Švédská akademie věd v týdnu od 4. října udělovala nejslavnější vědecké ceny světa. Nobelovy ceny, letos dotované 11 miliony švédských korun (23 milionů korun), získali jak autoři objevů veřejnosti poměrně málo známých, tak i vědci, jejichž práce byla předmětem velmi bouřlivých diskusí.
MEDICÍNA: Za vakcíny, které zachránily miliony životů
Nobelovu cenu za fyziologii a lékařství získali Katalin Karikóová a Drew Weissman za vývoj mRNA vakcín. Ty jsou nepochybně nejznámějšími z objevů, za něž byly v roce 2023 uděleny vědecké Nobelovy ceny. Jak si nepochybně pamatujete, tyto látky neobsahují žádnou část patogenu, proti kterému mají chránit. Nesou v sobě pouze návod, jak malou část viru postavit, v podobě mRNA. To je v těle extrémně běžná molekula určená právě k přenosu informací. V buňkách slouží jako posel (mRNA je „messenger“ RNA) mezi jednotlivými „orgány“. V konkrétním případě vakcíny proti SARS-CoV-2 jde o ten známý „hrot“ (spike), který se vyskytuje na vnějšku viru. Podle něj buňka začne vyrábět další a další částečky sloužící pro výcvik imunitního systému. Proces je to tedy velmi přímočarý a rychlý: „Vložíte (mRNA) do buněk a ty už o půl hodiny později produkují protein,“ vysvětluje samotná Katalin Karikóová. Využití těchto „falešných poslů“ v medicíně ovšem může najít mnohem širší uplatnění. Teoreticky můžeme buňkám podstrčit jakoukoliv mRNA, a naučit je tak dělat spoustu nejrůznějších činností. Tento ohromný teoretický potenciál využití mRNA byl tedy původním důvodem, proč se zkoumání této otázky někdo vůbec věnoval. Jedním z apoštolů potenciálu mRNA byla právě Karikóová, která o praktické využití technologie v medicíně usilovala velkou část svého života. V 80. letech kvůli další práci na této problematice emigrovala do USA. Výzkum problematiky šel ovšem pomaleji, než mnozí doufali. Některé problémy se zdály být prakticky nepřekonatelné. Kalikóová tak byla na své domovské Pensylvánské univerzitě v roce 1995 přeřazena na nižší pozici (s nižším platem), protože práce na mRNA nepřilákala dost grantů. (Tato informace se ovšem pochopitelně v tiskovém prohlášení univerzity k Nobelově ceně neobjevila.) U otázky ovšem vytrvala a v roce 2005 spolu s Drewem Weissmanem vyřešili zásadní otázku: Jak přesvědčit tělo, aby uměle připravenou mRNA přijalo za vlastní a řídilo se podle ní? Jejich objev však ani tehdy, bohužel, pozornost nevzbudil. Špičkové vědecké časopisy ho odmítli zveřejnit a vědci nedokázali sehnat kapitál pro firmu, kterou za účelem komercializace objevu založili. Do jisté míry to bylo tím, že existovala i řada dalších problémů. Například jak mRNA dostat tam, kam je zapotřebí. Postupně ale, do značné míry díky práci obou čerstvých nobelistů, převládl optimismus a potíže se dařilo odstraňovat. Pokrok byl dlouho neviditelný, zůstával jen na úrovni základního výzkumu. Jak ukázaly epidemie „prvního“ SARS v roce 2003 či eboly v západní Africe v roce 2014, na objev nových virových patogenů lidstvo nedokázalo reagovat tak rychle, jak by si většina veřejnosti představovala. Až během následujících let technologie výrazně dozrávaly, včetně mRNA vakcín, tedy principu, který se věda neúspěšně pokoušela uplatnit po několik desetiletí. Ke konci druhého desetiletí 21. století ale bylo vše připraveno k úspěchu. Už v roce 2018 odborný článek v časopise Nature Medicine označil mRNA vakcíny za začátek „nové éry v očkování“. Různé biotechnologické společnosti měly v době, kdy se objevil SARS- -CoV-2, tedy na přelomu let 2019 a 2020, v klinických zkouškách několik různých vakcín a terapeutik. Například firma Moderna v té době zkoušela osm lidských vakcín včetně personalizované (tj. každému na míru šité) vakcíny proti rakovině či viru Zika. A pak přišel virus SARS-CoV-2… Objev Karikóové a Weissmana má proto obrovský praktický dopad. Otevřel cestu k zcela novému typu vakcín nejen proti covidu. Přitažlivost mRNA vakcín od začátku spočívala v tom, že mohou poskytnout ochranu proti velmi široké škále virových nebo bakteriálních infekcí. Optimisté říkají dokonce „téměř jakékoliv virové či bakteriální infekci“. Tak uvidíme v příštích letech. Cena pro Karikóovou a Weissmana by neměla být vyvrcholením jedné kapitoly v dějinách vědy, ale jen jejím úvodem.
FYZIKA: Lasery, kterým nestihne nic utéct
Letošní Nobelova cena za fyziku míří do světa nejmenších částic. Oceněni byli Pierre Agostini, Ferenc Krausz a Anne L’Huillierová za metody vytváření extrémně krátkých záblesků světla — za attosekundové pulzy. Ty odhalují pohyby elektronů a další děje uvnitř atomů. Attosekunda, to je nepředstavitelná miliardtina miliardtiny sekundy. Proč studovat tak krátké intervaly? Protože právě v nich probíhají fascinující procesy na úrovni atomů. Třeba skok elektronu mezi atomy či jeho oběh kolem jádra. Jak však zmrazit čas, abychom tyto mikroskopické „tanečníky“ zahlédli? Průkopnický nápad přišel od Anne L’Huillierové. V roce 1987 přišla s myšlenkou, že lze využít nelineárních jevů při průchodu intenzivního laserového pulzu plynem k získání kratších pulzů o vyšší frekvenci. Velmi zjednodušeně řečeno tedy nechala laser „prolétnout“ vhodným plynem. Z některých jeho atomů světlo vyrazí elektrony, které pak vyzařují získanou energii v podobě záření s velmi krátkou vlnovou délkou, tedy vysokou frekvencí. Vyšší než původní laser, ale s ním zároveň „sladěnou“ (jde o harmonickou frekvenci). L’Huillierová s kolegy v roce 1991 mechanismus vzniku těchto attosekundových pulsů teoreticky detailně vysvětlila. Na její práci pak nezávisle navázali na svých pracovištích i další dva laureáti. Metodu vylepšili a začali ji využívat ke sledování dějů (nejen) v nitrech atomů. Attosekundové záblesky tak otevírají zcela nové možnosti prozkoumání struktury hmoty. Podobně jako zpomalený záběr ve sportu nám dovolují vidět jinak příliš rychlé děje. „Attosekundová fyzika“ nabízí široké možnosti, které se teprve učíme využívat. Obor bádání je stále v plenkách a skýtá obrovský potenciál. Krauszova skupina v rámci své práce např. měřila průběh fotoelektrického efektu, který popsal jako první Albert Einstein (a získal za to jednu ze svých Nobelových cen). Jev sám je základem třeba fotovoltaických elektráren: spočívá v tom, že pokud na vhodný materiál posvítíme, dopadající fotony vyrazí z atomů osvětleného materiálu elektrony, čímž vznikne elektrické napětí. Vídeňská skupina s využitím attosekundových pulzů měřila dříve pro nás naprosto nepoznatelné detaily celého jevu, např. drobné rozdíly v chování jednotlivých elektronů při jejich „vyrážení“ z atomů. V poslední době Krauszova skupina používá attosekundová měření také u různých látek využívaných živými organismy ve snaze o rozluštění přesných mechanismů biochemických reakcí. Že přínosy takového poznání mohou být velmi široké, si asi každý dokáže představit. Metodou se také už podařilo změřit, že ionizace látek v kapalném skupenství probíhá poněkud pomaleji než u plynů. I když je rozdíl nepatrný, pomůže lépe pochopit fungování slabých vazeb mezi molekulami stejné látky. Attosekundová měření dějů v pevných látkách dále přispějí i k hlubšímu poznání krystalických struktur. Třeba se tak snad konečně po mnoha zklamáních, včetně toho z letošního léta, dočkáme časem i nějakého skutečně vysokoteplotního supravodiče.
CHEMIE: Zářivý objev
Nobelovu cenu za chemii letos obdrželi Moungi Bawendi, Louis Brus a Alexej Jekimov za průkopnický výzkum kvantových teček. Kvantová tečka je nepatrný útržek vhodného polovodičového materiálu o velikosti několika stovek či tisíců atomů. V absolutních číslech jejich rozměry bývají obvykle v jednotkách nanometrů. Přestože se skládá z mnoha atomů, v jistém smyslu se taková kvantová tečka, přesněji řečeno polovodičový nanokrystal, chová jako jediný „superatom“. Je totiž tak malá, že elektrony jejích atomů se začnou chovat kolektivně. Vznikne tak umělý atom s neobvyklými elektronovými hladinami a vlastnostmi. Teoretici spekulovali o schopnostech těchto malých struktur již ve 30. letech 20. století, v počátcích kvantové mechaniky. „Superatom“ bylo podle predikcí možné vytvořit například přesně tak, aby při přechodu elektronu z dané vyšší hladiny na danou nižší hladinu vyzařoval určitou vlnovou délkou světla. Od roku 2016 jsou takové nanokrystaly v některých televizorech a monitorech s QD technologií, která díky nim dosahuje sytějších barev. Kvantové tečky se aktivují modrým světlem a pak vyzáří světlo určité barvy podle velikosti konkrétní tečky. K objevu kvantových teček došlo díky zkoumání jejich zajímavých barevných projevů. Jako první je koncem 70. let objevil Alexej Jekimov v Sovětském svazu při výzkumu skla. Nezávisle pak v USA Louis E. Brus při studiu polovodičů. Velký posun vpřed přinesl Moungi Bawendi, který v 90. letech vylepšil metody syntézy kvantových teček. Do té doby nespolehlivá výroba kvantových teček — zejména velmi proměnlivá velikost — jejich praktickému využití bránila. V roce 1993 Bawendi a jeho tým vymysleli způsob, jak vyrobit vysoce kvalitní krystaly přesně definované velikosti, které by produkovaly ostré a živé světlo jedné konkrétní barvy. Zatím nejrozšířenějším využitím kvantových teček je už zmíněná aplikace v televizorech a monitorech, kde zajišťují živější a sytější barvy obrazu. Ale potenciál mají i v dalších odvětvích. Mohly by se hodit při stavbě kvantových počítačů, které fungují na zcela odlišných principech než klasické počítače. Další slibnou oblastí jsou tranzistory řízené jediným elektronem. Ty by mohly výrazně snížit spotřebu elektronických zařízení. Kvantové tečky zkrátka otevírají zcela nové možnosti pro konstrukci elektronických součástek na úrovni jednotlivých atomů. Výzkumníci však testují i další aplikace. V medicíně chtějí lékaři používat kvantové tečky jako tkáňově specifické „majáky“ k vyhledávání nádorů nebo jiných problémů. Například kvantové tečky pokryté organickými materiály, aby byly uvnitř buněk a krve lépe biokompatibilní, by mohly mapovat krevní cévy a lymfatické uzliny nebo monitorovat změny v nádorech. Tečky by také mohly pomoci sledovat pohyb léků v těle. Kvantové tečky tak představují průlom do světa nejmenších částic hmoty. Umožňují lépe porozumět kvantovým jevům, které začínají hrát roli ve velmi malých rozměrech. Letošní nositelé Nobelovy ceny položili základy perspektivní technologie s širokým uplatněním v mnoha oborech. /jj/