Nagrody Nobla są przyznawane od początku XX wieku jako realizacja testamentu szwedzkiego wynalazcy i przemysłowca Alfreda Nobla. Ta najbardziej prestiżowa nagroda w świecie nauki i literatury początkowo była przyznawana w pięciu dziedzinach: fizyki, chemii, medycyny i fizjologii, literatury i za osiągnięcia na rzecz krzewienia pokoju. Po ponad pół wieku, w latach 60. XX w., postanowiono przyznawać też nagrodę Banku Szwecji, nazywaną potocznie Noblem z ekonomii.

Noble co roku budzą spore emocje, bo ci, którzy zostają nimi wyróżnieni, na trwałe zapisują się w historii nauki i literatury. Dla zatrudniających ich uczelni to powód do dumy i skoku w rankingach najlepszych uniwersytetów świata, a dla samych laureatów, poza sławą i uznaniem, także solidny zastrzyk finansowy – na konto nagrodzonego trafia równowartość blisko 4,5 mln zł (w przypadku kilku laureatów do równego podziału).

Nowa generacja szczepionek

Tegorocznym Noblem z medycyny podzieliło się dwoje badaczy: Katalin Karikó z Węgier i Drew Weissman z USA. Zostali wyróżnieni za opracowanie technologii mRNA, dzięki której możliwe stało się stworzenie skutecznych szczepionek przeciw COVID-19. Para naukowców pracowała wspólnie. Karikó i Weissman prowadzili swoje przełomowe badania na amerykańskim Uniwersytecie Pensylwanii, z którym dotąd związanych było 27 noblistów.

Sama historia Katalin Karikó jest interesująca. Badaczka urodziła się na Węgrzech. Studia kończyła na tamtejszym Uniwersytecie Segedyńskim. Jeszcze przed upadkiem żelaznej kurtyny, w 1985 roku, została zwolniona z uczelni i uciekła wraz z mężem i córką do Stanów Zjednoczonych. Tam podjęła dalszą pracę naukową najpierw na Temple University w Filadelfii, a następnie na Uniwersytecie Pensylwanii, gdzie w 1998 roku poznała Drew Weissmana. Wspólnie założyli startup, który koncentrował się na możliwościach tworzenia leków wykorzystujących w swoim działaniu kwas rybonukleinowy (RNA).

Tym, co przyniosło Karikó i Weissmanowi Nobla, było przełomowe odkrycie dokonane w 2005 roku. Właśnie wtedy udało im się tak zmodyfikować cząstkę informacyjną RNA (czyli mRNA) kodującą określone białko, aby była na tyle stabilna, by po dostarczeniu do organizmu wywołać reakcję immunologiczną. Właśnie to odkrycie pozwoliło na stworzenie zupełnie nowej generacji szczepionek, które na szeroką skalę zostały zastosowane w czasie pandemii COVID-19 w szczepionkach produkowanych przez Pfizera i Modernę.

Jak działa szczepionka mRNA? Stabilne mRNA z zapisaną odpowiednią informacją genetyczną po podaniu do organizmu uruchamia w komórkach produkcję określonego, charakterystycznego dla wirusa białka. Jego obecność inicjuje produkcję przeciwciał zdolnych do walki z wirusem, gdy ten pojawi się w organizmie.

W przeciwieństwie do stosowanego wcześniej rodzaju szczepionek, preparaty mRNA nie zawierają w sobie ani całego wirusa, ani nawet jego części, a jedynie informację genetyczną, która uruchamia mechanizmy obronne. Samo mRNA odgrywa rolę nośnika informacji i dzięki temu odkrycie Karikó i Weissmana jest bardzo uniwersalne. Nie ogranicza się wyłącznie do szczepionek przeciw SARS-CoV-2. Gdy tylko obecni nobliści opublikowali wyniki swoich przełomowych badań, koncerny farmakologiczne i instytuty badawcze od razu rozpoczęły pracę nad zastosowaniem odkrycia w tworzeniu szczepionek na różne choroby – m.in. grypę, wirusa Zika czy malarię. Badania jednak trwały. Dopiero pandemia COVID-19 sprawiła, że prace przyspieszono, by stworzyć preparat pozwalający opanować rozprzestrzenianie się wirusa SARS-CoV-2. I wtedy właśnie wykorzystano takie szczepionki po raz pierwszy skutecznie i na szeroką skalę.

Osiągnięcie tegorocznych noblistów może być wykorzystywane nie tylko przy tworzeniu nowych szczepionek. Trwają badania, których celem jest zastosowanie technologii mRNA m.in. do opracowania nowych terapii przeciwnowotworowych.

  Katalin Karikó i Drew Weissman.
Matt Rourke /AP Photo/east news

Uchwycić nieuchwytne

Tegoroczna nagroda Nobla w dziedzinie fizyki trafia do trzech osób. Laureatami są Anne L’Huillier, Pierre Agostini i Ferenc Krausz. Agostini ma korzenie francuskie, chociaż urodził się w 1941 roku w Tunisie, a pracę naukową prowadzi na amerykańskim Uniwersytecie Stanu Ohio. Ferenc Krausz to z kolei węgiersko-austriacki fizyk urodzony w 1961 roku, dyrektor niemieckiego Instytutu Optyki Kwantowej Maxa Plancka. Trzecia z laureatów, Anne L’Huillier, to paryżanka (urodzona w 1958 roku), zatrudniona na szwedzkim Uniwersytecie Lund na stanowisku profesora fizyki atomowej. Jest piątą w historii kobietą nagrodzoną Noblem w dziedzinie fizyki.

Cała trójka została doceniona za eksperymentalne osiągnięcia w tym samym wycinku rzeczywistości. W uzasadnieniu komitetu noblowskiego czytamy, że zostają wyróżnieni za „metody eksperymentalne generujące attosekundowe impulsy światła do badania dynamiki elektronów w materii”. Co to oznacza?

Attosekunda to jednostka czasu powstała z podzielenia sekundy na miliard miliardów części. Aż trudno sobie wyobrazić tak krótki wycinek czasu. Tegoroczni nobliści w swoich eksperymentach uzyskali za pomocą silnej wiązki laserowej krótkie impulsy świetlne trwające od kilkudziesięciu do kilkuset attosekund. Pierwsze takie udane doświadczenie przeprowadziła L’Huillier w 1987 roku. Od tego czasu badacze osiągali kolejne, coraz bardziej wyśrubowane rekordy, a najkrótszy obecnie uzyskany impuls świetlny trwał 43 attosekundy. Do czego mogą się przydać tak krótkie impulsy świetlne? Otóż pozwalają one otworzyć drogę do obserwacji nieuchwytnych dziś procesów w przyrodzie, które zachodzą na poziomie wnętrza atomu.

Mechanizm potrzebny do obserwacji tych procesów, jest podobny do mechanizmu działania migawki aparatu fotograficznego. Aby uchwycić na zdjęciu statyczny obraz, na przykład pejzaż, wystarczy długie otwarcie migawki, czyli naświetlenie. Jednak fotograf dokumentujący zawody sportowe musi ustawić migawkę na znacznie krótszy czas otwarcia, aby biegacz przeskakujący przez płotki czy wykonująca piruet łyżwiarka figurowa nie wyszli na zdjęciach rozmazani. Im szybszy jest ruch, który chcemy „złapać” na fotografii, tym krótszy musi być czas naświetlania. Trzepotanie skrzydeł pszczoły czy kolibra (który porusza skrzydłami w częstotliwości około 80 Hz) wymaga ultraszybkiej migawki. Rzecz w tym, że w przyrodzie zachodzą zjawiska znacznie, znacznie szybsze. Odkrycia tegorocznych noblistów otwierają drogę do obserwacji m.in. ruchu elektronów wewnątrz atomu. Wiedza, którą będzie można w ten sposób zdobyć, pozwoli w przyszłości na stworzenie superszybkiej elektroniki czy poznanie biologicznych mechanizmów znajdujących zastosowanie m.in. w precyzyjnej diagnostyce czy wirusologii.

Tegoroczny Nobel z fizyki to w pewnym sensie kontynuacja nagrody z 2018 roku, gdy wyróżniono odkrycia dotyczące impulsów femtosekundowych (sekunda dzielona na milion miliardów). Choć ani jedne, ani drugie nie są rewolucją w fizyce teoretycznej, to stanowią przełom w praktyce eksperymentalnej.

Kolorowanie nanotechnologii

Moungi Bawendi, Louis Brus i Aleksiej Ekimow – laureaci chemicznego Nobla Anno Domini 2023 pracują na co dzień w Stanach Zjednoczonych, choć pochodzą z różnych krajów: Bawendi jest Francuzem pochodzenia tunezyjskiego, Brus to Amerykanin, a Ekimow jest Rosjaninem. 

Opracowali oni metodę syntezy nanocząsteczek nazywanych kropkami kwantowymi. Kropki kwantowe to cząsteczki tak małe, że ich zachowanie opisujemy już nie według zasad mechaniki klasycznej, ale w oparciu o mechanikę kwantową. Bardzo długo uważano je za istniejące jedynie w teorii. Opracowanie przez laureatów tegorocznego Nobla metod ich wytwarzania przyniosło zmiany, z których już dziś bardzo często korzystamy w życiu codziennym.

Jak powstają kropki kwantowe? Do szklanej kolby wypełnionej specjalnym rozpuszczalnikiem wlewa się reagenty, przy jednoczesnej kontroli temperatury. Z umieszczonych w rozpuszczalniku reagentów powstają nanokryształy, tzw. kropki kwantowe, które podświetlone światłem ultrafioletowym świecą w określonych kolorach. Kolor, jakim świecą, zależy od wielkości kryształu – te najmniejsze, o średnicy około 1,7 nanometra, mają barwę niebieską, coraz większe przechodzą przez różne barwy tęczy aż do największych, czerwonych – o rozmiarze około 4,5 nm.

W uzasadnieniu tegorocznej nagrody Komitet Noblowski napisał, że laureaci „dodali koloru do nanotechnologii”. A podczas prezentacji laureatów w Sztokholmie na stole znajdowały się laboratoryjne kolby wypełnione zawiesinami z nanocząsteczek, emitującymi pod wpływem ultrafioletowego oświetlenia żywe, różnobarwne światło.

To właśnie Aleksiej Ekimow – jeden z tegorocznych zdobywców chemicznego Nobla – jako pierwszy wyprodukował na początku lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku w petersburskim laboratorium kropki kwantowe. Niedługo po nim kolorowe zawiesiny wytworzył Luis Brus. Metodę opracowaną przez Brusa rozwinął ­Moungi Bawendi, tworząc kropki kwantowe bardzo dobrej jakości, o bardzo wysokiej wydajności świetlnej.

Odkrycia dokonane przez Ekimowa, Brusa i Bawendiego już dziś znajdują praktyczne zastosowanie w życiu codziennym. Korzystamy z nich, używając urządzeń z wyświetlaczami z technologią Q-LED. Telewizory czy monitory to jednak tylko jedno z możliwych zastosowań kropek kwantowych. Można je wykorzystywać również w medycynie, na przykład w diagnostyce, gdzie są używane do wybarwiania określonych tkanek, co pozwala wyodrębnić struktury różne od otaczającej tkanki, na przykład komórki nowotworowe. Nanokryształy znajdują też zastosowanie w takich dziedzinach jak praca nad nanolaserami czy tworzeniem coraz bardziej zaawansowanych paneli fotowoltaicznych. Mogą też być wykorzystywane jako źródła światła białego.