Stworzenie ultraprecyzyjnych nożyc do cięcia materiału genetycznego. Zajrzenie w serce naszej galaktyki. Początek metody, która zaowocowała opracowaniem w tym roku rewolucyjnych szczepionek. Innowacyjna metoda walki z chorobą tropikalną. Wykazanie, że brak snu ma więcej wspólnego z naszym brzuchem niż głową. Pomiary w poszukiwaniu nowych, nieznanych jeszcze zjawisk fizycznych – a także kalendarium wyginięcia dinozaurów. W tle tych wszystkich zagadnień w minionym roku znalazły się zajmujące się nauką kobiety.

Nożyczki do DNA

Miniony rok był wyjątkowy jeśli idzie o liczbę kobiet, którym przyznano najwyższy, naukowy laur – nagrodę Nobla. W 2020 r. tego zaszczytu dostąpiły aż cztery panie, włącznie z Olgą Tokarczuk. Należy jednak zaznaczyć, że nie udało się pobić rekordu z 2009 r., kiedy wyróżnienie przyznano pięciu kobietom. Za to po raz pierwszy w historii panie podzieliły między siebie nagrodę. Chodzi o Nobla z chemii, którego w tym roku otrzymały Emmanuelle Charpentier oraz Jennifer Doudna.
Ich odkrycie kryje się pod mało apetycznym skrótem CRISPR/Cas9; bardziej strawnie można je nazwać „genetycznymi nożycami”. Chodzi o mechanizm, który naukowcy po raz pierwszy odkryli u zwykłych bakterii; Charpentier i Doudna następnie zmodyfikowały go w taki sposób, że można go zastosować praktycznie u każdego żywego organizmu.
CRISPR to w największym skrócie mechanizm obronny bakterii przed wirusami, który działa trochę jak kartoteka z odciskami placów. Kiedy mikrob przeżyje infekcję, chce zabezpieczyć się na przyszłość przed ponownym atakiem. Pobiera więc kawałek wirusowego kodu genetycznego niczym odcisk palca i wstawia do swojego DNA jak do kartoteki (to właśnie ten fragment nazwano „CRISPR”). Jeśli dojdzie do ponownego ataku, odcisk można wyjąć z archiwum i wykorzystać do identyfikacji wroga.
Kluczowe w tym procesie jest białko Cas9: kiedy tylko wykryje, że odcisk palca pasuje do agresora, rozpoczyna cięcie jego kodu genetycznego. I chociaż naukowcy już w połowie ubiegłej dekady sugerowali, że tandem CRISPR/Cas9 można wykorzystać do dłubania w DNA, to dopiero Charpentier i Doudna zamieniły go w realne narzędzie. Co ważne – relatywnie tanie i proste w zastosowaniu, co ma niebagatelne znacznie nie tylko w nauce.
Chociaż o modyfikowaniu kodu genetycznego słyszymy już od kilkunastu lat, to dotychczas była to dość żmudna praca. Naukowcy tak naprawdę posługiwali się metodą prób i błędów w nadziei, że planowane przez nich zmiany odniosą pożądany efekt. CRISPR/Cas9 rewolucjonizuje ten proces – w pewnym sensie to zestaw „zrób to sam” dla każdego, nawet początkującego genetyka.
To m.in. dlatego Jennifer Doudna w swojej książce sprzed paru lat roztaczała optymistyczne wizje: „W ciągu następnych kilku lat ta nowa biotechnologia zapewni nam zboża, które dają większe plony, zdrowsze zwierzęta gospodarskie i żywność bogatszą w różne składniki. Za kilka dekad dzięki niej będziemy mogli hodować świnie, które staną się dawcami ludzkich organów – ale też mamuty, latające jaszczurki i jednorożce. Nie, nie żartuję” – pisała w „A Crack in Creation: Gene Editing and the Unthinkable Power to Control Evolution” (Rysa na dziele stworzenia: edycja genów i niewyobrażalna moc kontroli nad ewolucją).

Pokaż się, potworze

O ile Charpentier i Doudna w swojej pracy poruszały się po świecie tego, co bardzo małe, o tyle trzecia noblistka – Andrea Ghez – na co dzień pracuje z zupełnie inną skalą. Chciałoby się rzec: galaktyczną, ponieważ najwyższe wyróżnienie naukowe otrzymała za odkrycie czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej (razem z Reinhardem Genzlem; trzecim laureatem w tym roku w dziedzinie fizyki, także za prace związane z czarnymi dziurami, został Roger Penrose). Chociaż właściwiej byłoby powiedzieć – potwierdzenie, że obiekt znajdujący się w sercu naszej galaktyki jest czarną dziurą, co podejrzewano już wcześniej.
To jednak nic a nic nie ujmuje odkryciu; czym innym jest bowiem sugerować – jak już robili starożytni – że Ziemia jest kulą, a czym innym wsiąść na statek i naprawdę opłynąć nasz glob. Tym bardziej że w tym wypadku kluczową właściwością zidentyfikowanego przez Ghez obiektu jest to, że nie sposób go zobaczyć. Nie bez kozery czarna dziura nazywana jest „czarną”: to obiekt o grawitacji tak silnej, że nic nie jest w stanie jej uciec, nawet światło.
Na szczęście działaniu tak silnej grawitacji nie są poddawane wyłącznie obiekty w bezpośredniej okolicy kosmicznego potwora, ale też położone znacznie dalej (dowodem chociażby fakt, że nasza galaktyka wiruje dookoła swojego centrum, a Układ Słoneczny okrąża je raz na 220 mln lat) – na przykład sąsiednie gwiazdy. Ta siła zdradza czarne dziury, jak ślady pozostawione przez sprawcę na miejscu zbrodni. Astronomowie niczym detektywi są w stanie, analizując te poszlaki, wyciągnąć wiele wniosków.
Fakt ten wykorzystała w swojej pracy Ghez. Jeśli w jądrze naszej galaktyki znajduje się obiekt o gigantycznej masie – ekwiwalencie kilku milionów Słońc – to wpłynie on na ruch sąsiednich gwiazd w sposób, który naukowcy są w stanie przewidzieć. Ghez razem ze współpracownikami zaprzęgła więc do pracy teleskopy w latach 90., aby obserwować ruch gwiazd znajdujących się w pobliżu tajemniczego obiektu w centrum galaktyki, przy okazji doskonaląc techniki oczyszczania obrazów z kosmosu z szumów wytwarzanych w naturalny sposób przez naszą atmosferę (co jest niezwykle ważne w przypadku tak precyzyjnych pomiarów).
Wniosek był jeden – ruch gwiazd ewidentnie wskazywał na to, że wpływ na niego ma sąsiedztwo kosmicznego, niewidzialnego potwora. W efekcie dzisiaj naukowcy są przekonani, że w centrum każdej galaktyki znajduje się niezwykle potężna czarna dziura (chociaż od tej zasady są – jak podejrzewamy na podstawie obserwacji – nieliczne wyjątki).

Odpalić fabrykę

Jeśli idzie o nagrody Nobla, to miniony rok nie tylko wydał parę laureatek, ale również stworzył murowaną kandydatkę do najwyższego naukowego lauru w przyszłości. W tle oczywiście jest pandemia i rewolucyjna metoda, dzięki której powstały niektóre szczepionki chroniące przed COVID-19. Mowa o Katalin Karikó, badaczce węgierskiego pochodzenia, i technologii mRNA.
W największym skrócie mRNA to język, który rozumieją fabryki białek ukryte we wnętrzu naszych komórek. Jeśli udałoby się nam nauczyć tego języka, a konkretniej – znaleźć sposób na podsuwanie wiadomości w nim zapisanych – to moglibyśmy zmusić organizm do produkcji pożądanych przez nas białek. Otworzyłoby to drogę do powstania zupełnie nowych leków i – jak okazało się w tym roku – szczepionek.
Jest tylko jeden problem – organizmy żywe nie przepadają za obcym materiałem genetycznym. W końcu w zwyczajnych warunkach oznacza to tylko jedno: że właśnie doszło do infekcji, a w ciele może panoszyć się wirus. W efekcie podanie obcego mRNA może wywołać reakcję immunologiczną, czasem bardzo silną. Nie trzeba nikogo przekonywać, że nie jest to optymalna sytuacja z punktu widzenia kogoś, kto chciałby za pomocą tej metody projektować nowe leki. Pokonanie tej bariery było więc kluczowe, jeśli miały powstać jakiekolwiek terapeutyki oparte na mRNA.
Tutaj na scenie pojawia się Karikó. Razem z kolegą Drew Weissmanem udało jej się w połowie ubiegłej dekady zademonstrować, że za pomocą mRNA można zmusić komórki do produkcji interesującego nas białka bez wywoływania reakcji immunologicznej. Świat naukowy rzucił się, aby wykorzystać obiecującą technikę, ale przez wzgląd na różne przeszkody jej premiera odbyła się dopiero podczas pandemii. Oparte na niej są zatwierdzone już szczepionki BioNTechu i Moderny, a także preparat firmy CureVac, który wszedł właśnie w decydującą, trzecią fazę badań klinicznych. Instruują one nasze ciało, jak wyprodukować charakterystyczne dla koronawirusa białko – i w ten sposób uczą nasz układ odpornościowy rozpoznawać intruza, w razie gdyby się pojawił.
I chociaż dziś Karikó wymienia się jako murowaną kandydatkę do najwyższego odznaczenia naukowego, to kiedy pracowała z mRNA na przełomie wieków, metoda wcale nie wydawała się taka pewna. Brak wiary w technikę był na tyle powszechny, że węgierska badaczka miała problem ze zdobyciem finansowania na swoje prace, co w pewnym momencie zahamowało nawet jej karierę naukową. I nawet jeśli badaczka nie była bezpośrednio zaangażowana w prace nad szczepionką przeciw koronawirusowi, to bez wątpienia można uznać ją za akuszerkę tej rewolucji (tym bardziej że współpracuje z firmą BioNTech, producentem jednego z preparatów).

Dobre komary

Biorąc pod uwagę chaos, jaki wywołał SARS-CoV-2, z pewnością na zawsze pozostanie już patogenem 2020 r. Ale opracowanie szczepionek chroniących przed nim nie jest jedynym tryumfem nauki nad chorobami zakaźnymi, jaki dokonał się w minionym roku. W gąszczu wirusowych informacji zawieruszył się fakt, że badacze odnieśli sukces w walce z zupełnie inną chorobą – gorączką denga, wywoływaną przez wirus o tej samej nazwie i dotykającą nawet 400 mln ludzi na całym świecie rocznie. W tym roku ukazały się bowiem wyniki rewolucyjnego badania, w ramach którego udało się ograniczyć zachorowania na tę chorobę w jednym z indonezyjskich miast aż o 77 proc.
Na czym polega rewolucja? Większość komarów z rodziny, do której należy gatunek przenoszący wirusa dengi, jest naturalnymi nosicielami bakterii zwanej Wolbachia pipientis. Większość, ale nie Aedes aegypti, czyli owad, który rozprzestrzenia chorobę. Od lat 90. naukowcy starali się więc stworzyć populację tych komarów, która także będzie miała na pokładzie dobroczynnego z naszego punktu widzenia mikroba. Kiedy to się udało (zrobiła to grupa badaczy pod przewodnictwem Scotta O’Neilla z Uniwersytetu Melbourne w Australii), konieczne jeszcze było przetestowanie metody w realnym świecie, poza laboratorium.
Tym właśnie zajęła się Adi Utarini, specjalistka od zdrowia publicznego z Indonezji. Na miejsce badania wybrano 300-tysięczne miasto Yogyakarta, leżące na Jawie (to ta sama wyspa, na której położona jest również stolica kraju). Naukowcy podzielili miasto na kilkanaście części; w jednych podkładali jajeczka, z których wykluły się zmodyfikowane komary, a w innych nie. Te drugie stanowiły grupę kontrolną, odpowiednik pacjentów otrzymujących placebo podczas badań klinicznych nad lekarstwami czy szczepionkami. Chodziło o to, aby wykazać ponad wszelką wątpliwość, że pojawienie się owadów z bakterią Wolbachia wpływa na redukcję zachorowań. Wynik przeszedł najśmielsze oczekiwania i otworzył drogę do zastosowania nowej techniki na szerszą skalę.
Nadzór nad badaniami, choć nie tak widowiskowy jak samo autorstwo metody, to jednak sztuka sama w sobie. Utarini nie tylko przetarła szlak testowi w lokalnej administracji, ale dopilnowała jego prawidłowego przebiegu – tak aby sposób jego przeprowadzenia nie budził wątpliwości co do skuteczności samej metody. Naukowcy zaangażowani w badanie mówili potem w mediach, że bez jej spokojnej ręki badanie nie miałoby szansy się odbyć. Utarini doprowadziła indonezyjski test do końca pomimo tego, że w lutym na COVID-19 zmarł jej mąż.

Senny brzuch

W minionym roku sen z powiek definitywnie najbardziej spędzały nam choroby zakaźne. Nikogo nie trzeba przekonywać, że brak snu ma fatalny wpływ na nasze samopoczucie, a w skrajnych przypadkach może kończyć się nawet zgonem. Naukowcy dotychczas podejrzewali, że skutki niewyspania kumulują się w układzie nerwowym – w końcu nocny odpoczynek najbardziej mu służy (dość przypomnieć, że tytuł jednej z publikacji na ten temat zamieszczonej w prestiżowym czasopiśmie „Nature” w 2005 r. brzmiał „Sen jest z mózgu, bierze się z mózgu i jest dla mózgu”).
Dragana Rogula z Harvard Medical School razem ze swoją współpracowniczką Alexandrą Vaccaro pokazały w tym roku jednak, że w przypadku braku snu ważniejszy od wpływu na układ nerwowy jest wpływ na brzuch, a konkretnie układ trawienny.
Badaczki w swoich eksperymentach wykorzystały muszki owocówki zmodyfikowane genetycznie tak, aby można było za pomocą temperatury pozbawiać je możliwości snu. Kiedy pozwalały muszkom pospać, te żyły normalnie, ok. 110 dni. Ale kiedy podkręcały temperaturę, owady zaczynały umierać już po 10 dniach, a po 20 wszystkie były martwe. Badaczki zauważyły jednak, że jeśli pozbawionym snu muszkom pozwolić odespać, to żyły tyle, co normalnie. Jeśli jednak odpoczynek był zbyt krótki, czas życia znów się skracał.
Jak się okazało, u niewyspanych owadów w układzie trawiennym brak snu powodował pojawienie się tzw. reaktywnych form tlenu – cząstek, które nasze komórki wykorzystują w różnych procesach przemiany materii. Normalnie ich nadmiar jest usuwany przez specjalistyczną maszynerię, ponieważ w przeciwnym razie mogą powodować zniszczenia w delikatnej strukturze komórek. Pozbawienie snu muszek owocówek coś psuło w tym mechanizmie; konkluzja, którą potwierdził fakt, że niewypoczęte owady żyły tyle, co ich wyspani koledzy i koleżanki, o ile podawane im były antyoksydanty – czyli związki, które pomagają w wychwycie wolnych rodników.
Odkrycie jest przełomowe, jeśli idzie o nasze rozumienie procesów, w regulacji których bierze udział sen. Rogula i Vaccaro już zrobiły pierwszy krok – teraz musimy jeszcze wyjaśnić, jak konkretnie nasze organizmy wykorzystują nocny czas do sprzątania po przemianie materii.

Dinozaury i inne

Sercem nauki są eksperymenty – bez nich nie byłoby jak testować naszych koncepcji dotyczących tego, jak działa otaczająca nasz rzeczywistość, czasami na naprawdę najbardziej fundamentalnym poziomie. Przykładem chociażby Saïda Guellati-Khélifa, która wraz z zespołem dokonała w tym roku najdokładniejszego pomiaru pewnej stałej fizycznej, zwanej stałą struktury subtelnej.
Guellati-Khélifa to eksperymentator z krwi i kości – doskonali swoją aparaturę badawczą od 22 lat, aby co jakiś czas aktualizować pomiar i czynić go jeszcze bardziej dokładnym niż wcześniej. Skąd ta zawziętość? Ano z tego, że pomiary stałych fizycznych nie tylko testują zgodność teorii z rzeczywistością, ale również – w razie jakichś nieścisłości – dają sygnał, że coś jest nie tak z naszymi obecnymi modelami. A ponieważ stała struktury subtelnej pojawia się w oddziaływaniach elektromagnetycznych między cząstkami – najmniejszymi porcjami materii – toteż jest nadzieja, że różnica w którymś miejscu po przecinku wskaże drogę dla nowych wysiłków teoretycznych.
Czasami jednak w nauce ważne jest, żeby ktoś spojrzał na dany problem z zewnątrz – tak jak to było w przypadku Pincelli Hull, która wraz z zespołem w tym roku rozwiązała zagadkę wyginięcia dinozaurów. „Jak to? Wydawało mi się, że chodziło o uderzenie gigantycznej asteroidy w Ziemię” – zapyta zaraz uważny czytelnik. Owszem, tak właśnie było – chociaż dokładniej byłoby powiedzieć, że naukowcy nie byli w 100 proc. pewni pełnego kalendarium wydarzeń, do jakich doszło 65 mln lat temu.
Chodzi o trapy Dekanu – wielkie formacje geologiczne z Indii, które powstały mniej więcej w tym samym czasie co uderzenie asteroidy. Ich powstanie wiązało się z uwolnieniem do atmosfery ogromnych mas gazu i pyłu spod ziemi – naukowcy przez wiele lat spierali się więc o to, czy asteroida tylko przypieczętowała los dinozaurów (bo załatwiło je powstanie trapów Dekanu), czy też jednak była głównym winowajcą wyginięcia. Hull, dokonując pomiarów temperatury oceanów ponad 60 mln lat temu, doszła do wniosku, że niespokojna geologia na terenie dzisiejszych Indii owszem, miała wpływ na nasz glob, ale wrócił on do normalnego stanu tuż przed uderzeniem asteroidy.
Katalin Karikó wraz z Drew Weissmanem zademonstrowali, że za pomocą mRNA można zmusić komórki do produkcji interesującego nas białka bez wywoływania reakcji immunologicznej