Nobel-díjak - 2014 • Alexey Levin • Tudományos hírek a "Elemekről" • Nobel-díjak, biokémia, neurobiológia, orvostudomány, molekuláris biológia, fizika, élettan

Nobel-díjak 2014

A bal oldalon: a Nobel-féle épületben, ahol a Karolinska Intézet Nobel Közgyűlése találkozik (Nobel-közgyűlés a Karolinska Institutetben) és meghirdeti a Nobel-díjat az élettan és az orvostudomány területén. jobbra: a Királyi Tudományos Akadémia épületét, amely a fizika és a kémia Nobel-díját nyerte el. Fotók a himetop.wikidot.com és kva.se

Az amerikai-brit neurophysiologist John O'Keefe és norvég kollégái, May-Britt Moser és Edward Moser három akadémiai kutatót fogadott el az agyi navigációs rendszer sejtjeinek felfedezésére, Japán fizikusok Isamu Akasaki, Hiroshi Amano és Shuji Nakamura – amely lehetővé tette világos és gazdaságos fehér fényforrások létrehozását, valamint az amerikaiak, William Moerner és Eric Betzig és a német Stefan Hell – "nagy felbontású fluoreszcens mikroszkóp kifejlesztéséhez".

Mint mindig, október első hétfőjén a 2014-es Nobel-díjak odaítélésére vonatkozó üzenetek Stockholmból érkeztek. Az első a "fiziológia és orvoslás", a következő napon – a fizikában, és egy nappal később – a kémia területén vált ismertté.

Élettudomány és orvostudomány: Agy és tér

Összhangban az akarata Alfred Nobel, a nyeremény az első kategóriában elnyerte a Nobel Közgyűlés a Karolinska Intézet (Karolinska Intézet) – az egyik legnagyobb orvosi európai egyetemek által alapított a rendelet a svéd király Charles XIII 1810-ben. Úgy ötven professzor, aki szavaz ajánlásai alapján a Nobel-bizottság (lásd. Nobel-bizottság orvosi-élettani), ebből mindössze öt tudósok. Október 6. a titkárnő Goran Hansson (Göran Hansson K.) nevű három idegtudományi kapott „a felfedezés a navigációs rendszer az agysejtek.”

Fele a pénznyeremény 8 millió korona volt a 75 éves professzor a University College London, John O'Keefe (John O'Keefe), aki született az Egyesült Államokban, Kanadában és vizsgálták tett egy akadémiai karrierjét Angliában. A másik fele osztva professzor Norvég Tudományos és Technológiai Trondheim Mei-Britt Moser (May-Britt Moser) és Edward Moser (Edvard Ingjald Moser), amelyek együttesen a fej része a University Institute for Systems Neurology Kavli (Kavli Institute for Systems Neuroscience). Ők voltak a negyedik házaspár valaha Nobel-díjat, és a második – a jelölést. Ez a három tudós felkerül a listára 204 tudósok,az 1901-2013-as években a Nobel-díj Élettani és Orvosi Nobel-díjának 105 kitüntetése során. May-Britt a tizenegyedik nő, aki ebben a jelölésben részesült.

A Nobel-díj nyertesei az élettan és orvostudomány 2014-ben (balról jobbra: John O'Keefe, May-Britt Moser, Edward Moser). Kép nobelprize.org-ból

A címzettek neve nem volt váratlan. Eredményeiket már régóta felismerték, hogy a legnagyobb mértékben hozzájárulnak a modern neurofiziológiához. 2013-ban Moser elnyerte a Louisa Gross Horwitz-díjat (a Louisa Gross Horwitz-díjat), amelyet 1967-től a Columbia Egyetem évente odaítél a biológiai és biokémiai kutatáshoz. Ez a díj Stockholm történelmi látogatójának megbízható előrelátása. A mai napig a nyertesek majdnem fele – 95 ember közül 47 – később Nobel-díjat kapott.

Az új laureátusok felfedezései lehetővé tették annak megértését, hogy az emlősállatok mely struktúrái ismerik fel a test helyét a térben és a tájékozódásban a mozgás során. A patkányokon és egereken végzett évelő kísérleteken alapulnak, amelyeket az 1960-as évek végén Londonban indított O'Keefe. Azt hitték, hogy az állatok az érzékekből érkező jelek közvetlen hatása alatt járnak el.Az 1948-ban az amerikai pszichológus Edward Tolman (lásd például Sheri J. Y. Mizumori, 2006. Hippocampal helyszínek: egy idegi kód az epizodikus emlékezethez?) Volt alternatív elmélet. Tolman arra a következtetésre jutott, hogy a környezet kognitív térképei alakulnak ki az állatok agyában, amelyek a viselkedés alapjaként szolgálnak. Tolman azonban nem tudta megmondani, hogy az agy mely területe épít ezeknek a térképeknek és hogyan működnek.

Lehetővé vált a probléma megoldásának megközelítése az 1950-es évek végén, amikor egy technika úgy tűnt, hogy nyomon követi az idegsejtek tevékenységét beültetett mikroelektródákkal. Ő és O'Keefe elfoglalták. Kísérletei azt mutatták, hogy a hippocampus egyes sejtjei, az archicortex páros szekciója (régi agykéreg) felelősek a térbeli elhelyezkedéssel kapcsolatos információk elemzéséért. Aztán már tudták, hogy a hippocampus kulcsfontosságú szerepet játszik a memorizálás és a tanulás folyamatában. O'Keefe és kollégái a hippocampusban piramis idegsejteket találtak, amelyek csak akkor izgatottak, ha a vizsgált állatok a környező tér bizonyos területein ("helyszínek") vannak. O'Keefe azt sugallta, hogy ők voltak azok, akik a térbeli leképezés alapjául szolgáltak, amit Tolman írt. Úgy hívják, hogy a sejtek sejtjeit.

O'Keefe azt javasolta, hogy ezek a sejtek információkat tároljanak a térbeli környezet egyes "címkékéről", amelyeket az állatok főként látásuk révén érzékelnek. Az állatok minden pozícióját a gerjesztett sejtek bizonyos hálózata választja ki, amely stabil marad mindaddig, amíg az állat ezen a helyen található. Amikor egy állat mozog, ezek a hálózatok új térbeli térképekké válnak. Amikor a patkányt visszaültették eredeti helyére, az eredeti gerjesztett sejtek hálózatát helyreállították.

A következő lépés a Moser-páros volt. 1996-ban az O'Keefe laboratóriumában dolgozták, ahol elsajátították a neurális tevékenység rögzítésének módját. 2005-ben felfedezték, hogy a hippocampus mellett az agy entorhinalis kéregében (lásd Entorhinal cortex) vannak olyan neuronok, amelyek szintén részt vesznek a környezeti feltérképezésben. Információt kapnak az érzékszervektől társult agyi részektől, és ezáltal reagálnak az állat fejének és testének helyzetében bekövetkező változásokra. Rácsos neuronoknak nevezik (rácssejtek), és a rácsos neuronok vagy a rács idegsejtjeiként is lefordítják az oroszt. Ez annak köszönhető, hogy a grid neuronok izgatottak,amikor az állat feltárja a körülötte lévő térséget, és ezeknek a neuronoknak a gerjesztési régiói közel állnak a rendszeres háromszög alakú rácshoz (1. 1996-ban az amerikai neurofiziológus, William Kelvin (William H. Calvin) elméletileg eleve megjósolta őket, és Moser és munkatársai kísérletileg felfedezték őket. Ezek a sejtek jeleket cserélnek a hippocampusban elhelyezkedő sejtekkel. Később az entorhinalis kortex közelében felfedezték a rácsos neuronok analógjait, amelyek szintén a hippocampussal kommunikálnak. Ez a rendszer elvégzi a környezet dinamikus leképezését, amit Tolmen előre jelzett.

Ábra. 1. A sejthelyi gerjesztés területei (a bal oldalon) és a rácsos neuronok (a jobb oldalon). Fekete vonalak mutatják a patkány pályáját, amely a környező teret tanulmányozta; piros pontok megjelölt helyeken, ahol a neuronok izgalomba kerültek. Edvard I. Moser, Emilio Kropff és May-Britt Moser képe, 2008. Helyi sejtek, rácssejtek és az agy térbeli képviseleti rendszere

Az új laureátusok felfedezései nem csak az alapvető tudomány számára fontosak. Az idegi tudósok úgy vélik, hogy az emlősök és az emberek agyának navigációs rendszerei meglehetősen hasonlóak. Régóta ismert, hogy az entorhinalis kortex károsodott az Alzheimer-kór korai szakaszában.A működésének sajátosságainak tanulmányozása fontos információkkal szolgál a betegség és más neurodegeneratív rendellenességek leküzdésére.

Fizika: Teljesítmény a LED-ekben

A Nobel-díj a fizikában is nem volt váratlan. 2011-13-ban a fizika és a kozmológia területén végzett pusztán alapkutatásra ítélték. Feltételezhető, hogy a Királyi Tudományos Akadémia ezúttal tiszteletben tartja az alkalmazott kutatásokat, amelyeket 2007-ben, 2009-ben és 2010-ben tett. És így történt. Október 7-én az Akadémia állandó titkára, Staffan Normark bejelentette, hogy a 2014-es díjat "a hatékony kék fénykibocsátó diódák feltalálásáért kapta, amely lehetővé tette világos és gazdaságos fehér fényforrások létrehozását". A díjakat Japán fizikusok Isamu Akasaki (Isamu Akasaki) és Hiroshi Amano (Hiroshi Amano), valamint Shuji Nakamura nyerte el, akik egy magánvállalat elhagyása után nem találtak munkát a japán egyetemi rendszerben, és 15 éve professzor. a kaliforniai Egyetemen, Santa Barbara-ban. A 108. Nobel-díjat a fizika részeként egy sorban kapta, hozzátéve, hogy a 196 rangsorolók korábbi listájára került.

A 2014-es Nobel-díj nyertesei a fizikában (balról jobbra: Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, Shuji Nakamura). Fotók a Fizika Díj odaítéléséről szóló üzenetről a folyóirat weboldaláról tudomány

A fénykibocsátó diódák, vagy egyszerűen a LED-ek olyan félvezető eszközök, amelyek elektromos áram áramát könnyűvé alakítják. Ezt a hatást elektrolumineszcenciának nevezik. 1907-ben először a szilícium-karbid-kristályon keresztül kísérletezett kísérletekben figyelték meg Guglielmo Marconi asszisztens, majd később Henry Joseph Round jelentős feltalálói és rádiós technikus, majd tizenhat év után egyértelműen közelítette meg a LED találmányát (lásd N. Zheludev, 2007. A 100 éves történelem).

A fénykibocsátó diódák munkáját a félvezetők érintkezési zónájában lévő folyamatok okozzák, lyukkal és elektronikus vezetőképességgel – az ún. p-naz 1939-ben megnyitott amerikai Russell Ohl (Russell Ohl) amerikai mérnökök átálltak. tovább p-n– az átmenet olyan elektromos mezőt eredményez, amely potenciális akadályt hoz létre, amely megakadályozza az elektronok áramlását a lyukvezető képességgel rendelkező térségbe és az lyukakat az elektronba.Ha egy külső mezőt mínusz jelrel láttunk el az elektronrégión, akkor a gát magassága csökken, így az elektronok és a lyukak egymás felé való áttérésén keresztül kezdik áttérni. Millió másodperc (vagy még gyorsabb) után rekombinálnak, és kibocsátják a fény mennyiségeit. A sugárzás spektrális összetételét a félvezető típus határozza meg. A gallium-arzén alapú LED-ek infravörös és vörös sugárzást, gallium-foszfidot – sárga és zöld színt hoznak létre. A gallium-nitrid alapú készülékek kék, kék és ultraibolya sugárzást eredményeznek. A világon az első piros LED-et Nick Holonyak amerikai fizikus találtatta ki 1962-ben, de a kék LED-ek csak három évtizeddel később jelentek meg.

Különleges adalékokat vezetnek be a félvezetőkbe, hogy különböző vezetési képességű területeket hozzanak létre. Tehát az elektronduktivitás elérése érdekében a gallium-nitridet szilíciummal adalékolhatjuk, és egy lyukvezetést kaphatunk magnéziummal. A hatékony LED-ek létrehozásához meg kell fejleszteni az alap félvezető hibásan mentes kristályait, majd a megfelelő adalékokkal és megfelelő arányban fel kell őket tölteni. A gallium-nitrid esetében nagyon nehéz, ezért a LED-ek gyártására szolgáló technológia későn jelent meg.Isasa Akasaki 1974-ben kezdett dolgozni ezzel az anyaggal. A nyolcvanas évek közepére Hiroshi Amano és munkatársai olcsó optikai tulajdonságokkal rendelkező gallium-nitrid kristályokat fejlesztettek ki. Ehhez az 1970-es évek első felében létrehozott gőz-gázfázis szubsztrátumra történő lerakódásának módszerét használták. Hasonló technikát később Nakamura talált ki, aki a japán Nichia Chemical Industries cégnél dolgozott. Az 1990-es évek elején az Akasaki és a Nakamura csapatok alumínium vagy indium ötvözetekkel rendelkező gallium-nitrid előállítására szolgáló technológiákat fejlesztettek ki, és különböző vezetőképességű félvezetők (az úgynevezett félvezető heterosztruktúrák) szendvicseket gyártottak. A heterostruktúrák alapján mindkét csoport kék LED-et hozott létre az 1990-es évek első felében, amelyet a félvezető ipar elsajátított.

Ábra. 2. Szuper világos kék LED-eket szinte mindenütt használnak. Kép a linustechtips.com oldalról

A kék LED-eket nagyon széles körben használják. A diódákkal együtt, amelyek más színeket adnak, teljes színű kijelzőkben és világítóeszközökben használják (2.A kék LED-ek a különböző típusú lámpák alapjául is szolgálnak – a foszforvegyületek molekuláit gerjesztik sugárzással, és vörös és zöld fotont bocsátanak ki, amelyek kékkel keverednek és fehér fényt adnak. Ezek a lámpák akár 300 lumen villamos teljesítményt is biztosítanak wattonként (izzólámpák esetében ez a mutató legfeljebb 16-17 lm / W), és hatékonysága meghaladhatja az 50% -ot. A gyártás során drágábbak, mint a volfrámszálak és a gázüzemű izzók, de költsége gyorsan csökken, és a rendelkezésre állás nő. Ezért az új Nobel-díjasok munkája nem csak egy jelentős tudományos és technológiai eredmény, hanem valódi eszköz a globális energiamegtakarításhoz. A világ villamos energiájának 20% -át megvilágításra fordítják, de a LED-ek nagymértékű használata csökkentheti ezt a részesedést 4% -ra.

Kémia: Mikroszkópia a partok nélkül

A kémiai Nobel-díjasok száma lényegesen kisebb, mint a másik két jelölésnél. 1901-től 2013-ig 106-szor kapott 169 kutatót (és nem mindegyikük vegyész volt). 2014-ben három, a nagy felbontású fluoreszcens mikroszkóp kifejlesztéséért odaítélt díjasok csatlakoztak hozzájuk.Érdekes, hogy mindegyikük az adminisztratív pozíciókat foglalja el. A Stanford Egyetem kémiai vezetője, William E. Moerner, a virginiai Howard Hughes Orvostudományi Intézet laboratóriumának vezetője, Eric Betzig és egy román származású Stefan Hell, a Mac Society Biofizikai Kémiai Intézetének igazgatója. Göttingenben és a Heidelbergi Német Rákkutató Központ (DKFZ) osztályának vezetőjével.

A 2014-es Nobel-díj nyertesei (balról jobbra: Eric Betzig, Stefan Hell, William Moerner). Kép nobelprize.org-ból

Az új szakemberek munkái a biokémia, a fizikai optika és a molekuláris biológia találkozásánál helyezkednek el. Két új optikai mikroszkópiás módszer kialakulásához vezetett, amelyek lehetővé tették a mikroszkopikus megfigyelések úgynevezett diffrakciós határát, amely 1870-80-ban megalapította az Ernst Karl Abbe német fizikusnak (első kísérletileg, majd elméletileg). Abbe azt mutatta, hogy a fény hullám természete nem teszi lehetővé a végtelenség javítását az optikai eszközök felbontásában. Különösen a munkájából következik, hogy az alkatrészek minimális mérete,amely egy klasszikus optikai mikroszkóp számára hozzáférhető, egyenlő a fényhullám hossza felének részleges arányával a közeg törésmutatójával, amely kitölti a helyet a mikroszkóp objektum és a megfigyelés tárgya között. A gyakorlatban ez az együttható általában nem haladja meg az 1,5-1,6 értéket, ezért a mikroszkóp felbontásának határértéke megfelel a fény hullámhosszának egyharmadának. Mivel az emberi szem nem érzékeli a 380-400 nanométeresnél rövidebb hullámokat, a standard optikai mikroszkópia lehetőségei csak a 130-140 nanométert meghaladó objektumok megfigyelésére korlátozódnak. Ez elegendő a baktériumok, a sejtek és még a nagy celluláris szervek, például a mitokondriumok számára, de túl kevés a vírusok mikroszkópos vizsgálatához, nem is beszélve a fehérjemolekulákról.

1980-90-ben a tudósok számos lehetőséget találtak a mikrokozmosz tanulmányozásához használt optikai eszközök felbontásának javítására. A konfokális és multi-foton (Multiphoton mikroszkópos) rendszerek lehetővé tették a megkülönböztethető objektumok minimális méretének mintegy félig történő csökkentését, és a közel-mező szkennelő mikroszkópokat – akár tízszeresére is. Azonban a közeli mező mikroszkópjának számos korlátja van, és nem igényel széles alkalmazhatóságot.A két Nobel-díjas optikai mikroszkóp technológiája nemcsak rendkívül nagy felbontást biztosít, hanem számos objektum megfigyelésére is alkalmas. Köszönetük és más hasonló módszereknek köszönhetően az optikai mikroszkópia gyorsan nanoszkópiává változik.

Mindkét technológia referenciahálózatokat használ fel izzó molekulákból. Az ilyen rácsok létre vannak hozva és működnek másként, de mindkét esetben azok elemeit egymástól függetlenül regisztrálják. Ezért a rácsokból származó információkat a diffrakciós határérték figyelembevételével értelmezik, ami az új módszereket gyakorlatilag univerzálisvá teszi.

A Stefan Hell módszert az úgynevezett stimulált emissziós kimerülés (Stimulated Emission Depletion, STED) alapja. A vizsgált tárgy molekuláris markerekkel van jelölve, amelyek lézersugárzás hatására fénykvantát (fluoreszcenciát) bocsátanak ki (ilyen objektum lehet egy DNS-molekula, és a címkék fluoreszcens antitestek lehetnek). Ugyanezek a molekulák azonban késleltetéssel és hosszabb hullámhosszú fotonokkal bocsáthatók ki, ha egy másik lézerrel besugározzuk, megfelelően megválasztott jellemzőkkel.Hagyja, hogy az első lézer egy kör alakú fénysugárat hozzon létre a minta felületén, és a második fókusz sugarai a gyűrűben a teljes körzetet lefedik, kivéve a centrumot. A központi zónában levő jelek egy hullámhosszon ragyognak, és a gyűrű belsejében lévő jelek a másikra mutatnak, sokkal nagyobbak (ez a fluoreszkáló emisszió kimerülése). Ha a mikroszkóp vevő rendszerét csak rövid hullámú fotonok regisztrálásához állítjuk be, a kimerült emissziójú területek kimerülnek.

Ezt a rendszert pásztázó mikroszkópává alakíthatjuk, ha a lézersugarak a tárgy különböző részei felé irányulnak, a fénysávokból származó jeleket számítógépen rögzítik és feldolgozzák. Ha a címkék sűrűn fedik le a tárgy felületét, akkor az ilyen vizsgálat során kapott képek reprodukálják szerkezetét. Az ilyen eszköz felbontásának mértékét a nem elnyomott emissziójú zónák nagysága határozza meg, amely elvileg még nanometrikus méretű is lehet.

A pokol 1993-94-ben kifejlesztett egy módszertanelméletet, 1999-ben a gyakorlatban bizonyította. Eleinte a STED egy kicsit jobb volt, mint a konfokális mikroszkópok. Most a gyári készülékeken 30-80 nanométeres felbontást és a kísérletben – két és fél nanometert (3.

Ábra. 3. Fénykép ugyanarra a tárgyra konfokális mikroszkóppal (a bal oldalon) és a STED-rendszer (a jobb oldalon). A léptékhossz hosszát 1 mikron a nagyméretű vonalzók hosszúsága a bemetszésben 250 nm. A kép a cikkből Benjamin Harke, Jan Keller, Chaitanya K. Ullal, Volker Westphal, Andreas Schönle és Stefan W. Hell, 2008. Felbontás felbontása STED mikroszkópos

A második módszer PALM, Photoactivated Localization Microscopy. Eric Betzig-t elismerték fő fejlesztőjeként (bár a Hughes Intézet munkatársa (Harald F. Hess) szinte ugyanazt a hozzájárulást tettette). Ezt a technológiát először 2006-ban mutatták be. A harmadik győztes, William Moerner nem tanulmányozott optikai mikroszkópiát. A PALM azonban olyan fehérjéket használ, amelyek kék vagy ultraibolya fény hatására fényes zöld fényt bocsátanak ki. Ezeket az úgynevezett zöld fluoreszcens fehérjéket (zöld fluoreszcens fehérje, GFP) először izolálták a medúzafajok szövetéből Aequorea victoriaés később más tengeri gerinctelen állatokban találták (felfedezésüket a 2008-as kémiai Nobel-díj jelezte). 1989-ben Mörner volt az első a világon, hogy képes volt mérni a fényelnyelést egyetlen molekulával, és 8 év után felfedezte a lézersugárzás segítségével az egyes GFP molekulák fluoreszcenciájának ellenőrzését.

Moener felfedezése kihasználta Betzig és munkatársai számára a PALM technológiát.Ez a lézersugárzás olyan hullámhosszon alapul, amely a zöld fluoreszcens fehérjék gerjesztéséhez szükséges. A minta ismételten besugárzott nagyon gyenge lézerimpulzusokkal, amelyek kis számú fotont tartalmaznak. Ezek a fotonok a fehérjemolekulák felfrissítik – ismét, kis mennyiségben. Mivel a fény véletlenszerűen kiválasztja ezeket a molekulákat egy meglehetősen nagy méretű tárgy felületén, szinte mindegyik egymástól elválasztja az Abbe-határnál nagyobb távolságokat. Az egyes fényerőközpontok helyzete nagy pontossággal rögzíthető optikai mikroszkóppal. Különben az ilyen képek nem nagyon informatívak, azonban az összes kép számítógépes analízise, ​​amely valószínűségi algoritmusok alapján történik, lehetővé teszi az eredeti minta struktúrájának visszaállítását. Ma a PALM 20 nanométeres felbontást biztosít, és valószínűleg ez nem a határ (4.

Ábra. 4. Az élő sejt aktin cytoskeleton képe. Középső rész A PALM technológiával készített képek. Kép a cfn.kit.edu-ból

Összefoglalva, érdemes megemlíteni, hogy a STED és a PALM semmiképpen sem az egyetlen optikai szupermikroszkópos rendszer, de ezeken a Nobel-díj csökkent.Miért pontosan ez egy nagy titok.

Alexey Levin


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: