Laureáti Nobelových cen si letos nepojedou kvůli koronavirové pandemii pro ceny osobně, novinářů bylo na místě opravdu jen pár. Tradiční prosincový banket, který obvykle následuje po předání vždy 10. prosince a obvykle přivítá okolo 1 300 hostů, se však letos konat nebude. „Nemůžete shromáždit tolik lidí, aby byli jeden vedle druhého. A není jisté, zda do Švédska bude moci přicestovat takové množství lidí,“ řekl výkonný ředitel Nobelovy nadace Lars Heikensten. Naposledy byl banket zrušen v roce 1956 na protest proti sovětské vojenské invazi do Maďarska. Nekonal se ani během obou světových válek. Přesto jsou letos oceněné práce všech oceněných neméně zajímavé ve srovnání s lety „normálnějšími“.
Medicína: Objev ve třech krocích Nositeli Nobelovy ceny za medicínu a fyziologii pro rok 2020 jsou tři vědci nesoucí hlavní zásluhu na objevu viru způsobujícího hepatitidu („žloutenku“) typu C. Oceněni byli Harvey Alter, Michael Houghton a Charles Rice, kteří každým vlastním dílem a vlastním způsobem postupně přispěli k poznání tohoto viru. Hepatitida C je infekční onemocnění, které postihuje především játra. Nositelé ceny přispěli zásadním způsobem k objevu viru, který ji způsobuje, tedy viru hepatitidy C (HCV). Hepatitida C se označuje často za „neviditelnou epidemii“, protože infekce je dlouho v podstatě bezpříznaková. Chronická infekce však může vést ke zjizvení jater a po mnoha letech až k cirhóze. Na celém světě infekcí trpí desítky a možná až stovky milionů lidí. Od testů k hrátkám na bohy Komise pro udílení Nobelových cen výběrem vítězů chtěla zdůraznit, že podobné objevy jsou mnohdy složitější, než bychom čekali. První krok ze tří, ze kterých se podle švédských akademiků objev skládá, podnikl Američan Harvey Alter. Nebyl vědcem, ale praktikem medicíny. Pracoval v krevní bance v USA, věnoval se sledování pacientů po transfúzích a zjistil, že celá řada pacientů po podání cizí krve trpí chronickou „žloutenkou“. Také zjistil, že nemoc nemá na svědomí virus hepatitidy B, který již byl v té době známý. Díky pokusům na zvířatech věděl, že se skutečně přenáší krví nakažených pacientů, ovšem o jaký patogen přesně jde, se mu zjistit nepodařilo. Řada údajů naznačovala, že jde o nový, tehdy ještě neznámý virus, avšak vědcům se ho nedařilo izolovat. Uspěl až kolektiv kolem Michaela Houghtona, který pracoval ve farmaceutické společnosti Chiron. Těm se podařilo virus nakonec sestavit doslova z odpadu. Z krve nakažených šimpanzů (které by dnes již používat pro tyto účely téměř jistě nemohli) izolovali vědci co největší množství DNA. V drtivé většině případů šlo o úlomky šimpanzí DNA, jak ale Houghton a spol. správně odhadovali, mezi nimi by se měly vyskytovat i „zbytky“ (tj. úlomky genetického materiálu) z viru. K jejich nalezení použili protilátky z krve pacientů, kteří hepatitidou C trpěli a jejichž imunitní systém si tedy vytvořil protilátky proti viru, který ji způsobuje. Stejného pr incipu pak využili k vytvoření spolehlivého testu na přítomnost viru v krvi. Díky tomu se v podstatě odstranilo riziko, že se při transfúzi pacienti nakazí žloutenkou typu C, a tento objev tedy bezprostředně pomohl doslova milionům potenciálně nemocných. Jak zaznělo na oznámení Nobelových cen, před tímto objevem byly krevní transfúze tak trochu „ruskou ruletou“. Zbývala poslední otázka: stačil k nákaze samotný virus? Není ve hře ještě něco jiného (jiná infekce, genetika atp.)? Na to odpověděl Charles Rice s kolegy z univerzity v St. Louis. Ti připravili pokus, ve kterém v laboratoři vytvořili přesně geneticky specifikované klony viru a prokázali, že ve zvířatech pouze a jen přítomnost viru stačí k rozběhnutí infekce. Jejich práce je mimochodem dobrou ilustrací toho, k čemu jsou zapotřebí nástroje genetického inženýrství. Není to proto, že by si vědci „chtěli hrát na bohy“, ale protože nástroje na úpravu genů mohou odpovědět na konkrétní výzkumné otázky, právě typu „způsobuje tento virus konkrétní onemoc- nění?“. Dohromady tento „objev ve třech krocích“ otevřel cestu k dalšímu pokroku, vyvinutí účinných léků proti viru hepatitidy C. Díky nim dnes proti nemoci máme účinné zbraně: 95 % diagnostikovaných pacientů infekce zbaví. Na těch již pracovali jiní vědci, například tým kolem Antonína Holého na pražském ústavu ÚOCHB. Díky němu a dalším týmům udělal vývoj antivirotik v posledních několika desetiletích velký skok kupředu. A tak je například dosti pravděpodobné, že hepatitida typu C bude první virovou nákazou, kterou by se mohlo podařit vymýtit i bez účinné vakcíny.
Fyzika: Věrozvěsti neuvěřitelného Když se na tím zamyslíte, černé díry jsou naprosto fantaskní objekty. Přesto dnes o jejich existenci téměř nikdo nepochybuje. Ještě před několika desetiletími se v ně dalo však jen a pouze věřit. Někteří vědci již na konci 19. století uvažovali, že by mohly existovat objekty tak masivní, že z nich neunikne ani světlo, byly to však domněnky bez jasných důkazů. Nejde jen o to, že v našem vesmírném okolí nebyly nikde k vidění. Fyzici si nebyli jistí, proč a jak by podobné objekty mohly vzniknout. Einsteinova obecná teorie relativity dovolovala vznik takových míst, kde se do sebe „zhroutí“ prostor i čas (od horizontu událostí čas plyne směrem do středu černé díry, uprostřed pak „stojí“). Ovšem řada odborníků si myslela, že jde o chybu či důsledek špatného řešení rovnic. Svého času to předpokládal i Albert Einstein. Jeho teorie je tak úspěšná, že ani její tvůrce si nedokázal přesně uvědomit všechny její důsledky a zvládnout matematiku nutnou k řešení otázek z obecné teorie relativity vyplývajících. Celou řadu problémů vyřešila až generace vědců, kteří se narodili po zveřejnění tzv. „OTR“ (obecná teorie relativity) v roce 1915. Jedním z nich je v roce 1931 narozený Angličan Robert Penrose, který je profesně svázán s univerzitou v Cambridgi a patří mezi nejslavnější teoretické fyziky vůbec. Pochází z vědecky založené rodiny (otec byl také fyzik a matematik) a během svého studia se věnoval především čisté matematice, aby postupně obrátil svou pozornost ke kosmologii. A v právě v tomto oboru pak doslova změnil náš pohled na svět kolem nás. V polovině 60. let „revolučně změnil matematické nástroje, které používá k popisu časoprostoru“, napsal známý americký fyzik Kip Thorne. Penrose přišel s novým přístupem k problému, soustředil se na „tvar“ (topologii) časoprostoru. Nobelova komise ocenila konkrétně jeho zcela zásadní práci z roku 1965, ve které právě tento přístup použil k tomu, aby svým kolegům dokázal, že černé díry jsou nevyhnutelným důsledkem platnosti obecné teorie relativity. Einstein se práce nazvané „Gravitational collapse and spacetime singularities“ nedočkal, zemřel v roce 1955. Jak je zahlédnout O existenci černých děr se tedy přestalo pochybovat. Ale můžeme je zahlédnout? Jejich gravitace je natolik silná, že jim neunikne ani světlo, ani jiné elektromagnetické záření, a tak představují temná místa ve vesmíru. Ponechme teď stranou fakt, že černé díry se podle teoretických předpovědí „odpařují“ díky tzv. Hawkingovu záření, protože zatím nevíme, zda existuje a jak ho pozorovat. Astronomové tedy dospěli k závěru, že černé díry lze vždy pozorovat pouze nepřímo. Například pomocí pohybu hvězd či jiné hmoty uvězněné na oběžných drahách kolem těchto extrémně hmotných objektů. Přesně to dokázali Reinhard Genzel a Andrea Ghezová, kteří se dělí s Penrosem o druhou poloviny Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2020. Jejich práce je mladšího data než Penrosovy výpočty, ale je těžké ji přesně datovat. Trvala totiž celá desetiletí. Oba patřili k vedoucím osobnostem dvou různých vědeckých týmů, které se snažily nahlédnout do centra Mléčné dráhy, oblasti známé jako Sagittarius A*. Úkol zní možná jednoduše, ve skutečnosti jde však o velmi dlouhý proces postupného vylepšování a „upgradů“ metod a vybavení, které dokázaly nahlédnout do tak vzdálené, a navíc aktivní oblasti naší galaxie. Oba týmy například pracovaly na principu tzv. adaptivní optiky. Ta umožňuje do značné míry eliminovat chyby, které v obraze vznikají v důsledku průchodu světla zemskou atmosférou. Nakonec se oběma týmům během mnoha let práce podařilo zmapovat pohyb několika objektů v oblasti kolem středu naší galaxie. Zjistili, že obíhají kolem velmi masivního a kompaktního objektu, tedy podle všeho černé díry. Největší cenu má pozorování jedné hvězdy S2, která obíhá těsně kolem středu naší galaxie. Oběhne ho jednou za 16 let (naší soustavě to trvá asi 200 milionů let). Díky rychlosti oběhu hvězdy S2 odhadujeme, že supermasivní černá díra ve středu naší galaxie má hmotnost kolem čtyř milionů Sluncí. Průměr horizontu událostí, tedy místa, ze kterého se nevrátí ani světlo, je cca 24 milionů kilometrů, tedy sedmnáctkrát větší než průměr Slunce. Černou díru Sagittarius A* bychom v brzké době mohli snad zahlédnout (téměř) přímo. Soustředí se na ní tzv. Event Horizon Telescope (EHT), což je velká mezinárodní spolupráce, která provozuje radioteleskop bez přehánění s rozměry téměř jako Země. Ten v roce 2019 zveřejnil první snímek bezprostředního okolí černé díry. Tehdy ovšem jeho cílem byla supermasivní černá díry v galaxii M87, která je z různých důvodů lepším cílem pro pozorování než „naše“ černá díra. Historický snímek „stínu“ černé díry v jádru galaxie M87 je prvním snímkem bezprostředního okolí černé díry, která je samozřejmě stále neviditelná, ale nachází se v „prázdném prostoru“ uprostřed.
Chemie: Poslední, a přitom první Zdaleka největší pozornosti se letos ovšem dostalo poslední oznamované ceně o přírodě – chemii. Jejími nositelkami se pro rok 2020 staly dvě vědkyně, které měly velkou zásluhu na jednom z největších objevů prvních desetiletí 21. století: Jennifer Doudnaová a Emmanuelle Charpentierová. Ty učinily klíčové objevy ve zvládnutí nástroje na „stříhání“ genů známého jako CRISPR/Cas-9. Možná si ho ještě pamatujete: je relativně nedávného data. Spadá do roku 2012. Tehdy v několika velmi hojně citovaných článcích vyšel popis nového nástroje na úpravu DNA, který mění celý obor – a v blízké budoucnosti dost možná i mnohem víc. Těžko se trefit Již zmíněný CRISPR/Cas-9 je upravenou antivirovou zbraní bakterií. Na první pohled nebylo nikomu jasné, jak by takový bakteriální „imunitní systém“ mohl být k užitku lidem. Jak se však ukázalo, CRISPR umí jednoduše a (poměrně) přesně najít určité místo v DNA – třeba v lidských buňkách nebo buňkách rostlin a zvířat – a s pomocí vhodného „spolunástroje“ (známý enzym Cas9) ho vyříznout. (A po úpravách i něco více, ale to je na jiný článek.) Zní to celé možná poněkud triviálně, ale není. Alespoň ne v případě zvířat a jiných takzvaných vyšších organismů. U bakterií vědci již desetiletí provádějí poměrně zásadní genetické úpravy, ale s pomocí nástrojů, které ve výrazně složitějších buňkách, například savců, prostě nefungují dostatečně přesně a spolehlivě. DNA vyšších organismů je impozantní dílo evoluce. Ve většině lidských buněk ji tvoří miliardy jednotlivých „písmen“, takzvaných bází. Plně natažena by naše DNA měla délku několika metrů, obvykle se uvádí dvou až tří, ve skutečnosti je ovšem velmi těsně zabalena do buněčného jádra, které má průměr méně než deset mikrometrů, tedy méně, než je desetina průměru vlasu. „Nit“, ze které je toto zamotané klubko problémů vytvořené, je přitom téměř neviditelná; samotná molekula DNA je velmi tenká a stěží pozorovatelná i těmi nejlepšími současnými mikroskopy. Spolehlivé vyhledávání v této gigantické databázi bylo dlouho neřešitelným problémem, který CRISPR dokáže vyřešit. Náhle se otevřela možnost, že bude možné jednoduše vytvořit nástroj, který najde v DNA úsek odpovědný za dědičnou nemoc a odstraní ho nebo nahradí něčím jiným. A člověk, kterému medicína dnes dokáže pomoci jen stěží, bude vyléčen. Nebo ji možná použijete k hubení komárů, vytvoření rostlin odolnějších proti suchu, hospodářských zvířat odolných proti nemocem. A pokud nemáte skrupule, tak třeba i dětí se (snad) zvýšenou odolností proti nemoci AIDS, tak jak to k překvapení prakticky celého světa udělal v roce 2017 Číňan Che Ťien-kchuej. „Krásný nový svět“ přitom začal nenápadně. CRISPR byl dlouho předmětem zájmu jen relativně úzké skupiny vědců. My se v našem následujícím textu budeme věnovat jen letošním laureátkám. Roky na stopě Emmanuelle Charpentierová v roce 2002 založila vlastní výzkumnou skupinu na univerzitě ve Vídni. Věnovala se v ní výzkumu patogenní bakterie Streptococcus pyogenes. Někdy se laicky označuje jako „masožravá“, protože může napadat a rozkládat měkké tkáně. Charpentierová se věnovala zkoumání toho, co dělají jednotlivé geny této bakterie. Celé roky trpělivě pracovala na „mapování“ genetické mašinérie této bakterie, včetně úlomků RNA, které slouží v buňce jako „poslíčci“, zprostředkovatelé a plní celou řadu životně důležitých funkcí. Roky práce přinesly plody v roce 2011, kdy publikovala práci o objevu skupiny RNA „úlomků“ s neznámou funkcí a také zajímavých úseků DNA s instrukcemi, podle kterých si bakterie tyto „pomocníky“ vyráběla – úseků, které byly známé jako CRISPR. Podobné „CRISRP úseky“ se objevují v celé řadě bakterií různých typů, a tak bylo nabíledni, že jde o úseky s důležitou funkcí. Ale jakou? Aby mohla odpovědět na tuto otázku, spojila se Charpentierová s Jennifer Doudnaovou, která v té době měla pověst úspěšné vědkyně se specializací na funkce RNA v buňce. (Přesněji řečeno tzv. RNA interferenci, což byl v té době opravdu velmi slibný obor, který trochu ztratil na lesku, protože vývoj praktických aplikací se nedaří.) Obě vědkyně se poprvé potkaly na konferenci v Portoriku v roce 2011, kam Charpentierová přijela podle vlastních slov s cílem se s Doudnaovou seznámit a navázat spolupráci. Doudnaovou výsledek Charpentierové skutečně zaujal a po návratu do své laboratoře v Kalifornii připravila s kolegy sérii pokusů, které měly za cíl zjistit, zda náhodu Charpentierovou objevené úlomky neslouží jako obrana bakterie proti virům. Doudnaová měla na základě své předchozí práce představu (jak se ukázalo, poměrně přesnou), že ony úlomky RNA vytvořené podle CRISPR úseku DNA slouží jako „identifikační systém“, který dokáže odhalit virovou DNA. (Jednoduše tak, že na virovou DNA správně pasuje, nehledejte v tom nic složitějšího.) Když ji najde, přijde ke slovu další část systému, bílkovina Cas-9, která DNA molekulu odhaleného nepřítele přestřihne. Celé to tedy funguje jako jedna ze složek „imunitního systému“ bakterie. Kalifornský tým měl problémy systém ve zkumavce zprovoznit. To, že se pokus povedlo „rozchodit“, je mimo jiné i zásluha Martina Jínka, který v týmu Doudnaové působil. Tým však také především zjistil, že nástroj lze použít i na jiném materiálu. Ukázalo se, že nástroj funguje jako téměř „univerzální nůžky na geny“. Tým objev v roce 2012 publikoval v časopise Science v článku, jehož prvním autorem (tedy tím, kdo odvedl velkou část práce, ale nevedl tým) byl již zmíněný Martin Jínek. Když si ostatní vědci z oboru mohli jeho možnosti ověřit a také ho začali vylepšovat, v podstatě nebylo pochybnosti o tom, že Charpentierová a Doudnaová mohou v budoucnosti očekávat telefonát ze Stockholmu. Že to bude už v roce 2020, asi samy nečekaly.