Эксперт Эксперт - Эксперт № 41 (2013)

Выяснилось также, что ряд генов и белков, идентифицированных Рэнди Шекманом в дрожжах, соответствуют белкам, найденным Джеймсом Ротманом в клетках млекопитающих. Как заметил Шекман, такая параллельная работа его и Ротмана в течение многих лет говорила о том, что оба движутся в правильном направлении. Это не только подтверждало отнесение обнаруженных белков и генов к работе транспортной системы, но и говорило об общности этих механизмов у дрожжей и млекопитающих.

Джеймс Ротман интересовался белками, которые позволяли молекулам проникать сквозь мембраны. Дело в том, что не только вся клетка окружена довольно сложной мембраной, защищающей ее целостность, но и части клетки — ее компартменты, такие как митохондрии, эндоплазматический ретикулум или аппарат Гольджи (в двух последних происходит сборка и сортировка белков), — тоже окружены мембранами. Чтобы проникнуть в один из таких компартментов, молекулы должны преодолеть указанную мембрану. Ротман открыл целый класс белков, позволяющих стягивать мембрану везикулы и мембрану компартмента, в который нужно доставить определенный тип молекул. «Одна из опубликованных работ Ротмана называлась примерно так: “Чтобы слиться, недостаточно просто близко находиться друг от друга”, — рассказывает Александр Соболев. — Белки выступают в роли своеобразной стяжки или каната, причем не одного вида, а как минимум двух, придерживающих везикулу вплотную у мембраны того отсека, куда ей нужно выбросить своих “пассажиров”. Потом мембраны сливаются, и молекулы-пассажиры проникают в этот отсек».

...Джеймс Ротман...

Фото: AP

Сферой интересов третьего нобелевца — Томаса Зюдова — было изучение транспортных систем в нейронах. Известно, что сигналы от нейрона к нейрону передаются с помощью электрического импульса, который «бежит» к окончанию нейрона — аксону, чтобы передать его следующему нейрону или, к примеру, клетке мышечного волокна. Область, в которой этот сигнал передается, называется синапсом. На этом этапе передача сигнала поручается специальным веществам — нейромедиаторам, которые дожидаются его, сидя в своих везикулах. Везикулы слипаются с мембраной передающего нейрона, позволяя высвободить нейромедиаторы в синаптическую щель, чтобы они затем добрались до другого, принимающего нейрона, зацепившись за его рецепторы. Оказалось, что в процессе этой транспортировки весьма много неясных моментов: как долго нейромедиаторы могут храниться в везикулах, с какой скоростью они высвобождаются, как везикулы потом восстанавливаются, как они вновь захватывают нейромедиаторы, как контролируется этот процесс? Томас Зюдов отследил все его детали.

Хотя в пресс-релизе Нобелевского комитета говорится о том, что трое ученых выявили детальную картину внутриклеточного везикулярного транспорта, это все еще далеко не полная картина. «Скорее это достаточно внушительные части большой мозаики, — комментирует событие Александр Соболев. — Я думаю, что еще не одна Нобелевская премия будет дана за изучение этих механизмов. К примеру, другими учеными были обнаружены белки, которые позволяют доставлять молекулы в везикулах точно по адресу. Еще один важный аспект — по каким путям-дорожкам перемещаются везикулы. И это не невидимые самолетные траектории, это вполне конкретные рельсы — микротрубочки, пронизывающие всю клетку». Оказывается, везикулы как бы едут по этим рельсам, причем везут их тоже специальные белки. Мало того, эта рельсовая система чем-то напоминает систему нашего метрополитена. Для того чтобы добраться до нужного отсека или компартмента клетки, везикула на своем пути может сделать несколько пересадок с одних путей на другие.

...и Томас Зюдов

Фото: AP

По словам исследователей, выяснение деталей механизмов внутриклеточного транспорта позволяет не только вписывать новые страницы в фундаментальную науку, но и улучшать знания о природе многих заболеваний, в том числе онкологических, нейродегенеративных, аутоиммунных. Дефекты в генах и, соответственно, в механизмах транспортировки могут быть связаны с такими заболеваниями, как болезни Альцгеймера и Паркинсона, диабет, миелоидный лейкоз, болезнь Иценко-Кушинга, и другими. Детали механизмов транспортировки потенциально могут указать на новые мишени, действуя на которые, можно найти новые пути терапии.

Еще одна заманчивая прикладная область этих открытий и исследований — создание специализированного искусственного транспорта, который будет перевозить в клетку нужные вещества. «Этим занимаются многие лаборатории, используя разные подходы, — продолжает Александр Соболев. — Наша лаборатория, в частности, создает такие химерные молекулы, состоящие из нескольких разных модулей, позволяющих молекуле выполнять много последовательных процессов, связанных с транспортировкой. Такая молекула может доставлять, к примеру, лекарство в опухолевые клетки. Мы сажаем на нее радиоизотопы или другие противораковые вещества и даем этой химерной молекуле с помощью модулей как бы различные билеты, чтобы она пересаживалась с одних путей на другие и прибывала прямехонько в ядро раковой клетки. Мы уже не одну мышь вылечили таким способом».

Полвека в ожидании награды

Присуждение Нобелевской премии по физике Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру можно считать самым предсказуемым. Именно они фигурировали в качестве главных фаворитов во всех прогнозных физических рейтингах, чего, к слову, не скажешь про лауреатов 2013 года по медицине и химии, фамилии которых практически никем из «научных нострадамусов» не упоминались даже в качестве кандидатов второго эшелона.

Об исторической неизбежности этой премии стали говорить сразу же после того, как в начале июля прошлого года руководители параллельных экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) в Женеве торжественно объявили о долгожданной поимке бозона Хиггса — полулегендарной частицы, задолго до своего экспериментального обнаружения и без особых на то оснований прозванной в научно-популярной литературе «частицей Бога».

Лауреатами премии по физике стали Питер Хиггс...

Фото: AP

Согласно канонам физики, в природе существуют четыре фундаментальных взаимодействия: электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное. И у каждого из этих фундаментальных взаимодействий имеются особые элементарные частицы-переносчики — кванты полей, также называемые бозонами. В частности, переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны, а сильного взаимодействия — глюоны. Все прочие частицы (в том числе элементарные или фундаментальные частицы — электроны, кварки, нейтрино, а также составные, например протоны и нейтроны, «сконструированные» из кварков), относятся к так называемым фермионам.

В 1960-е годы физикам удалось объединить электромагнитное и слабое взаимодействия. В выводах из этого объединения содержалась гипотеза о существовании сразу трех частиц — переносчиков слабого взаимодействия: положительно и отрицательно заряженных W- и нейтральных Z-бозонов. Более того, было предсказано, что эти бозоны должны обладать огромными массами (порядка 100 ГэВ) и при этом быть очень короткоживущими (менее 10–18 секунд).

В течение следующего десятилетия эти важнейшие гипотезы из-за отсутствия достаточно мощных ускорителей экспериментально проверить не удавалось. Наконец, в конце 1970-х в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) начались работы по переделке действующего ускорителя SPS (суперпротонного синхротрона) в протон-антипротонный ускоритель на встречных пучках (коллайдер).

...и Франсуа Энглер

Фото: AP

Перестроенный SPS с рекордной для того времени длиной окружности почти в 20 километров начал свою работу в 1982 году, и уже в январе 1983 года ученые объявили об открытии W+ и W– бозонов. Буквально через несколько месяцев экспериментаторам удалось обнаружить и нейтральную Z-частицу.

Однако, как ни странно это прозвучит, экспериментально подтвержденная гипотеза о том, что W- и Z-бозоны имеют массу (причем массу очень значительную по меркам физики частиц), оказалась весьма серьезной помехой для теоретиков.

Дело в том, что исходя из базовых постулатов так называемой калибровочной теории взаимодействий (одной из важнейших составных частей Стандартной модели физики частиц, СМ) все бозоны должны быть безмассовыми (иметь нулевую массу).

И два из четырех бозонов — фотон, переносчик электромагнитного взаимодействия, и глюон, переносчик сильного взаимодействия, согласно многочисленным данным, действительно являются безмассовыми (до сих пор не открытый четвертый предполагаемый бозон, гравитон, вроде бы тоже должен иметь нулевую массу), чего, увы, отнюдь нельзя было сказать про бозоны — переносчики слабого взаимодействия.