Nobelprisene - 2014 • Alexey Levin • Vitenskapsnyheter om "Elements" • Nobelpriser, biokjemi, neurobiologi, medisin, molekylærbiologi, fysikk, fysiologi

Nobelprisene 2014

Til venstre: Nobelforumets bygning, der Nobelforsamlingen ved Karolinska Instituttet møtes (Nobelforsamlingen ved Karolinska Institutet) og kunngjør Nobelprisen i fysiologi og medisin. høyre: Byggingen av Det Kongelige Svenske Vitenskapsakademiet, som annonserte Nobelprisvinnerne i fysikk og kjemi. Bilder fra himetop.wikidot.com og kva.se

Tre naturvitenskapelige priser i 2014 ble mottatt av den amerikansk-britiske nevrofysiologen John O'Keefe og hans norske kolleger May-Britt Moser og Edward Moser for "oppdagelse av hjernens navigasjonssystemceller", japanske fysikere Isamu Akasaki, Hiroshi Amano og Shuji Nakamura – for å oppfatte effektive blå lysdioder, som gjorde det mulig å skape lyse og økonomiske kilder til hvitt lys, samt amerikanerne William Moerner og Eric Betzig og tyske Stefan Hell – "for utvikling av fluorescensmikroskopi med høy oppløsning".

Som alltid, på den første mandag i oktober, begynte meldinger om tildeling av Nobelprisene i 2014 å komme fra Stockholm. Den første ble kjent laureates i nominasjonen "fysiologi og medisin", neste dag – i fysikk og en dag senere – innen kjemi.

Fysiologi og medisin: Hjerne og rom

I henhold til Alfred Nobels testamente ble prisen i den første kategorien tildelt av Karolinska Institutets Nobelforsamling – et av de største medisinske universitetene i Europa, grunnlagt ved dekret av den svenske kongen Karl XIII i 1810. Den har femti professorer som stemmer med anbefalinger fra Nobelkomiteen (se Nobelkomiteen for fysiologi eller medisin), som bare omfatter fem forskere. Den 6. oktober ringte hans sekretær Goran Hansson (Göran K. Hansson) navnene på tre nevrologer til "oppdagelsen av cellene i hjernens navigasjonssystem".

Den 75 år gamle professoren ved London University College, John O'Keefe, som ble født i USA, studerte i Canada og laget en vitenskapelig karriere i England, mottok halvparten av pengepremien på 8 millioner kroner. Andre halvdel ble delt av professorer fra Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet i Trondheim May-Britt Moser (May-Britt Moser) og Edward Moser (Edvard Ingjald Moser), som også er leder av Universitetet for System Neurology Kavli (Kavli Institute for Systems Neuroscience). De var det fjerde giftparet som noensinne fikk Nobelprisen, og den andre i deres nominasjon. Disse tre forskerne la til listen over 204 forskerebemerket i årene 1901-2013 i løpet av 105 priser av Nobelprisen i fysiologi eller medisin. May-Britt er den ellevte kvinnen tildelt i denne nominasjonen.

Vinnerne av Nobelprisen i fysiologi og medisin 2014 (fra venstre til høyre: John O'Keefe, May-Britt Moser, Edward Moser). Bilde fra nobelprize.org

Navnene på mottakerne var ikke uventede. Resultatene har lenge blitt anerkjent som det største bidraget til moderne nevrofysiologi. I 2013 ble Moser tildelt Louisa Gross Horwitz-prisen (Louisa Gross Horwitz-prisen), siden 1967 årlig tildelt av Columbia University for forskning innen biologi og biokjemi. Denne prisen betraktes som en pålitelig forutsetning for et besøk i Stockholm. Hittil har nesten halvparten av sine laureates – 47 av 95 personer – mottatt Nobelprisene.

Oppdagelsene av nye laureater gjorde det mulig å forstå hvilke strukturer av pattedyrshjernen gjenkjenne kroppens posisjon i rom og orientering under bevegelse. De er basert på flerårige eksperimenter på rotter og mus, startet av O'Keefe i London i slutten av 1960-tallet. Da ble det antatt at dyrene opptrer under direkte påvirkning av signaler mottatt fra sansene.Imidlertid var det en alternativ teori som ble foreslått i 1948 av den amerikanske psykologen Edward Tolman (se anmeldelsen fra Sheri J. Y. Mizumori, 2006. Hippokampale stedfelt: En neural kode for episodisk minne?). Tolman konkluderte med at kognitive kart av miljøet dannes i hjernen til dyr, som danner grunnlag for atferd. Tolman kunne imidlertid ikke fortelle hvilket område av hjernen som bygger disse kartene og hvordan de fungerer.

Det ble mulig å nærme seg løsningen på dette problemet på slutten av 1950-tallet, da en teknikk syntes å overvåke aktiviteten til nevroner ved hjelp av implanterte mikroelektroder. Hennes og O'Keefe engasjert. Hans eksperimenter viste at noen celler i hippocampus, den parrede delen av archicortex (gammel hjernebark), er ansvarlige for å analysere informasjon om romlig plassering. Da var det allerede kjent at hippocampus spiller en avgjørende rolle i prosessene for memorisering og læring. O'Keefe og hans kollegaer fant pyramidale nevroner i hippocampusen som bare er begeistret hvis testdyrene er i bestemte områder av det omkringliggende rommet ("stedfelt"). O'Keefe foreslo at det var de som tjente som grunnlag for romlig kartlegging, som Tolman skrev om. De kalles sted celler nevroner.

O'Keefe foreslo at disse cellene lagrer informasjon om bestemte "koder" av det romlige miljøet som dyr oppfatter hovedsakelig gjennom deres syn. Hver posisjon av dyret blir besvart av visse nettverk av spennende celler, som forblir stabile så lenge dyret er på dette stedet. Når et dyr beveger seg, endres disse nettverkene for å danne nye romskart. Når rotta ble returnert til sin opprinnelige plass, ble det opprinnelige nettverket av spente celler gjenopprettet.

Det neste trinnet ble gjort av Moser-paret. I 1996 arbeidet de i laboratoriet til O'Keefe, hvor de mestret sin metode for opptak av nevoral aktivitet. I 2005 oppdaget de at ved siden av hippocampus, i hjernens entorhinal cortex (se Entorhinal cortex), er det nevroner som også er involvert i miljøkartlegging. De mottar informasjon fra deler av hjernen forbundet med sensoriske organer, og derved reagerer på endringer i posisjonen til dyrets hode og kropp. De kalles gridneuroner (rutenett) og blir også oversatt til russisk som gitterneuroner eller nevroner i rutenettet. Dette skyldes det faktum at gridneuroner er begeistret,når dyret utforsker plassen rundt det, og eksitasjonsområdene til disse nevronene danner et nært regelmessig trekantet gitter (figur 1). I 1996 ble de rent teoretisk spådd av den amerikanske neurofysiologen William Kelvin (William H. Calvin), og Moser og deres kollegaer oppdaget dem eksperimentelt. Disse cellene utveksler signaler med stedceller plassert i hippocampus. Senere, nær entorhinal cortex ble analoger av gitterneuroner oppdaget, som også kommuniserer med hippocampus. Dette systemet utfører den dynamiske kartleggingen av miljøet, en gang spådd av Tolmen.

Fig. 1. Områder med celle-eksitering (til venstre) og gitterneuroner (til høyre). Svarte linjer Vis rottens bane, som studerte det omkringliggende rommet; røde prikker markerte steder hvor nevroner var begeistret. Bilde fra Edvard I. Moser, Emilio Kropff og May-Britt Moser, 2008. Plasser celler, gridceller og hjernens romlige representasjonssystem

Oppdagelser av nye laureater er viktige, ikke bare for grunnleggende vitenskap. Neuroscientists mener at navigasjonssystemene i hjernen hos pattedyr og mennesker er ganske like. Det har lenge vært kjent at den entorhine cortex er skadet i de tidlige stadier av Alzheimers sykdom.Studien av funksjonene i sin funksjon lover å gi viktig informasjon for bekjempelse av denne sykdommen og andre nevrodegenerative forstyrrelser.

Fysikk: All strøm i lysdioder

Nobelprisen i fysikk var heller ikke uventet. I 2011-13 ble hun utdelt for rent grunnforskning innen fysikk og kosmologi. Det kan antas at Det Kongelige svenske vitenskapsakademiet denne gangen vil hylle anvendt forskning, som den gjorde i 2007, 2009 og 2010. Og så skjedde det. Den 7. oktober annonserte permanente sekretær for akademiet Staffan Normark at prisen i 2014 ble tildelt "for oppfinnelsen av effektive blå lysdioder, som gjorde det mulig å skape lyse og økonomiske kilder til hvitt lys." Prisene ble tildelt japanske fysikere Isamu Akasaki (Isamu Akasaki) og Hiroshi Amano (Hiroshi Amano) fra universitetet i Nagoya, samt Shuji Nakamura, som etter å ha forlatt et privat firma, ikke kunne finne arbeid i det japanske universitetssystemet og vært professor i 15 år. ved University of California, Santa Barbara. De mottok 108. Nobelprisen i fysikk på rad, og legger til forrige liste over 196 laureater.

Vinnerne av Nobelprisen i fysikk 2014 (fra venstre til høyre: Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, Shuji Nakamura). Bilder fra meldingen om prisutdelingen i fysikk fra tidsskriftets nettside vitenskap

Lysdioder, eller bare lysdioder, er halvlederinnretninger som konverterer energi fra en elektrisk strøm til lys. Denne effekten kalles elektroluminescens. I 1907 ble han først observert i eksperimenter med passasje av strøm gjennom en silisiumkarbidkrystall av assistent Guglielmo Marconi og senere selv en stor oppfinner og radiotekniker Henry Joseph Round og etter sytten år gjenoppdagde Nizhny Novgorod radiolaboratoriet av Oleg Losev, som nå som nå klart nærmet seg oppfinnelsen av lysdioden (se N. Zheludev, 2007. Den 100 år lange historien).

Arbeidet med lysemitterende dioder er forårsaket av prosesser i kontaktområdet til halvledere med hull- og elektronledningsevne – den såkalte p-n--overganger oppdaget i 1939 av amerikansk ingeniør Russell Ohl (Russell Ohl). på p-n--overgangen oppstår et elektrisk felt som skaper en potensiell barriere som forhindrer strømmen av elektroner inn i regionen med hullledningsevne og hullene inn i elektronen.Ved bruk av et eksternt felt med et minustegn på elektronregionen, reduseres barrierens høyde, så elektroner og hull begynner å migrere gjennom overgangen til hverandre. Etter milliontedeler av et sekund (eller enda raskere) rekombinerer de, og sender ut lysekvantum. Den spektrale sammensetningen av strålingen bestemmes av typen halvleder. Lysdioder basert på galliumarsenid genererer infrarød og rød stråling, galliumfosfid – gul og grønn. Enheter basert på galliumnitrid produserer blå, blå og ultrafiolett stråling. Den første røde lysdioden i verden ble oppfunnet av amerikansk fysiker Nick Holonyak i 1962, men blå lysdioder dukket opp bare tre tiår senere.

Spesielle tilsetningsstoffer innføres i halvledere for å skape områder med forskjellige typer ledningsevne. Så, for å oppnå elektronledningsevne kan galliumnitrid dopes med silisium og for å oppnå en hullledningsevne med magnesium. For å skape effektive lysdioder er det nødvendig å dyrke mangelfri krystaller av basalhalvlederen, og deretter dope dem med de nødvendige tilsetningsstoffene og i de riktige proporsjonene. For galliumnitrid er det svært vanskelig, derfor syntes teknologien for produksjon av lysdioder basert på den ganske sent.Isamu Akasaki begynte å jobbe med dette stoffet i 1974. Ved midten av 1980-tallet hadde han, Hiroshi Amano, og deres kolleger utviklet en billig måte å produsere galliumnitridkrystaller med høye optiske egenskaper. For å gjøre dette brukte de metoden for avsetning av et stoff på et substrat fra dampgassfasen, opprettet i første halvdel av 1970-tallet. En lignende teknikk ble senere oppfunnet av Nakamura, som da arbeidet på det japanske selskapet Nichia Chemical Industries. Ved begynnelsen av 1990-tallet utviklet Akasaki og Nakamura-teamene teknologier for å produsere galliumnitrid med aluminium eller indiumlegeringer, og brukte dem til å produsere smørbrød fra flere halvledere med ulike typer ledningsevne (de såkalte halvleder-heterostrukturer). Det var på grunnlag av heterostrukturer at begge gruppene i første halvdel av 1990-tallet opprettet blå lysdioder, som halvlederindustrien behersket.

Fig. 2. Super-lyse blå lysdioder brukes nå nesten overalt. Bilde fra linustechtips.com

Enheter på blå lysdioder er svært utbredt. De, sammen med dioder, som gir andre farger, brukes i fullfargedisplayer og belysningsapparater (figur 2).Blå lysdioder tjener også som basis for lamper av en annen type – de spenrer molekyler av fosforforbindelser med deres stråling, og de avgir røde og grønne fotoner som blander med blå og gir hvitt lys. Slike lamper gir en lysstrøm på opptil 300 lumen per watt elektrisk kraft (for glødelamper, denne indikatoren er i beste fall 16-17 lm / W), og deres effektivitet kan overstige 50%. I produksjon er de dyrere enn pærer med wolframfilamenter og gasspærer, men kostnadene deres faller raskt, og tilgjengeligheten øker. Derfor er arbeidet til de nye nobelprisvinnerne ikke bare en stor vitenskapelig og teknologisk prestasjon, men også et virkelig verktøy for global energibesparing. Nå brukes 20% av verdens strøm til belysning, men den massive bruken av lysdioder kan redusere denne andel til 4%.

Kjemi: Mikroskopi uten kyster

Det totale antall nobelprisvinnere i kjemi er merkbart mindre enn i de to andre nominasjonene. Fra 1901 til 2013 ble hun tildelt 106 ganger til 169 forskere (og ikke alle av dem var kjemikere). I 2014 ble de sammen med tre laureater tildelt "for utvikling av fluorescensmikroskopi med høy oppløsning".Interessant har de alle administrative stillinger. De er leder av kjemi ved Stanford University, William E. Moerner, laboratorieleder ved forskningshuset ved Howard Hughes Medical Institute i Virginia, Eric Betzig, og en innfødt av Romania, Stefan Hell, direktør for Biofysisk kjemiinstitutt for Mac Society. i Göttingen og avdelingsleder ved tysk senter for kreftforskning (DKFZ) i Heidelberg.

Vinnerne av Nobelprisen i kjemi 2014 (fra venstre til høyre: Eric Betzig, Stefan Hell, William Moerner). Bilde fra nobelprize.org

De nye laureatenes verk ligger ved krysset mellom biokjemi, fysisk optikk og molekylærbiologi. De førte til fremveksten av to nye metoder for optisk mikroskopi, som gjorde det mulig å overvinne den såkalte diffraksjonsgrensen for mikroskopiske observasjoner, som i 1870-80 etablerte (først eksperimentelt og deretter teoretisk) den tyske fysikeren Ernst Karl Abbe. Abbe viste at lysets bølgeform ikke tillater uendelig å forbedre oppløsningen av optiske enheter. Spesielt følger det av hans arbeid at minimumsstørrelsen på deler,tilgjengelig for et klassisk optisk mikroskop, er lik delforholdet mellom halvparten av lysbølgen ved brytningsindeksen for mediet, som fyller mellomrommet mellom mikroskopobjektivet og observasjonsobjektet. I praksis er denne koeffisienten vanligvis ikke større enn 1,5-1,6, og derfor er grensen for mikroskopets oppløsning tilsvarende en tredjedel av lysbølgelengden. Siden det menneskelige øyet ikke oppfatter bølger som er kortere enn 380-400 nanometer, er mulighetene for standard optisk mikroskopi begrenset til observering av objekter som er større enn 130-140 nanometer. Dette er nok for bakterier, celler og til og med store cellulære organeller, som for eksempel mitokondrier, men for lite for mikroskopisk undersøkelse av virus, for ikke å nevne proteinmolekyler.

I 1980-90 fant forskerne en rekke muligheter til å forbedre oppløsningen av optiske enheter som brukes til å studere mikrokosmen. Konfokale og multi-foton (Multiphoton mikroskopi) -systemer gjorde det mulig å redusere minimumsstørrelsen på skillebare gjenstander med om lag halvparten, og nærfeltskanningsmikroskene – til og med tifoldige. Imidlertid har nærfeltmikroskopi mange begrensninger og kan ikke påstå bred anvendelighet.De to teknologiene for optisk mikroskopi, tildelt Nobelprisen, gir ikke bare ultrahøy oppløsning, men kan også brukes til å observere et bredt utvalg av objekter. Takket være dem og andre lignende metoder blir optisk mikroskopi raskt til nanoskopi.

Begge teknologiene bruker referansenettverk som består av glødende molekyler. Slike rister opprettes og fungerer annerledes, men i begge tilfeller er elementene deres registrert uavhengig av hverandre. Derfor leses informasjon fra nettene uten hensyn til diffraksjonsgrensen, noe som gjør de nye metodene nesten universelle.

Stefan Hell-metoden er basert på den såkalte stimulerte utslippsdeplesjonen (Stimulated Emission Depletion, STED). Objektet som studeres, er merket med molekylære markører som kan avgi lyskvanta (fluoresceres) under påvirkning av laserstråling (en slik gjenstand kan være et DNA-molekyl, og etikettene kan være fluorescerende antistoffer). Imidlertid kan disse samme molekylene avgis med litt forsinkelse og fotoner med lengre bølgelengde, hvis de bestråles med en annen laser med riktig utvalgt egenskaper.La den første laseren skape et sirkulært lyssted på overflaten av prøven, og strålene i det andre fokuset i ringen dekker hele sirkelen bortsett fra senteret. Merkene i den sentrale sonen vil lyse på en bølgelengde, og merkene inne i ringen vil se på den andre, mye større (dette er utmattelsen av fluorescerende utslipp). Hvis du setter opp mottakersystemet av et mikroskop for kun å registrere kortbølgetoner, vil områdene med uttømt utslipp gå ut.

Dette systemet kan omdannes til et skanningsmikroskop, hvis laserstrålene er rettet inn i forskjellige deler av objektet, blir signalene fra lysområdene registrert og behandlet på en datamaskin. Hvis etikettene tett dekker overflaten av objektet, vil bildene som er oppnådd under en slik skanning reprodusere sin struktur. Graden av oppløsning av en slik enhet bestemmes av størrelsen på sonene med ikke-undertrykt utslipp, som i prinsippet kan til og med være nanometer-størrelse.

Helvete utviklet en teori om hans metode i 1993-94, og i 1999 demonstrerte han det i praksis. Først var STED litt bedre enn konfokale mikroskoper. Nå på fabrikkens enheter, gir den oppløsning fra 30 til 80 nanometer, og i eksperimentet – to og et halvt nanometer (figur 3).

Fig. 3. Fotografi av det samme objektet med et konfokalt mikroskop (til venstre) og STED-system (til høyre). Målestokklengde 1 mikron lengden på store linjer i snitt 250 nm. Bilde fra artikkelen Benjamin Harke, Jan Keller, Chaitanya K. Ullal, Volker Westphal, Andreas Schönle og Stefan W. Hell, 2008. Oppløsningskalering i STED mikroskopi

Den andre metoden kalles PALM, Photoactivated Localization Microscopy. Eric Betzig er anerkjent som hovedutvikler (selv om hans kollega fra Hughes-instituttet (Harald F. Hess) gjorde nesten det samme bidraget). For første gang ble denne teknologien demonstrert i 2006. Den tredje vinneren, William Moerner, studerte ikke optisk mikroskopi. Imidlertid bruker PALM proteiner som gir en lys grønn glød når de blir utsatt for blå eller ultrafiolett lys. Disse såkalte grønne fluorescerende proteiner (grønt fluorescerende protein, GFP) ble først isolert fra vevene til maneter Aequorea victoriaog funnet senere hos andre marine virvelløse dyr (deres oppdagelse ble preget av Nobelprisen i kjemi 2008). Morner i 1989 verdens første søkt å måle absorpsjon av lys av et enkelt molekyl, og 8 år senere åpnet veien for å styre individuelle GFP-fluorescens molekyler av laserstråling.

Oppdagelsen av Moener benyttet Betzig og kolleger til å utvikle teknologi PALM.Det er basert på bruk av laserstråling med en bølgelengde som er nødvendig for å opphisse grønne fluorescerende proteiner. Prøven bestråles gjentatte ganger med svært svake laserpulser som inneholder et lite antall fotoner. Disse fotene gjør proteinmolekyler glød – igjen, i små mengder. Siden lyset tilfeldig velger disse molekylene på overflaten av en gjenstand i ganske stor grad, er nesten alle avskilt fra hverandre av avstander større enn Abbe-grensen. Posisjonen til hvert lyspunkt kan registreres med stor presisjon ved hjelp av et optisk mikroskop. Separat er slike bilder ikke veldig informative, men datamaskinanalyse av alle bilder, som er gjort på grunnlag av probabilistiske algoritmer, lar deg gjenopprette strukturen til den opprinnelige prøven. I dag gir PALM oppløsning på opptil 20 nanometer, og mest sannsynlig er dette ikke grensen (figur 4).

Fig. 4. Bilde av levende cell actin cytoskeleton. Sentral del Bilder laget med PALM teknologi. Bilde fra cfn.kit.edu

Til slutt er det verdt å merke seg at STED og PALM på ingen måte er de eneste systemene for optisk supermikroskopi, men det er på dem at Nobelprisen falt.Hvorfor nøyaktig – dette er et flott mysterium.

Alexey Levin


Like this post? Please share to your friends:
Legg att eit svar

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