Нобелевскую премию по медицине и физиологии, которую получили исследователи из США Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян за открытие рецепторов температуры и осязания, прокомментировала главный научный сотрудник НИИ нейронаук и медицины доктор биологических наук Тамара Владимировна Козырева.

Всем известно, что люди ощущают температуру, но что лежит в основе этого явления, долгое время оставалось неясным. «Джулиус в свое время пытался определить рецептор, чувствительный к капсаицину — веществу, которое содержится в жгучем перце и отвечает за его острый вкус, то есть искал не температурный, а болевой рецептор, поскольку именно капсаицин влияет на болевые ощущения, — рассказывает Тамара Козырева. — Ученые под его руководством вшивали в ДНК специально клонированных клеток те кусочки генов, которые находили в сенсорных волокнах, и перебирали эти гены до тех пор, пока клетки, по природе не чувствительные к капсаицину, не начинали реагировать на это вещество. Таким образом исследователи обнаружили ген, кодирующий белок ионного канала, реагирующий на капсаицин — TRPV1».

Затем, изучая свойства ионных каналов, ученые поняли, что этот белок реагирует и на температуру в высоких диапазонах, и предположили: он ответственен за болевые ощущения при ожогах.

«По подобию открытия первого, теплового канала, Джулиус и Патапутян затем обнаружили и холодочувствительный канал TRPM8 —c помощью ментола, — поясняет Тамара Козырева. — Помимо этого Патапутян идентифицировал также рецепторы, которые реагировали на механические раздражители — PIEZO1 и PIEZO2, но он использовал в своих работах несколько иной метод. Ученые работали на клетках нейробластомы, выключая в них поочередно гены (то есть перебрали все, а их, как известно, в клетках содержится очень много, до 30 тысяч), постепенно отключая в них метилирование ДНК. Таким образом был обнаружен ген, который кодирует белок ионного канала, реагирующего на механическое воздействие: открываясь, пропуская ионы и запуская функции клеток».

Оказалось, что существует много температурных каналов: есть холодочувствительные и теплочувствительные, они реагируют на температуру, меняя свою структуру и открывая поры для входа ионов кальция или натрия в соответствующем диапазоне. «Интересно, что эти ионные каналы оказались чувствительны к природным веществам, которые люди издавна используют для лечения различных заболеваний, — подчеркивает Т. Козырева. — Например, ионный канал, который описал Джулиус, реагирует на вещества, содержащиеся в жгучем перце. TRPA1, холодочувствительный канал, чувствителен к имбирю, чесноку, TRPV3 — к камфоре, а TRPM8 —к мяте».

Важность идентификации ионных каналов (а сейчас их уже хорошо исследовали, и на первый план выходят работы по изучению их функций) в том, что они участвуют в очень многих процессах в организме человека. «Непосредственно влияя на них, можно менять и функции клеток и органов. Поэтому на эти каналы ученые смотрят именно с точки зрения потенциальных терапевтических эффектов, этим занимаются сейчас во многих лабораториях, в том числе и в нашей, — пояснила Тамара Козырева. — Например, если мы активируем TRPV8, не температурой, а просто ментолом, то можно изменить количество интерлейкинов в крови: это особые вещества, цитокины, являющиеся частью иммунной системы человека». Ионные каналы этой группы очень важны и для терморегуляторных параметров, и для поддержания сердечно-сосудистой деятельности. Механочувствительные ионные каналы участвуют в регуляции давления, тонуса мочевого пузыря и являются основой тактильных рецепторов.

В лаборатории термофизиологии НИИ нейронаук и медицины, которую возглавляет Тамара Козырева, специалисты занимаются в том числе и изучением реакции человека на холод. «Мы рассматриваем, с помощью каких реакций наш организм защищается от низких температур, — рассказала исследовательница. — Нас интересует, как эти механизмы запускаются и какие ионные каналы в этом участвуют. Вообще, чувствительность к холоду — это количественный параметр, зависящий от количества соответствующих рецепторов. Человеческая кожа ощущает температуру не всей поверхностью, а отдельными точками, куда подходят нервные окончания. Так, при адаптации к холоду их количество уменьшается. При привыкании к жаре, наоборот, число рецепторов, реагирующих на низкие температуры, остается неизменным, а теплочувствительных — падает».

Часть Нобелевской премии по физике, которую в 2021году получили Клаус Хассельман и Сюкуро Манабе за новаторский вклад в понимание сложных физических систем, прокомментировал главный научный сотрудник Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН доктор физико-математических наук Геннадий Алексеевич Платов.

«Пожалуй, впервые в истории присвоения Нобелевских премий награда по физике вручена климатологам. Это вызвано тем, что проблема изменения климата становится все актуальнее и актуальнее», — отмечает Геннадий Платов.

На основе математической установки, дифференциальных уравнений, японско-американскому исследователю Сюкуро Манабе удалось построить численную модель климатической системы Земли, включающую в себя модель атмосферы и океана. «Даже в те годы (эта работа примерно 1960—70-х) и даже на тех вычислительных ресурсах, которые тогда были, такая модель позволила увидеть наиболее важные особенности климатической системы Земли», — подчеркнул Геннадий Платов. В частности, Манабе установил правдоподобную связь между радиационным балансом на поверхности Земли (включающим в себя солнечное излучение, отраженную солнечную радиацию и собственное излучение нашей планеты) и с конвективными вертикальными процессами, происходящими в атмосфере. «Кроме того, Сюкуро Манабе была решена задача изменения количества углекислого газа в атмосфере, и на основе этой численной модели проведены эксперименты с увеличением и уменьшением в два раза концентрации СО2. Это позволило увидеть, что в первом случае приземная температура воздуха на планете повысилась бы в среднем на 2 оС, а во втором — наоборот уменьшилась на те же 2 оС. Одновременно в верхних слоях атмосферы происходит обратное движение: нагревание вблизи поверхности приводит к охлаждению там, наверху», — рассказывает Геннадий Платов.

В современной науке не вызывает никаких сомнений связь между количеством углекислого газа в атмосфере и увеличением приземной температуры. Расхождение начинается в определении причины повышения содержания CO2. Большая часть ученых придерживается гипотезы, что решающим является антропогенный фактор. Другая группа считает: роль людей слишком переоценена, и сильное влияние оказывают естественные процессы, происходящие на Земле. «Пока ни та, ни другая сторона не имеет достаточно убедительных фактических доказательств гипотезы, и в этом споре не поставлена точка», — отмечает Геннадий Платов.

Работа второго нобелиата Клауса Хассельмана как раз состоит в том, что им были оценены возможности климатических моделей в предсказании или прогнозе дальнейших изменений климата. В частности, исследователь использовал стохастический подход для определения вклада в том числе антропогенного фактора, и показал, насколько это значимая компонента.

Геннадий Платов напомнил, что в 1960—70-е годы идеи, связанные с климатическими моделями, были очень популярны. В этом направлении работали многие научные группы, в том числе и в Новосибирске под руководством академика Гурия Ивановича Марчука, который сплотил вокруг себя специалистов в области климатологии, моделирования атмосферы и океана. «Впоследствии Марчук переехал в Москву и продолжил работу там, — рассказывает Геннадий Алексеевич. — Имеющаяся и развиваемая сейчас российская модель климатической системы была создана в Институте вычислительной математики». Ученый добавляет, что в современном мире таких моделей порядка ста, они гораздо более продвинуты, чем тогда, и включают в себя, кроме атмосферы и океана, и ледовый морской покров, и ледники, и сушу, и растительность на суше, и реки, и озера, и болота, и так далее. В связи с тем, что вычислительные способности многократно возросли, эти модели имеют намного большее пространственное разрешение и описывают множество процессов в явном виде.

«В СО РАН, конечно, тоже проводится довольно широкий спектр климатических исследований, — сказывает Геннадий Платов. — В нашей лаборатории мы занимаемся как раз развитием одного из клонов моделей Института вычислительной математики, где пытаемся заменить имеющийся блок океана на тот, который получил развитие в нашем институте, и с его помощью исследуем климатические последствия, в частности, редукции морского льда в Арктике. Эта тема сейчас достаточно актуальна: арктический ледовый покров существенно сокращается, но какие последствия это может повлечь за собой в долгосрочной перспективе, пока непонятно».

По словам Геннадия Платова, полярные, высокие широты наиболее подвержены процессу глобального потепления, оно происходит там примерно в два раза быстрее, чем в среднем по всей планете. Сибирь находится под влиянием Арктики, и довольно часто в регион происходит вторжение арктических воздушных масс. «Чего можно ожидать? У нас несколько увеличится температура, это, с одной стороны, плюс. Климат будет более мягким, что поспособствует развитию, например, земледелия. С другой стороны, одновременно текущие изменения приводят к тому, что увеличивается частота экстремальных погодных явлений. Даже если в Сибири будет потеплее, но при этом участятся вторжения холодного воздуха или волн жары, или, допустим, возрастет количество наводнений вследствие повышенного выпадения осадков, то, конечно, такие последствия станут отрицательными», — заключил Геннадий Платов.

Нобелевской премии по химии за 2021 год удостоились Беньямин Лист и Дэвид Макмиллан за новые методы синтеза молекул, в частности за развитие симметрического органокатализа. Ее комментирует заведующий отделом ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН», доктор химических наук, профессор РАН Константин Петрович Брыляков.

«Катализаторы с практической точки зрения являются основными инструментами современных химиков. Вся химическая промышленность построена на использовании катализаторов: они либо ускоряют, либо вообще разрешают химические реакции. Кроме того, эти соединения позволяют проводить химический процесс с определенной, нужной нам селективностью — процессов может быть много, катализатор позволяет выбрать какой-то определенный путь, — объясняет Константин Брыляков. — Согласно классическому определению, асимметрический синтез — это каталитический процесс, при котором происходит процесс возникновения химической индукции под воздействием хирального катализатора. Смысл этого процесса в том, что молекулы должны иметь одну какую-то одну определенную пространственную конфигурацию».

Нобелевские лауреаты использовали биомиметический подход. «Природные катализаторы — ферменты — сложные объекты, состоящие из белков. Они макромолекулярные.Но что будет, если взять низкомолекулярные объекты — органические катализаторы (более простые модели природных ферментов) и промоделировать некоторые процессы, которые идут с их использованием? — говорит Константин Брыляков. — Низкомолекулярные объекты проще и дешевле в синтезе, а значит лучше подходят для промышленного использования».

Лист и Макмиллан сделали именно это: взяли более простые вещества и посмотрели, будут ли они работать в определенных процессах также эффективно, как ферменты. Они фокусировались на процессах, в которых происходило образование новых С-С связей, которые в свою очередь ценны для синтеза природных соединений и их аналогов, биологически активных соединений и фармацевтических препаратов.

«Нобелевская премия по химии дана в этом году за фундаментальные работы — подчеркивает Константин Брыляков, — и приятно, что она присуждена за работы именно по химии, так бывает не всегда. Однако я бы не ожидал незамедлительного внедрения их в практику, хотя, безусловно, перспектива применения этих исследований положительна и очевидна».

В России работы по органокатализу ведутся в Институте органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН, Институте элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова. «В Сибирском отделении РАН занимаются асимметрическим катализом комплексами металлов, — рассказывает К. Брыляков. — Это направление начало развиваться раньше, чем органокатализ, в нем есть в том числе и практические наработки. При этом нельзя сказать, что это эта область чем-то хуже, сферы взаимно дополняют друг друга. Природа использует и металлосодержащие катализаторы (металлоферменты), и не содержащие металлов, и наука идёт по такому же пути».

«Наука в Сибири»