Objev buněk, které drží imunitu na uzdě, kvantové jevy zvětšené do viditelné velikosti a materiály plné maličkých komůrek. Nobelovy ceny za přírodní vědy si letos rozdělil maximální možný počet laureátů — tedy devět. Ocenění se dočkali především experimentátoři a autoři objevů, které veřejnost do té doby z velké části nejspíše vůbec neznala.
Medicína: Naděje na nápravu imunitních „zmetků“
Program letošních Nobelových cen jako obvykle zahájila med
icína a fyziologie. Ocenění byli oznámeni 6. října před polednem a stali se jimi japonský vědec Šimon Sakaguči a američtí výzkumníci Mary Brunkowová a Fred Ramsdell. A to za svůj podíl na vysvětlení jedné z příčin, proč si náš imunitní systém nesplete buňky vlastního těla s cizími mikroby.
Konkrétně se jednalo o průlomové objevy týkající se takzvané periferní imunitní tolerance. To je mechanismus, který brání našemu imunitnímu systému, aby se obrátil proti nám samým — tedy alespoň většinou.
Nejde o objev, který by okamžitě přinesl do ordinací nový lék. Jeho význam je fundamentální: trojice vědců popsala a vysvětlila funkci specifického typu bílých krvinek, takzvaných regulačních T-lymfocytů. Tyto buňky fungují v těle jako neustále hlídkující stráž, která uklidňuje ostatní, příliš horlivé imunitní buňky a drží je na uzdě. Právě jejich selhání vede k tomu, že tělo začne válčit samo se sebou, což je podstatou celé řady takzvaných autoimunitních onemocnění.
Potenciál objevu je obrovský. Porozumění funkci těchto buněčných „mírotvorců“ otevírá dveře k úplně novým způsobům léčby. V současnosti probíhá po celém světě více než 200 klinických studií, které se snaží principů objevených letošními laureáty využít.
Cílem je buď posílit činnost těchto buněk v případech, kdy je imunita přehnaně aktivní — tedy u autoimunitních chorob nebo při potlačování odhojovací reakce po transplantacích orgánů. Anebo naopak jejich činnost utlumit, což se zkouší v léčbě rakoviny. Nádorové buňky totiž „mírotvorce“ (tzv. regulační T-buňky) zneužívají jako jakýsi živý štít, který je chrání před zničením ze strany imunitního systému.
Příběh tohoto zásadního objevu je však spletitý a nečekaně se dotýká i historie české vědy. V poválečném Československu se do biologie prosazoval lysenkismus — pavědecká doktrína importovaná ze Sovětského svazu. Ta — v příkrém rozporu s moderní genetikou — hlásala, že vlastnosti organismů nejsou dány geny, ale že je lze libovolně a rychle měnit vnějšími vlivy. A co více, že takto vyvolané změny se pak dědí.
Právě v této atmosféře se mladý a začínající vědec Milan Hašek rozhodl lysenkovské teze experimentálně ověřit. Spojil dvě v různých zárodcích se vyvíjející kuřata jediným oběhem: v podstatě vytvořil taková umělá siamská dvojčata. Předpokládal, že vzájemná výměna krve a v ní obsažených látek by podle lysenkovské teorie mohla vést ke změně dědičných vlastností.
Ukázalo se však něco jiného: zvířata v dospělosti navzájem tolerovala kožní štěpy a netvořila protilátky proti krvinkám svého embryonálního partnera. Jejich imunitní systémy se během společného vývoje naučily toho druhého nepovažovat za cizího.
Hašek, aniž to zprvu tušil, v roce 1953 nezávisle objevil, popsal a také potvrdil jev, který britský vědec Peter Medawar nazval „získaná imunologická tolerance“. Medawar za tento objev o sedm let později obdržel Nobelovu cenu. Český vědec se tak dostal v podstatě na „dosah“ Nobelovy ceny. Ovšem nedosáhl jí — a to zřejmě i kvůli tomu, že svůj výsledek vysvětloval (alespoň původně) lysenkovsky. Hašek se ale vypracoval ve vědeckou osobnost, stal jedním ze zakladatelů mezinárodně uznávané „pražské imunologické školy“, jejíž přínos ostatně zmiňují i podkladové materiály k letošní Nobelově ceně.
Objev Milana Haška, stejně jako práce Petera Medawara, otevřel zcela nové pole výzkumu. Ukázalo se, že imunitní systém není jen neměnně naprogramovaný stroj na ničení cizorodých vetřelců, ale že se dokáže učit, co ignorovat. Tato schopnost, nazvaná imunologická tolerance, je pro naše přežití naprosto klíčová.
Náš imunitní arzenál je totiž nesmírně mocný a snadno se může obrátit proti nám samým. Důkazem jsou desítky autoimunitních onemocnění, od cukrovky 1. typu přes roztroušenou sklerózu až po artritidu, které postihují miliony lidí po celém světě. Všechna mají společného jmenovatele: imunitní systém z nějakého důvodu přestane poznávat vlastní buňky a začne je likvidovat.
Naše tělo si proto vyvinulo hned několik pojistek, jak takovému sebezničujícímu chování předejít. Tou hlavní je takzvaná „centrální tolerance“, která se odehrává v brzlíku, kde imunitní buňky vznikají. Ty, které při kontrole působí „zmetkovitě“ a reagují příliš silně na neškodné podněty, jsou zničeny a odstraněny.
Část potenciálně nebezpečných buněk kontrole v brzlíku unikne a dostane se do krevního oběhu. A právě zde, na „periferii“, nastupuje druhá, neméně důležitá linie obrany: periferní tolerance. Ta spoléhá na existenci specializovaných buněk, které aktivně hlídkují v tkáních a tlumí aktivitu případných buřičů. A právě objev a popis těchto buněčných hlídek je podstatou letošní Nobelovy ceny.
Nemáme prostor popisovat jeho peripetie a vývoj, důležitý je — hlavně z hlediska nás laiků — výsledek: objev nabídl nový, elegantní princip, jak zasahovat do fungování imunity. V případech, kdy je imunita přehnaně aktivní a poškozuje tělo, jako je tomu u autoimunitních chorob nebo při riziku odhojení transplantovaného orgánu, se vědci snaží funkci těchto buněk posílit. Zkouší se například postup, při kterém se pacientovi odeberou jeho vlastní regulační T-buňky, v laboratoři se namnoží a poté se ve velkém množství vrátí zpět do jeho těla. Cílem je v podstatě posílit přirozené „mírotvorné“ mechanismy těla a obnovit v imunitním systému rovnováhu.
Zcela opačný přístup se naopak zkouší v léčbě nádorových onemocnění. Ukázalo se totiž, že nádory dokážou tyto regulační buňky přilákat do svého okolí a zneužít je jako jakýsi živý štít, který je chrání před imunitními buňkami schopnými nádor zničit. Imunitní systém by sice rakovinné buňky často dokázal rozpoznat a odstranit, ale regulační T-buňky v okolí nádoru mu v tom aktivně brání. Vědci se proto snaží najít způsoby, jak tuto ochrannou hradbu z regulačních T-buněk dočasně rozebrat a umožnit tak imunitě, aby na nádor plně zaútočila.
Žádný z těchto postupů sice ještě není běžnou součástí léčby, ale představují nesmírně dynamickou a nadějnou oblast výzkumu, která by bez práce letošních laureátů Nobelovy ceny nebyla vůbec myslitelná.
Fyzika: Kvantový svět, na který se dá sáhnout
Letošní Nobelova cena za fyziku si našla překvapivé laureáty, i když samotné téma překvapivé vůbec nebylo. Cenu dostali John Clarke, Michel Devoret a John Martinis za práci, která souvisí s využitím kvantových jevů — a velmi nepřímo — i se zaváděním kvantových počítačů. Ocenění podali experimentální důkaz, že kvantové jevy, jako je tunelování a superpozice, nefungují jen na úrovni jednotlivých atomů, ale dají se pozorovat i na makroskopických, člověkem vyrobených objektech.
Základy kvantové mechaniky jsou tu s námi už 100 let, ale její nejpodivnější důsledky odhalujeme postupně. Dva z nich jsou pro tento příběh klíčové. Prvním je kvantová superpozice — myšlenka, že objekt může existovat v několika stavech současně, dokud ho nezměříme. Druhým je kvantové tunelování: tedy jev, kdy částice dokáže projít energetickou bariérou, na jejíž překonání by podle klasické fyziky neměla mít dostatek energie. Je to, jako by se míč líně se kutálející k úpatí kopce náhle a bez zjevné příčiny objevil na jeho druhé straně.
Dlouhá léta se předpokládalo, že tyto jevy jsou výsadou mikroskopického světa atomů a elektronů. Jenže už v 70. letech si teoretik Anthony Leggett položil provokativní otázku: Co když ne? Nemohli bychom projevy kvantové mechaniky pozorovat i na něčem, co si sami vyrobíme, na něčem makroskopickém?
A přesně to se našim třem laureátům v 80. letech na Kalifornské univerzitě v Berkeley podařilo experimentálně dokázat. Sestrojili supravodivý obvod s tzv. Josephsonovým přechodem. Můžete si ho představit jako smyčku z materiálu, který při teplotě blízké absolutní nule vede elektrický proud zcela bez odporu. Uvnitř této smyčky je záměrně vytvořena nepatrná izolační bariéra, onen Josephsonův přechod.
Pointa je v tom, že v tomto extrémním stavu se biliony elektronů v obvodu přestanou chovat jako individuality a začnou se pohybovat koherentně, jako jediná obří „kvantová částice“. Laureáti pak na tento systém pouštěli velmi slabý elektrický proud a pečlivě měřili napětí. Klasická fyzika by předpověděla, že systém zůstane ve stavu nulového napětí (díky supravodivosti), dokud proud nedosáhne kritické hodnoty, která mu dodá energii „přeskočit“ bariéru. Oni však zpozorovali, že se na obvodu objevilo napětí o něco dříve. Celý ten makroskopický systém se jako „jeden muž“ protuneloval skrze energetickou bariéru do nového stavu. Byl to elegantní důkaz, že kvantové zákony platí i ve „velkém“ měřítku.
Význam tohoto experimentu je dvojí. Zaprvé, fundamentálně nám potvrdil, že hranice mezi kvantovým a klasickým světem není tak ostrá, jak jsme si mysleli. I komplexní, člověkem vyrobený objekt se může chovat jako jediná kvantová entita. A zadruhé, a to je možná ještě důležitější, jejich obvod byl v podstatě prvním funkčním supravodivým qubitem. Dva rozlišitelné stavy systému — stav před tunelováním a stav po něm — se staly základem pro budoucí kvantové počítače.
Ukázali nejen to, že makroskopický kvantový stav existuje, ale že ho umíme cíleně připravit, manipulovat s ním a měřit jeho výsledek. V dnešních kvantových počítačích se přesně tento systém nepoužívá, ale Nobelova komise chtěla ocenit jejich přínos k nastartování oboru.
Obecně se spíše očekávalo, že si cenu (velmi zjednodušeně a hrubě řečeno) „za kvantové počítače“ odnesou teoretici, kteří se na rozvoji konceptu podíleli. Výběr zmíněných tří experimentátorů byl tak poněkud překvapivý, ale Nobelovy ceny z vůle zakladatele tíhnou právě k oceňování vědců, kteří obrazně řečeno bádají i rukama.
Chemie: Materiál, do kterého se vejde vše
Také v případě chemie byl oceněn v podstatě základní výzkum, tedy takový, jenž se zatím nemůže pochlubit tím, že by „změnil svět“. Ocenění získali Susumu Kitagawa, Richard Robson a Omar Yaghi za vývoj zcela nové třídy materiálů, kterým dnes říkáme kovo-organické struktury, zkráceně MOF (metal-organic frameworks).
MOF si můžeme velmi jednoduše představit jako molekulární stavebnici v trojrozměrném prostoru. Skládá se ze dvou základních komponent: kovových iontů, které tvoří uzly, a organických molekul, jež fungují jako spojnice. Jejich spojením vzniká vysoce uspořádaná, krystalická struktura, která je prostoupená prázdnými póry a kanálky definované velikosti. Hlavní vlastností těchto materiálů je jejich extrémní vnitřní povrch. Abychom byli konkrétní: 1 g takové látky, tedy objem, který by se vešel mezi palec a ukazováček, může mít vnitřní povrch o rozloze 7 000 m2. Tato vlastnost jim dává schopnost vázat a uchovávat obrovské množství molekul v malém objemu.
Letošní cena ocenila tři klíčové postavy, které tento obor postupně zformovaly. Richard Robson v 80. letech položil základy, když se inspiroval strukturou diamantu a jako první navrhl a syntetizoval trojrozměrnou síť z kovových a organických jednotek. Jeho práce byla koncepčním průlomem.
Na začátku 90. let na něj navázal Susumu Kitagawa. Jeho zásadním přínosem bylo vytvoření stabilních MOFů, jež si udržely svou porézní strukturu i poté, co byly z pórů odstraněny molekuly rozpouštědla. Tím je otevřel pro praktické využití, například pro skladování plynů. Kitagawa též ukázal, že tyto sítě mohou být „flexibilní“ a měnit svůj tvar v reakci na vnější podněty, jako je teplota nebo přítomnost určitých molekul.
Ve stejné době Omar Yaghi tento obor systematizoval. Zavedl samotný termín „metal-organic framework“ a vyvinul metody, jak syntetizovat vysoce stabilní 3D sítě, které odolávají i teplotám kolem 300 °C. Jeho práce umožnila cíleně navrhovat MOFy s přesně definovanou velikostí pórů a dosáhnout rekordních hodnot vnitřního povrchu. Jeho přístup v podstatě proměnil syntézu MOFů z umění na systematickou vědu.
A k čemu je to dobré? Využití je přímým důsledkem jejich struktury. Schopnost selektivně vázat molekuly je předurčuje třeba pro zachytávání a separaci plynů, např. oddělování CO2 z průmyslových emisí, nebo vodní páry i ve velmi suchém prostředí (na poušti). Extrémní vnitřní povrch umožňuje skladovat plyny jako vodík nebo metan při mnohem nižších tlacích, než je běžné. Póry mohou sloužit jako miniaturní reaktory, kde jsou molekuly přivedeny do těsné blízkosti s aktivními kovovými centry.
Přechod z laboratoře do průmyslového měřítka je však stále ještě velkou výzvou. Z více než 100 000 dnes známých MOFů se jich komerčně využívá jen několik. Klíčové je najít pro každou aplikaci správný materiál, který bude dostatečně stabilní, levný a efektivní.