktorá kóduje proteíny na povrchu vírusu. Náš proteín sa teda objaví (po ang. „display“) na povrchu bakteriofágu (po ang. „phage“).

Vírusy necháme, nech sa prilepia na antigény a následne sa ich pokúsime zmyť. Tie, ktoré sa odplavia, zahodíme, tie ktoré vydržali, necháme rozmnožiť. Pri rozmnožovaní dochádza k mutáciám a niektorí potomkovia budú držať ešte pevnejšie (a tým pádom sa menej z nich odplaví a viac sa bude rozmnožovať ďalej). Vo výsledku tak získame vírusy produkujúce proteín, ktorý sa na antigén viaže oveľa lepšie ako ten pôvodný.

Táto technológia sa úspešne využíva na výrobu liekov na rakovinu a rôzne druhy zápalových ochorení – vďačíme jej napríklad aj za jeden z najpredávanejších liekov posledných rokov, Humira.

[Veronika a Lukáš]

——

Ak sa vám tieto príspevky páčili, sledujte nás na našej facebookovej stránke Vedátor_sk.

Teraz najčítanejšie