перейти к основной теме

Нобелевские лауреаты и что они приводят в движение

Четверо выдающихся германских ученых делятся с «deutschland.de» своим взглядом на будущее.

13.08.2012
© Jan Greune - Gerd Binnig

Герд Бинниг: лучшее из обоих миров

В бюро Герда Биннига высятся коробки: его фирма Definiens переезжает из одного района Мюнхена в другой. Быть всегда в движении – это в его духе! В 1986 г. Бинниг получил Нобелевскую премию за новаторское изобретение растрового туннельного микроскопа; сегодня фирма Definiens использует самые современные программы для дешифрирования снимков.

«Уже сегодня мы успешно применяем в биологических и медицинских исследованиях наш метод дешифрирования снимков, основанный на новейших разработках software. Наша технология ориентируется не столько на абстрактные алгоритмы, сколько на то, как люди рассматривают и понимают снимки. Например, еще несколько лет назад было немыслимо, что компьютер может анализировать ткани организма. С помощью нашего метода это возможно, что доказывает огромный потенциал дешифрирования снимков. В будущем нам нужно еще эффективнее использовать преимущества обоих миров: быстроты и точности машины, с одной стороны, и способности человека распознавать связи и понимать снимки, с другой. Программное обеспечение завтрашнего дня будет во многом зависеть от комбинации знаний в разных научных областях. Например, медик в определенных случаях может программировать лучше информатика, поскольку он яснее понимает суть проблемы. Software в перспективе будет все дальше отходить от технических требований и в известном смысле становиться человечнее».

Разработанный Биннигом и швейцарцем Хайнрихом Рорером растровый туннельный микроскоп позволил увидеть устройство наноструктур. Перспективы открываются невероятные: «Нанотехнологии открывают дверь в мир будущего. На мой взгляд, мы на пороге второго рождения. В момент первого рождения из атомов создавались молекулярные структуры и, наконец, сложные живые существа. Сегодня у нас есть шанс разработать очень сложные структуры из мельчайших нано-кирпичиков. Перед нами долгий путь. Но наномедицина в будущем могла бы играть важную роль. Возьмите, к примеру, рак. Чтобы понять эту болезнь, мы должны углубиться в наноструктуры. На этой почве мы могли бы разработать новые принципы терапии».

Справляться со сложностями и извлекать из них пользу – с такими задачами, по мнению Герда Биннига, должен справляться эффективный нанокомпьютер: «Для того, чтобы его создать, нам необходимо еще лучше понимать структуры наномира. Эффективные нанокомпьютеры могли бы стать подспорьем в решении самых разных сложных проблем – от экономического кризиса до лечения опухолей. Такие компьютеры могли бы решать несчетное множество специальных задач. Их нужно представлять себе как сеть специальных компьютеров, взаимодействующих в какой-то одной узкой области. В идеале мы могли бы получать трехмерное изображение очень высокого разрешения, как в случае с изображениями человеческого мозга. Вот тогда-то можно было бы разработать компьютер, по сравнению с которым нынешняя аппаратура показалась бы просто игрушкой».

Хартмут Михель: потенциал солнца

Мы встретились с ним в городе будущего. Science City Riedberg – так называется новый квартал во Франкфурте-на-Майне, в котором строители возводят одно здание за другим. Хартмут Михель, получивший в 1988 г. Нобелевскую премию по химии за вклад в расшифровку фотосинтеза, изучает здесь особые белки – мембранные белки.

«В изучении структуры мембранных белков заключается большой потенциал для разработки лекарств. Из примерно 800 мембранных белков, которые в качестве рецепторов, сопряженных с G-белком, передают сигналы внутри клеток человеческого тела, в случае примерно 350 нам неизвестна сигнальная молекула. Если нам удастся выяснить функции этих рецепторов, мы сможем найти новые лекарства и методы лечения болезней. Внушительный спектр возможностей связан с блокираторами рецепторов, которые целенаправленно сдерживают развитие определенных вариантов рака груда. Кроме того, есть гипотезы, что ослабевающая коммуникации между ядрами клеток и митохондриями является причиной старения. Это дает нам надежду, что в будущем мы научимся улучшать координацию между ядром клетки и митохондриями, а значит, бороться с дегенеративными заболеваниями и, быть может, замедлять старение».

Однако проникновение в тончайшие клеточные процессы требует методической точности и изощренных технологий. Эти перспективы Хартмут Михель оценивает так: «Я очень много жду от секвенцирования геномов опухолей. Сравнивая их со здоровой тканью, мы можем обнаруживать мутации в ключевых генах и целенаправленно блокировать белки, активированные в опухоли. В ходе изучения структуры мембранных белков мы сталкиваемся с двумя большими проблемами. До сих пор нам удавалось получить достаточное количество материала лишь в случае очень немногих мембранных белков. Кроме того, эти белки должны быть достаточно стабильны, чтобы мы могли подвергнуть их сложному процессу кристаллизации. Возможно, эта проблема отпадет с использованием лазеров на свободных электронах с предельно интенсивными рентгеновскими лучами. Один из этих суперэффективных лазеров уже работает в Стэнфорде (США), а еще один совсем скоро появится в Гамбурге. Обстрел отдельных молекул такими интенсивными рентгеновскими лучами позволяет сделать их рентгенограмму, а тем самым во много раз ускорить изучение их структуры без предварительной кристаллизации».

Уже удалось расшифровать важнейший для жизни процесс фотосинтеза. В том числе благодаря усилиям Хартмута Михеля, который, впрочем, и здесь видит возможности для инноваций: «Эффективность фотосинтеза очень мала: меньше одного процента энергии солнечного света сохраняется в форме биомассы. КПД фотосинтеза достигается уже при 20% от всей энергии солнечного света, а 80% уже не используются. Если ученым удастся, скажем, уменьшить аппараты по улавливанию света для фотосинтеза, то такое изобретение поможет существенно повысить урожайность в сельском хозяйстве. Для выработки энергии из возобновляемых источников вопрос о ее накоплении также имеет решающее значение. Здесь я вижу шанс для разработки батарей нового типа (например, на цинк-литий-серной основе), которые могли бы во много раз превзойти по своей ёмкости используемые до сих пор литиевые аккумуляторы».

Теодор В. Хенш: картина мира пошатнулась

У него на лице написана жажда открытий. Он сдерживает улыбку при мысли о возможном изменении физической картины мира. А еще он едва сдерживает радость, расписывая в красках скрытые возможности сверхточной лазерной спектроскопии. За фундаментальные разработки в области прецизионной техники (и, прежде всего, за изобретение частотной гребенки), Теодор Хенш в 2005 г. получил Нобелевскую премию.

«Мы разрабатываем все более точные измерительные приборы. Основываясь на методе гребенки оптических частот, мы используем в оптических часах световые частоты как высокоточный тактовый генератор. И эти измерительные инструменты постоянно совершенствуются и внедряются в практику. Чтобы измерять частоту света, еще 10 лет назад нужно было целое здание. Сегодня с этой задачей справляется один аппарат, установленный на письменном столе. Возможно, в будущем у нас получится сделать световые часы размером в спичечный коробок. То обстоятельство, что измерительные приборы становятся все меньше и надежнее, открывает для них новые перспективы применения. Например, в космосе, где прецизионная техника, вероятно, уже скоро будет использоваться при создании систем спутниковой навигации. От постоянного усовершенствования сверхточных часов мы также ожидаем непосредственного практического эффекта, причем в некоторых областях он уже есть. И это касается не только спутниковой навигации, которая может стать еще более точной. Также можно представить себе, что с помощью прецизионных часов удастся лучше синхронизировать сети мобильной связи, а значит, сделать более эффективной и мобильную телефонию. В астрономических исследованиях мы также используем оптические гребенки, поскольку они умеют измерять спектральные линии и свет далеких планет. Европейская южная обсерватория в чилийском городе Ла-Силья в 2013 г. собирается взять на вооружение оптическую гребенку, чтобы искать планеты, похожие на Землю».

Но космос – не единственный источник секретов. Теодор Хенш считает, что может измениться вся физическая картина мира: «Может оказаться, что мы сегодня находимся примерно в той же фазе, в какой находились физики в конце XIX столетия. Тогда тоже очень многие думали, что все существенное уже известно и полагались на хорошо проверенные знания из области механики и электродинамики. Однако уже тогда была масса признаков первых революционных изменений. Потом появилась теория относительности Эйнштейна, принципиально изменившая наше понимание времени и пространства. Наконец, совершенно новые правила игры предложила квантовая физика. Так вот, сегодня тоже есть признаки первых существенных изменений в нашей картине мира. Феномены типа „темной энергии“ или „темной материи“ плохо согласуются со старой картиной мира. Физики-теоретики ломают голову над тем, как совместить гравитацию и квантовую физику. Я же, будучи экспериментатором, пытаюсь нащупать нестыковки с господствующей моделью посредством все более точных измери­тельных методов. И мои методы измерения подтверждают, что известные на сегодня природные константы на самом деле не так постоянны, как казалось».

Эрвин Неер: ключ к познаниям

Эрвину Нееру достаточно сделать несколько черточек мелом на доске, чтобы посвятить своего гостя в тайны клеток человеческого организма. Все гениальное просто! Именно так говорят о технологии patch-clamp, разработанной Неером и Бертом Закманном. Их открытие позволило лучше понять принцип действия ионных каналов в клетках и принесло обоим исследователям Нобелевскую премию по физиологии и медицине за 1991 г.

«Мой отдел в Гёттингенском институте биофизической химии Общества им. Макса Планка сейчас занимается проблемой медиаторов – веществ-переносчиков, которые воздействуют через синапсы наших нервных клеток. Конкретно мы решаем проблему синапса слухового нерва. Здесь спрятан ключ к ценным открытиям в области обработки акустических сигналов. У нас до сих пор нет достаточно хорошего понимания того, как устроен слуховой процесс. Возможно, наши исследования помогут прояснить такие феномены, как, например, ототопика (способность определять источник звука). А поскольку мы работаем с одним из типичных синапсов нервной системы, мы определенно рассчитываем получить более полное понимание процессов обучения и запоминания. Кстати, большинство болезней, считающихся неизлечимыми – это дегенеративные заболевания нервной системы (например, Альцгеймер). Поэтому наша работа заключает в себе большой потенциал на будущее».

С помощью технологии patch-clamp Нееру и Закманну впервые удалось изолировать крошечный ионный канал и тем самым разгадать загадку межклеточной коммуникации. Стремясь ко все более глубокому пониманию процессов, Неер ищет возможностей для дальнейшего движения: «Например, большим потенциалом обладают работы моего гёттингенского коллеги Штефана Хелла, которому удалось проникнуть в наномир при помощи усовершенствования светового микроскопа. Технология patch-clamp, открытая еще 30 лет назад, впервые дала возможность измерять сигналы клеток. Здесь тоже скрывается огромный потенциал для будущих открытий. Например, мюнхенская фирма Nanion разработала основанный на чипах автоматический процесс patch-clamp, с помощью которого за малое время можно проверить бесчисленное количество активных веществ. Это должно дать серьезный толчок к разработке новых лекарств».

Еще одно перспективное направление Эрвин Неер видит в изучении ионных каналов с искусственными мутациями: «Многие наследственные заболевания объясняются изменениями в ионных каналах, вызванными мутациями. Мы можем „воспроизводить“ эти мутации в экспериментах с животными, изучать изменения функций и тем самым делать выводы относительно возникновения наследственных заболеваний. А это, в свою очередь, позволит найти новые методы лечения. Таким образом уже был получен новый метод лечения диабета, развивающегося в раннем возрасте. Возможно, мы сможем лечить похожим образом и другие заболевания.

Подготовил: Йоханнес Гёбель