Sprawy Nobla

Telefon George'a Smoota zadzwonił tuż przed 3:00 nad ranem 3 października, a głos ze szwedzkim akcentem powiedział mu, że zdobył Nagrodę Nobla w 2006 roku w dziedzinie fizyki. Ale kosmolog był sceptyczny.

Ta mapa zmian temperatury w promieniowaniu sprzed 14 miliardów lat została nazwana dziecięcym obrazkiem wszechświata. Zdobył także Nagrodę Nobla dla George’a Smoota ’66, PhD ’70. Aby zobaczyć zdjęcia Smoota i dr Andrew Fire'a z 1983 roku, który również zdobył Nagrodę Nobla w 2006 roku, kliknij łącze multimedialne poniżej.

W końcu w jego rodzinie panuje skłonność do dowcipów. Oliver R. Smoot ’62, który ustanowił standard pomiaru dla mostu Harvarda (364,4 smoots i ucho), jest dalekim krewnym. A sam Smoot wciąż doskonale pamięta, jak żartował swojemu promotorowi pracy magisterskiej, profesorowi fizyki z MIT, Davidowi Frischowi. Po przepracowaniu nocnej zmiany Smoot i jego przyjaciel udawali, że spiłowali cenny kawałek osmu, aby zmieścił się w magnesie do eksperymentu. Kiedy Frisch wszedł do laboratorium i zobaczył porozrzucane metalowe wióry, chwycił się za serce ze strachu, wspomina Smoot. To dlatego martwiłem się, kiedy odebrałem telefon w środku nocy, mówi. Wiem, że studenci potrafią robić figle!

Ale telefon ze Szwecji nie był żartem. Smoot i inny absolwent MIT, Andrew Z. Fire, dołączyli do grupy 61 innych wybitnych absolwentów, profesorów i współpracowników MIT, gdy każdy z nich zdobył Nagrodę Nobla w 2006 roku. Obaj zmienili sposób uprawiania nauki w swoich dziedzinach.

Dr Andrew Z. Fire ’83 zdobył nagrodę medyczną za pomoc w odkryciu szczegółów naturalnego mechanizmu wyciszania genów zwanego interferencją RNA. Chociaż przełomowe odkrycie nastąpiło zaledwie osiem lat temu, indukowanie interferencji RNA jest obecnie powszechną techniką laboratoryjną, która pomaga biologom określić funkcje poszczególnych genów. Terapie wykorzystujące interferencję RNA do zwalczania chorób człowieka, takich jak zwyrodnienie plamki żółtej, są już w fazie badań klinicznych.

Multimedia

• Zdjęcia Smoot i Fire

George Smoot ‘66, PhD ‘70, zdobył nagrodę fizyki. Współprowadził zespół badawczy odpowiedzialny za satelitę COBE NASA, który wykonał pierwsze ilościowe pomiary warunków początkowych wszechświata. Mapa Smoota z 1992 roku, przedstawiająca niewielkie zmiany temperatury w promieniowaniu kosmicznym, pochodzące sprzed około 14 miliardów lat, jest dymiącą bronią teorii Wielkiego Wybuchu. Uważa się, że najmniejsze fluktuacje na mapach Smoota wskazują na lokalne koncentracje energii – nasiona – wokół których materia połączyła się w gromady galaktyk, które tworzą dzisiejszy wszechświat.

Tłumik genów: Andrew Fire

Przed 1998 r. identyfikacja funkcji danego genu była pracochłonnym procesem, o sukcesie którego w dużej mierze decydował szczęście. Naukowcy znaleźli komórki lub organizmy ze zmutowanymi kopiami genu i na podstawie utraconych funkcji wywnioskowali, co robił normalny gen. Albo próbowali wywołać mutacje w komórkach w laboratorium, technikę „chybiony lub chybiony”, która w ludzkich komórkach w większości nie trafiała. Teraz, dzięki odkryciu interferencji RNA (RNAi), biolodzy mogą zasadniczo wyłączyć poszczególne geny w laboratorium. Jest to podobne do przełączenia przełącznika, aby kilka żarówek w szeregu milionów zmieniło kolor.

Zrozumienie interferencji RNA radykalnie zmieniło sposób, w jaki zajmujemy się biologią komórki i rozumiemy lub badamy komórki, mówi Phillip Sharp, profesor Instytutu w Centrum Badań nad Rakiem MIT i sam laureat Nagrody Nobla. Przeszliśmy z pozycji, w której nie mieliśmy ogólnego podejścia do badania funkcji genów, do umiejętności uciszenia genu, aby zapytać, co on robi. W każdym przeglądanym czasopiśmie, w jednym lub kilku lub we wszystkich artykułach wykorzystano tę technologię. To naprawdę był fundamentalny postęp.

Fire, obecnie profesor patologii i genetyki w Stanford University School of Medicine, dzieli Nagrodę Nobla z Craigiem Mello, obecnie profesorem medycyny molekularnej na University of Massachusetts Medical School, za odkrycie mechanizmu wyciszania genów.

Fire przyszedł do MIT jako 19-letni absolwent matematyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Podczas spożywania czegoś, co nazywa intelektualnym bufetem Berkeley, zetknął się z biologią molekularną i był podekscytowany. Dziesięć lat przed tym, jak Sharp zdobył Nagrodę Nobla, Fire pracował w swoim laboratorium w MIT. Jako student Fire przeprowadził kilka ważnych wczesnych badań nad biochemią kontroli ekspresji genów w ludzkich komórkach, wspomina Sharp. Rozpoczęło to kolejne 15 lat pracy w moim laboratorium i innych”.

Zanim Fire i Mello opublikowali swój przełomowy artykuł, RNA odgrywało wiele ról, ale uważano je przede wszystkim za pośrednika DNA, posłańca, który tłumaczy geny na białka. Badacze wiedzieli jednak, że po wstrzyknięciu do organizmu RNA może czasami: zapobiec produkcja białek i genów ciszy.

Jednak zjawiska tego nie można było wiarygodnie odtworzyć, więc nie było jasne, jaka forma RNA jest za to odpowiedzialna. Czy był to sensowny RNA, który podąża za sekwencją informacyjnego RNA, które koduje określone białko? Czy to było sensowne dopełnienie RNA, antysensowne RNA? A może była to dwuniciowa kombinacja tych dwóch?

Fire i Mello współpracowali przy serii rygorystycznych eksperymentów z użyciem nicieni o nazwie C. elegans aby określić, czy sensowny, antysensowny lub dwuniciowy RNA spowodował wyciszenie genu. W celu wydobycia silnych widocznych sygnałów od badanych, badacze pracowali z genem, który pomaga w utrzymaniu prawidłowych skurczów mięśni w: C. elegans : jeśli gen zostanie wyciszony, robaki będą drgać. Kiedy naukowcy wstrzyknęli robakom czysty sensowny lub czysty antysensowny RNA, nic się nie wydarzyło. Ale kiedy wstrzyknęli dwuniciowy RNA, robaki drgnęły. Fire i Mello doszli do wniosku, że RNA musi być dwuniciowe, aby wyciszyć gen.

Para opublikowała te wyniki wraz z innymi obserwacjami dotyczącymi RNAi w Natura w 1998. Spostrzeżenie, że dwuniciowe RNA było kluczem do wyciszenia, jest powodem, dla którego otrzymali nagrodę Nobla, mówi Sharp. Późniejsze badania przeprowadzone przez Fire, Mello, Sharp i innych ustaliły molekularne działanie RNAi, o którym obecnie wiadomo, że występuje w większości organizmów.

U ludzi, innych zwierząt, a nawet roślin, RNA jest zwykle obecne w postaci pojedynczych nici. Ogień i inni w tej dziedzinie uważają, że RNAi prawdopodobnie rozwinął się jako obrona przed wirusami. Kiedy komórka widzi dwuniciowy RNA, jej pierwszą odpowiedzią jest pocięcie go na kawałki, co jest zrozumiałe, biorąc pod uwagę, że dwuniciowy [wirusowy] RNA jest [często obecny] podczas replikacji wirusów, wyjaśnia Fire.

Ale komórka idzie o krok dalej. Nie tylko chce posiekać rzeczy, ale chce znaleźć wszystko, co wygląda na to, na wypadek, gdyby pominął jakiś RNA. Więc [cząsteczka w] komórce pobiera kawałki RNA, które zostały pocięte, i szuka rzeczy, które są podobne. Jeśli coś znajdzie, to posieka.

Tym czymś może być informacyjne RNA komórki. Kiedy jego posłaniec zostaje zniszczony, gen zostaje wyciszony.

Teoretycznie, mówi Sharp, RNAi może wyciszyć każdy gen – od genów inwazyjnego wirusa po gen, który sprawia, że ​​białko, które uważa się za powodujące chorobę Parkinsona. To sprawia, że ​​jest to obiecujące terapeutycznie. Sharp i inni badacze założyli firmy, które mają komercjalizować leki RNAi. Gdybyś mógł dostarczyć RNA do docelowej [tkanki], mógłbyś mieć naprawdę fajne terapeutyki, mówi Fire.

Alnylam, firma Sharp współzałożona w Cambridge, MA, prowadzi obecnie badania kliniczne leku na wirusa oddechowego RSV; Firmy Acuity Pharmaceuticals z Filadelfii i Sirna Therapeutics z San Francisco prowadzą badania kliniczne leków na zwyrodnienie plamki żółtej.

Fire lubi oglądać te przedsięwzięcia, ale tylko jako cheerleaderka, mówi. Nadal bada molekularne działanie wyciszania genów w ulubionym obiekcie testowym swojego laboratorium, C. elegans .

Udowodniono również, że RNAi jest mechanizmem normalnie wykorzystywanym przez komórki do kontrolowania aktywności swoich genów. Victor Ambros '75, PhD '79 i Rosalind Lee '76 odkryli, że RNA odgrywa kluczową rolę w kontrolowaniu rozwoju zwierząt; naukowcy odkryli wiele genów kodujących dwuniciowe RNA i obecnie uważa się, że interferencja tych RNA jest odpowiedzialna za regulację 30 procent ludzkiego genomu.

Obecnie Fire koncentruje się na ustalaniu powiązań między wyciszeniem genów a ludzką chorobą. Mówi, że w przypadku raka wiele genów jest wyciszanych. Jest to znane od dłuższego czasu. Obecnie współpracuje z patologami ze Stanford, aby zrozumieć, w jaki sposób zakłócenie procesów regulacyjnych RNA przyczynia się do choroby.

Kosmiczny kartograf: George Smoot

George Smoot nie zamierzał być reporterem pogodowym ani twórcą map. Ale w 1992 roku przeszedł do historii kartograficznej, kiedy stworzył pierwszą mapę młodego wszechświata, przedstawiając niewielkie zmiany temperatury promieniowania sprzed 14 miliardów lat. Różnice w tym kosmicznym mikrofalowym tle (CMB) dostarczają astrofizykom wskazówek na temat powstawania złożonych struktur, takich jak galaktyki.

Profesor fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, Smoot dzieli Nagrodę Nobla z fizyki z Johnem Matherem z NASA Goddard Space Flight Center za prace nad CMB, którego istnienie wspiera teorię Wielkiego Wybuchu.

Angelica de Oliveira-Costa, obecnie naukowiec w Instytucie Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavli na MIT, dołączyła do laboratorium Smoota w Berkeley jako doktorantka rok po tym, jak Smoot ogłosił swoją mapę. Mówi, że to, co czyni go pierwszorzędnym fizykiem, to to, że ma dobre oko do dobrych pomysłów i nie boi się zmian.

Smoota zawsze pociągała kosmologia, ale zrobił swoją pracę magisterską z fizyki cząstek elementarnych i podjął pracę u Luisa Alvareza, laureata Nagrody Nobla w tej dziedzinie w Berkeley. Pomiędzy projektami Alvarez powiedział swoim pracownikom, aby zrobili sobie kilka miesięcy przerwy i przyjrzeli się nowym, płodnym obszarom badań. Smoot skorzystał z okazji, by przenieść się do kosmologii, przyjmując filozofię Alvareza jako własną: kiedy kończysz eksperyment, nie rób automatycznie następnego. Powinieneś sprawdzić, czy istnieje jakieś nowe odkrycie lub technologia, które umożliwią wykonanie pomiarów w obiecującym obszarze.

Dla Smoota badanie mikrofalowego tła kosmicznego było właśnie takim obszarem – kuszącym i szeroko otwartym. Mówi, że miał intuicję, że cokolwiek mierzysz, będzie to pomiar podstawowy, i miał rację. De Oliveira-Costa mówi o jej trzech latach spędzonych w laboratorium Smoota: Naukowo to był jeden z najlepszych okresów w moim życiu. Każde małe odkrycie, którego dokonałeś, było nowe.

Odkryta w latach 60. CMB została przewidziana przez teorię Wielkiego Wybuchu. Promieniowanie nie pochodzi z miejsca we wszechświecie, ale z czas wkrótce po utworzeniu wszechświata. Kiedy patrzymy wstecz na promieniowanie, patrzymy wstecz na czas we wszechświecie, kiedy wszystko było gorące i gęste jak plazma w naszym słońcu, wyjaśnia Edmund Bertschinger, szef wydziału astrofizyki na wydziale fizyki MIT. Wraz z rozszerzaniem się wszechświata ochładzał się, podobnie jak CMB, który jest teraz tylko około 2,7 stopnia powyżej zera absolutnego. Widzimy tę poświatę w naszych radioteleskopach miliardy lat później, mówi.

Fotony CMB dostarczają coś w rodzaju zdjęcia Wszechświata około 370 000 lat po Wielkim Wybuchu, kiedy ochłodził się do około 3 000 °C, uwalniając cząstki, aby utworzyć pierwsze atomy. Do tego czasu wszechświat był nieprzezroczystą, wysokoenergetyczną plazmą; fotony zostały uwikłane w ożywioną i intymną rozmowę z cząstkami subatomowymi, takimi jak elektrony. Kiedy wszechświat ostygł i uformowały się atomy, fotony – w tym te, które tworzą CMB – mogły po raz pierwszy swobodnie poruszać się.

Kiedy Smoot zaczął pracować nad CMB, jego dokładne widmo było nieznane i wydawało się, że ma całkowicie jednolitą energię. Ta jednorodność sugerowała wczesny wszechświat, w którym energia i materia były rozłożone jednorodnie – scenariusz najwyraźniej niekompatybilny z dzisiejszym zróżnicowanym i złożonym wszechświatem. W jaki sposób gwiazdy zgrupowane w galaktyki zgrupowane w gromady galaktyk otoczone dużymi pustkami mogą wyłonić się z wczesnego wszechświata, w którym materia była rozłożona tak gładko, jak lukier na torcie weselnym? Aby teoria Wielkiego Wybuchu mogła się utrzymać, wczesny wszechświat musiałby mieć bryły, na które mogłyby działać siły kwantowo-mechaniczne, a następnie grawitacja, powodując ostatecznie powstanie galaktyk i innych struktur.

W poszukiwaniu tej grudkowatości wiele grup, w tym Smoota, wysłało detektory promieniowania na balonach, a nawet samolotach szpiegowskich na wysokości, na których CMB jest prawie całkowicie niefiltrowane przez ziemską atmosferę. W międzyczasie inni obliczyli, jaki poziom fluktuacji energii we wczesnym wszechświecie umożliwiłby formowanie się grudek lub nasion. Smoot dołączył do grupy kierowanej przez Mathera z NASA, która pracowała nad wprowadzeniem na orbitę wrażliwego, wykrywającego promieniowanie satelity COBE (Cosmic Background Explorer). Do czasu wystrzelenia COBE 18 listopada 1989 r. astrofizycy ustalili, że bardzo małe zmiany w CMB – tak małe jak sto tysięcznych stopnia – wskazywałyby na wczesny wszechświat wystarczająco zróżnicowany, by wytworzyć obecny.

Smoot był odpowiedzialny za grupę sześciu instrumentów na COBE, zwanych różnicowymi radiometrami mikrofalowymi, które szukały zmian temperatury zwanych anizotropią w CMB. Nad Ziemią orbitujący COBE miał niezakłócony odbiór CMB we wszystkich kierunkach. Smoot i jego zespół z Berkeley przeanalizowali roczne pomiary temperatury – miliony – szukając anizotropii; kiedy wydawało się, że to znaleźli, starali się przekonać samych siebie, że nie było to spowodowane hałasem z instrumentów na COBE.

W 1992 roku Smoot ogłosił, że COBE wykrył stutysięczne różnice w energii CMB. Jego mapę tych zmian, pokazującą z grubsza, które plamy we wczesnym wszechświecie były nieco cieplejsze, a które nieco zimniejsze, nazwano obrazem dziecka wszechświata. Zdumiewające jest to, że wszechświat jest prawie całkowicie jednolity, mówi. Jest bardziej jednolity niż kula bilardowa. Smoot otrzymał swoją połowę nagrody Nobla za pracę nad mapą; Mather został uhonorowany za kierowanie projektem COBE i pomiar widma CMB.

Astrofizycy twierdzą, że ogłoszenie wyników COBE przez Smoota i Mathera było punktem zwrotnym dla kosmologii, kiedy filozoficzne spekulacje na temat pochodzenia wszechświata ustąpiły miejsca nauce opartej na dowodach ilościowych. Mapa Smoota została następnie zweryfikowana przez dalsze eksperymenty balonowe i od tego czasu została wzbogacona o bardziej czułe pomiary z WMAP, satelity NASA wciąż na orbicie. Bertschinger porównuje Smoota i innych naukowców COBE do odkrywców odkrywających nowe kontynenty. Najpierw odnajdujesz kontynenty, a potem eksplorujesz wybrzeża i udoskonalasz swoje mapy – mówi.

Mapa CMB spotkała się z tak wielkim entuzjazmem, że Smoot napisał książkę, Zmarszczki w czasie , aby pokazać młodym ludziom, że nauka może być przygodą – mówi. Teraz, gdy zdobył Nagrodę Nobla, Smoot tylko pół żartem mówi, że odczuwa jeszcze większą presję, by zostać ambasadorem nauki. Kiedyś byłem banitą, zawsze chodzę na obrzeża fizyki, próbując dziwnych rzeczy, buntując się, wspomina.

We wszechświecie uważanym za 96 procent tajemniczej ciemnej materii i ciemnej energii istnieje wiele nowych i dziwnych terytoriów do zbadania. Mam listę ośmiu pytań, które moim zdaniem są naprawdę ważne, mówi (patrz Lista Smoota, poniżej) . Pewnego dnia Smoot planuje założyć centrum kosmologiczno-fizyczne, aby się nimi zająć. Ale na razie są one punktorami w jego wykładach – a kosmiczny twórca map trzyma listę przypiętą do ściany.

Lista Smoota
Osiem kosmologicznych pytań, które sprawiają, że George Smoot nie zasypia w nocy

1. Czy nastąpiła inflacja1? W jaki sposób?

2. Co to jest ciemna materia?

3. Co to jest ciemna energia?

4. Dlaczego we wszechświecie jest więcej materii niż antymaterii?

5. Czy można znaleźć inne relikty2 (np. kosmiczne struny)?

6. Czy są dodatkowe 3 wymiary?

7. Czy stałe podstawowe są różne?

8. Jakie inne egzotyczne siły mogą istnieć?

—————————————————————–

1 wykładnicza ekspansja młodego wszechświata

2 młodego wszechświata

3 czyli więcej niż cztery (trzy wymiary przestrzenne i czas)

ukryć