Nobelove nagrade 2021: dodiri, klimatske promjene i oblikovanje molekula

 

Komitet za dodjelu Nobelove nagrade za fiziologiju ili medicinu je odlučio dodijeliti ovu nagradu za otkriće receptora za temperaturu i dodir Davidu Juliusu i Ardemu Patapoutianu – za razumijevanje toga kako osjećamo svijet oko sebe.

Svijet osjećamo čulima, na naš mozak obrađuje informacije koje mu čula „pošalju“. Grlimo se, rukujemo, a osjećaj bola nas informiše o opasnosti. Svijet doživljavamo kroz čula, stupamo u interakciju s drugima preko čula. Pa ipak, dugo nismo znali mnogo o tome koji procesi omogućavaju sve ovo.

Ono što je neobično u slučaju ovih dobitnika jeste do da nisu prestari i da nisu predugo čekali na Nobelovu nagradu: Julius je većinu svog rada za koji ćee mu biti uručena nagrada obavio potkraj devedesetih i početkom 2000—tih, a Patapoutian između 2010. i 2015. Julius je rođen 1955. u New Yorku, a Pataputian 1967. u Bejrutu.

Njihov rad je identificirao nekoliko jonskih kanala koji su važni za mnoge fiziološke procese,  koji pored toga što nas informišu o temperaturi i dodiru, imaju ulogu i u regulaciji krvnog pritiska, disanja, pražnjenju mjehura  Također su bitni i za razumijevanje bolesti te toga kako nastaje – i nestaje bol. Jonski kanali su specijalizirani proteini u membrani ćelija koji omogućuju prolaz joni, čestica s nabojem niz elektrokemijski gradijent.

David Julius želio je identificirati staničnu metu kapsaicina, ljutog sastojka čili paprike, jer je vjerovao da bi to moglo pružiti temeljni uvid u mehanizme boli, jer ovaj sastojak uzrokuje stvaranje osjećaja topline i druge senzacije, ali se neje razumjelo kako to kapsaicin čini. On i njegovi suradnici stvorili su biblioteku od miliona fragmenata komplementarne DNK (cDNA) koji odgovaraju genima izraženim u osjetilnim neuronima koji mogu reagovati na bol, toplinu i dodir i pomoću te „biblioteke“ identificirali  TRPV1, prvi iz porodice jonskih kanala odgovornih za prenos osjeta temperature. Ovaj kanal se aktivira temperaturama koje se percipiraju kao bolne. Nakon otkrića TRPV1, David Julius i Ardem Patapoutian nezavisno su napravili još jedan važan napredak otkrićem TRPM8, srodnog receptora osjetljivog na hladnoću.

Patapoutian je dao značajan doprinos u identifikaciji novih ionskih kanala i receptora koji se aktiviraju temperaturom, mehaničkim silama ili povećanjem volumena stanica. Patapoutian i njegovi saradnici su identificirali dva mehanički aktivirana ionska kanala, nazvana PIEZO1 i PIEZO2 te gene za ove jonske kanale. Pokazalo se da ovi kanali predstavljaju potpuno novu klasu ionskih kanala koji funkcionišu kao mehanički senzori. Patapoutian također pokazao da je PIEZO2 glavni mehanički pretvarač u nervima i da je potreban za našu percepciju dodira i propriocepcije – našeg osjećaja za postor i mjesto dijelova dijela u prostoru.

Tri laureata dijele ovogodišnju Nobelovu nagradu za fiziku za proučavanje haotičnih i naizgled slučajnih pojava. Syukuro Manabe i Klaus Hasselmann će podijeliti jednu polovinu nagrade za to što su postavili  temelj našeg znanja o Zemljinoj klimi i kako čovječanstvo na nju utječe dok će Giorgio Parisi dobiti drugu polovinu za svoj revolucionarni doprinos teoriji neuređenih materijala i slučajnih procesa.

Syukuro „Suki“ Manabe je rođen 1931. ui japansko-američki je klimatolog i meteorolog. Pokazao je kako povećana razina ugljendioksida u atmosferi dovodi do povišenja temperatura na površini Zemlje i njenoj atmosferi. Njegovi su radovi postavili temelje za razvoj sadašnjih klimatskih modela. Trenutno radi pri Princetonu.

Klaus Hasselmann, njemački je oceanograf i klimatolog, rođen 1931. u Hamburgu, a radi trenutno pri Max Planck institutu za meteorologiju u Hamburgu. Stvorio je model koji povezuje vrijeme i klimu, odgovarajući na pitanje zašto klimatski modeli mogu biti pouzdani uprkos promjenjivim i haotičnim vremenskim uslovima. Pomoću njegovih metoda i modela dokazano je da je povećana temperatura u atmosferi posljedica ljudske emisije ugljendioksida.

Giorgio Parisi je italijanski teoretski fizičar, rođen 1948. u Rimu, a radi pri Univerzitu La Sapienza. Otkrio je skrivene uzorke u neurednim složenim materijalima, odnosno „red u neredu“. Njegova su otkrića jedan od najvažnijih doprinosa teoriji složenih sistema jer omogućuju razumijevanje i opisivanje različitih i naizgled sasvim slučajnih pojava, ne samo u fizici nego i u drugim, vrlo različitim područjima, poput matematike, biologije i umjetne inteligencije te mašinskog učenja. Parisi je erudita, naučnik renesansnog duha koji je dao veliki doprinos mnogim različitim granama nauke. 

Parisi je čak objasnio pravila po kojima čvorci stvaraju rojeve u jatu kada lete. U radu objavljenom 2010. godine u Proceedings of the National Academy of Science, Parisi je gledao kako je brzina kojom je letio jedan čvorak utjecala na brzinu ostalih. Otkrio je da ponašanje jedne životinje utječe na nju i utječe na ponašanje svih ostalih u skupini, bez obzira na to koliko je velika ili mala skupina. Brzina promjene brzine jednog čvorka izazvaće odgovarajuću promjenu brzine ostalih ptica u skupini. Djelujući kao grupa, imaju širi raspon percepcije nego što bi to imali kao pojedinci.

Ovogodišnje Nobelove nagrade za fiziku su praktično osporile pseudonauku klimatskih promjena u kojoj desničarske i antinaučne struje tvrde da ne postoji naučni konsenzus po pitanju klimatskih promjena, da klimatske promjene ne postoje ili da nisu izazvane ljudskom djelatnošću.

Komitet za dodjelu Nobelove nagrade za hemiju odlučio je da ove godine nagradu dodijeli Benjaminu Listu i Davidu W.C. MacMillanu „za razvoj asimetrične organokatalize". Da bismo razumjeli koliko je ovo otkriće neobično, briljantno i zanimljivo, moramo razumjeti i šta je kataliza.

Mi i sav svijet oko nas je izgrađen od molekula. Neke su jednostavne, poput molekule kisika ili vode, a neke, poput molekula proteina ili DNK, vrlo su kompleksne i imaju čak i različie nivoe prostorne kompleksnosti. I sve te molekule nastaju u nekih hemijskih ili biohemijskom reakcijama, no to nikako nisu jednostavni procesi. neke hemijske reakcije se nikada ne bi odvile da nije određenih molekula koje ubrzavaju ove reakcije i usmjeravaju ih - katalizatora. Neke molekule nikad ne bi nastale bez katalizatora. 

Benjamin List i David MacMillan dobitnici su Nobelove nagrade za hemiju 2021. za razvoj preciznog novog alata za molekularnu konstrukciju: organokatalize. To je imalo veliki utjecaj na farmaceutska istraživanja i industriju uopšte, a hemiju je učinilo zelenijom.

Obojica dobitnika Nobelove nagrade za hemiju 2021. su prilično mladi i nisu dugo čekali na priznanje za rad koji su postigli početkom 2000.-tih. Benjamin List rođen je 1968. u Frankfurtu, Njemačka 1997. sa Univerziteta Goethe u Frankfurtu, dok je David W.C. MacMillan rođen 1968. u Bellshillu, Ujedinjeno Kraljevstvo, a radi pri Univerzitetu Princeton, SAD.

Katalizatori iz hemijske reakcije izlaze nepromijenjeni, a smanjuju enegiju potrebnu za neku hemijsku reakciju.  Katalizatori su stoga temeljni alati hemičara, ali i molekularnih biologa. Međutim, u nauci se  dugo vjerovalo da u načelu postoje samo dvije vrste katalizatora: metalni katalizatori (recimo neki plemeniti medali) i enzimi u biološkim sistemima. Benjamin List i David MacMillan su 2000. godine, neovisno jedan o drugom, razvili treću vrstu katalize koja se zove  asimetrična organokataliza i nadograđuje se na male organske molekule.

Radi se o neobično jednostavnom i elegantnom konceptu: organski katalizatori imaju stabilan okvir ugljikovih atoma, na koji se mogu vezati aktivnije hemijske skupine. Oni često sadrže uobičajene elemente poput kisika, dušika, sumpora ili fosfora. To znači da su ti katalizatori ekološki prihvatljivi i jeftini za proizvodnju. Ovi katalizatori su od velike pomoći u industriji.

Tokom hemijske konstrukcije molekula često se javlja situacija u kojoj mogu nastati dvije molekule, koje su - poput naših ruku - jedna drugoj kao slika u ogledalu. Kao lijeve i desne varijante molekule. Ovu pojavu je uočio još Louis Pasteur, a mi je zove hiralnost. Hemičari često samo žele jednu od ovih oblika molekula, osobito pri proizvodnji lijekova, ali bilo je teško pronaći efikasne metode za to. čak, kao u prrimjeru talidomidda, jedna verzija molekule je poželjna a druga opasna. Ili, kao na primjeru limonena, jedna, s-verzija daje aromu limuna, a druga, R-limonen, daje aromu narandže.  Koncept koji su razvili Benjamin List i David MacMillan - asimetrična organokataliza - jednostavan je koliko i briljantan i omogućava upravo to - da se hemijska reakcija vodi tako da se dobija određena hiralna verzija jedne molekule