Крупнейшие открытия, включая роль ДНК, биологические основы психологии и геном человека, так и не получили высшего признания в науке.
Каждый год небольшая группа ученых, которые, как выразился Альфред Нобель в своем завещании, «принесли наибольшую пользу человечеству», награждается золотой медалью, щедрым денежным призом и почетным местом в истории. Многие исследователи с нетерпением ждут объявления первых лауреатов Нобелевской премии этого года 5 октября.
С момента своего учреждения в 1901 году Нобелевские премии в области науки отмечали множество значительных научных достижений. Но другие важные достижения не получили должного признания, например, потому что Нобелевский комитет не признал значимость работы, в дело вмешивались политика или споры, или исследователи, сделавшие основополагающие открытия, умерли, не успев получить награду. (Нобелевские премии никогда не присуждаются посмертно). Некоторые ученые не получили награду, потому что Нобелевская премия не может быть разделена более чем между тремя людьми. Ниже истории шести открытий не удостоенных Нобелевской премии по физиологии или медицине и этот список мог бы быть намного длиннее.
Идентификация ДНК как наследственного материала
Все знают Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика, которые в 1962 году вместе с Морисом Уилкинсом получили Нобелевскую премию за объяснение структуры двойной спирали ДНК. Уотсон и Крик опубликовали свою знаменитую статью в 1953 году. Но открытие того, что ДНК является химическим веществом, несущим генетическую информацию, было сделано на десятилетие раньше Освальдом Эвери. Учёные давно знали, что генетическая информация хранится в хромосомах — пучках ДНК, небольшом количестве РНК и множестве белков. Многие учёные делали ставку на белки, а не на ДНК, как на носитель наследственной информации. «Люди думали… что это должно быть что-то большое. И каким-то образом это должно быть способно к огромным вариациям», — объясняет молекулярный биолог и историк науки Керстен Холл. «По этому критерию ДНК на самом деле не выглядит очень перспективной». Белок, с другой стороны, обладает огромной сложностью.
Микробиолог Эвери изучал бактерию Streptococcus pneumoniae в надежде найти лекарство от пневмонии. Предыдущие исследования показали, что вирулентные бактерии могут передавать свои свойства невирулентным бактериям посредством прохождения через них некоего «трансформирующего» материала и Эвери хотел узнать, что это за материал. Он обрабатывал бактериальные экстракты, чтобы разрушить ДНК, РНК или белок, а затем обрабатывал другие бактерии этими экстрактами, чтобы посмотреть, возможна ли трансформация. В статье, опубликованной в 1944 году, он показал, что трансформирующим материалом является бактериальная ДНК. Эвери продолжил свои микробиологические исследования, вместо того чтобы переключиться на изучение ДНК. «Шаг за шагом и первый шаг — это выяснить химическую природу трансформирующего принципа. Кто-то другой сможет разобраться в остальном», — писал он своему брату во время исследования. «Конечно, эта проблема имеет множество последствий».
Хотя Эвери несколько раз номинировался на Нобелевскую премию, некоторые биологи не решались исключить белки как наследственный материал и даже сам Эвери признавал, что они могут играть определенную роль. Его характер, возможно, тоже не способствовал этому. «Эвери был известен как затворник и держался в тени», — говорит Холл, пропуская несколько престижных церемоний награждения. «Предполагалось, что Нобелевский комитет… опасался, что, если бы ему вручили награду, он мог бы поставить их в неловкое положение, не потрудившись явиться». К тому времени, когда Уотсон и Крик опубликовали структуру ДНК в 1953 году, другие исследования подтвердили открытие Эвери о том, что это и есть «магический материал». Он умер два года спустя.
Биологическая основа памяти
Было время, когда люди занимались психологией, даже не упоминая мозг. Бренда Милнер, родившаяся в 1918 году, изменила это. «Она заложила основы всей этой области психологии, основанной на изучении мозга», — говорит Алан Эванс, невролог из Университета Макгилла, где Милнер проработала 6 десятилетий. В 1957 году Милнер опубликовала свою первую работу о пациенте с эпилепсией, известном как Г.М. (его настоящее имя, Генри Молайсон, стало известно в 2008 году после его смерти). Для лечения тяжелых и частых приступов Г.М. перенес рискованную операцию, в ходе которой была удалена часть его гиппокампа. После этого он не мог вспомнить никаких новых событий. Когда Милнер начала систематически изучать память Г.М., она обнаружила, что, хотя его способность выполнять задание по рисованию улучшилась за несколько дней тренировок, он не мог вспомнить эти тренировочные занятия. Она предположила, что запоминание событий должно зависеть от гиппокампа, но «процедурная память», необходимая для обучения физической задаче, должна быть отдельной, зависящей от другой системы мозга.
Милнер оставалась в авангарде нейропсихологии на протяжении десятилетий. Эванс вспоминает, как приехал в Университет Макгилла в 1984 году в качестве специалиста по новой технологии: позитронно-эмиссионной томографии. «У сообщества специалистов по визуализации была технология, но не было вопросов», — рассказывает он, в то время как у нейропсихологической группы Милнер были «вопросы, но не было технологии». Вместе эти команды были одними из первых, кто начал картировать мозг. Милнер еще жива — «Каждый год мы устраиваем вечеринку в честь дня рождения Бренды, и последняя была в честь ее 108-летия», — говорит Эванс, — и она получила множество наград, но Нобелевскую премию так и не получила.
Открытие стволовых клеток
В 1950-х годах накапливались данные, что многие типы клеток крови имеют общее происхождение. Хотя концепция «стволовых клеток» существовала уже несколько десятилетий, доказательств их существования не было; маркировка и отслеживание отдельных клеток еще не были возможны. Но затем всплеск исследований биологических последствий двух атомных бомб, сброшенных на Японию в 1945 году, показал, что радиация разрушает основу ДНК. Вдохновленные этим открытием, биофизик Джеймс Тилл и гематолог Эрнест Маккалок из Онкологического института Онтарио облучили клетки костного мозга мышей, которые уже считались источником крови, так что каждая клетка приобрела свой собственный рисунок повреждений, видимый под микроскопом. Пересадка этих уникально поврежденных клеток в селезенку другой мыши, которая была облучена для уничтожения собственного костного мозга, привела к появлению в органе узелков, состоящих из нескольких типов клеток крови.
Тилл и Маккалок обнаружили, что клетки в каждом узелке имеют одинаковый характер разрывов, что означает, что они произошли от одной клетки. Они даже смогли взять эти клетки-потомки, пересадить их в другую мышь, у которой также был подавлен костный мозг, и наблюдать, как узелки снова образуются. Это было первое доказательство существования стволовых клеток, о котором они сообщили в 1963 году. Джон Гурдон и Синья Яманака в конечном итоге получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине в 2012 году за свою работу по стволовым клеткам, но Маккалок и Тилл остаются отцами-основателями этой области.
Понимание того, как клетки передают сигналы
Клетки в нашем организме не действуют в одиночку. Они подвергаются бомбардировке сигналами от других клеток, влияющими на всё: от включения генов до момента деления клеток. Для приема этих сигналов поверхности клеток усеяны рецепторами, каждый из которых имеет форму, идеально подходящую для определенной молекулы. Когда сигнальная молекула прикрепляется, взаимодействие каким-то образом изменяет рецептор — например, его форму, — что запускает цепную реакцию активности других белков внутри клетки. Однако как именно запускается этот каскад внутри клетки, оставалось загадкой вплоть до 1980-х годов. Затем Тони Поусон, клеточный биолог из Университета Торонто, обнаружил, что структурная особенность некоторых белков играет ключевую роль.
Поусон сосредоточился на рецепторах клеточной поверхности, называемых тирозин-киназами, структуры которых распространяются внутрь клеток. При активации внешним сигналом эти рецепторы «фосфорилируются»: химическая группа, называемая фосфатом, плавающая внутри клеток, присоединяется к тирозину, аминокислоте внутри рецептора. Изучая белки внутри клетки, Поусон обнаружил, что многие из них имеют один общий домен, который он назвал Src-гомологией 2, или SH2, который действует как магнит для фосфорилированного тирозина. Исследование Поусона показало, что множество белков, перемещающихся внутри клетки, притягиваются к активированному рецептору после поступления сигнала, позволяя начать цепочку взаимодействий, известную как передача сигнала.
Роль SH2 стала первым из многих открытий в области клеточной сигнализации, сделанных Поусоном. Его открытия также открыли пути для исследований и лечения заболеваний, вызванных нарушением клеточной сигнализации, таких как рак и диабет. Несколько противораковых препаратов, используемых сегодня, нацелены на эти механизмы. Поусон получил множество крупных премий и считался одним из главных претендентов на Нобелевскую премию. Возможно, он бы получил ее, если бы прожил дольше; премии часто присуждаются спустя долгое время после завершения работы. Но Поусон умер в 2013 году, всего в 60 лет.
Раскрытие роли глиальных клеток в мозге
В мозге нейроны выполняют всю быструю работу, включая передачу, прием и обработку информации с молниеносной скоростью. Но еще в 1800-х годах микроскопия показала, что мозг содержит и другие клетки, вместе называемые глией, от древнегреческого слова, означающего «клей». Долгое время считалось, что глиальные клетки лишь обеспечивают структурную поддержку, но это мнение начало меняться более чем через столетие, во многом благодаря нейробиологу Бену Барресу, который разработал методы выделения отдельных типов клеток мозга, что позволило изучать их функции и показать, что глиальные клетки играют в мозге активную роль.
По мере развития мозга нейроны должны создавать новые связи, называемые синапсами, для формирования сложных сетей. В 2005 году Баррес обнаружил, что сигналы, испускаемые звездообразными глиальными клетками, называемыми астроцитами, имеют решающее значение для формирования синапсов. В 2007 году он показал, что астроциты, наряду с другим типом клеток, называемым микроглией, также участвуют в удалении синапсов, которые больше не нужны. Баррес умер в возрасте 63 лет в 2017 году, и некоторые предполагают, что он получил бы Нобелевскую премию, если бы прожил дольше. Но Нобелевскому комитету, возможно, было бы трудно выделить какой-либо один прорыв, заслуживающий похвалы, поскольку истинное наследие Барреса — это совокупность его работ.
Расшифровка «Книги жизни»
В 1990 году международный научный консорциум приступил к грандиозной задаче: секвенированию примерно 3 миллиардов пар оснований в геноме человека. Некоторые ученые считали это невозможным. Другие говорили, что это будет пустая трата времени и денег, поскольку значительная часть генома состоит из «мусорной ДНК». Работа началась в Национальном институте исследований генома человека США, первоначально возглавляемом Уотсоном, который заявил, что цель проекта — «выяснить, что значит быть человеком». Ведущую роль также сыграл Институт Велкома-Сэнгера в Соединенном Королевстве, а также группы из Японии, Китая, Франции и Германии.
В процессе работы были разработаны новые, более быстрые методы секвенирования, например, путем разделения ДНК на более мелкие фрагменты и их параллельного секвенирования, а затем использования компьютеров для их повторной сборки. В 1998 году генетик Крейг Вентер объявил о частном проекте по секвенированию генома человека, используя еще более быструю методику, разработанную им совместно с коллегой Гамильтоном Смитом, и началась гонка. Компания Вентера, Celera Genomics, планировала продавать данные о геноме человека фармацевтическим компаниям. Между государственными и частными группами разгорелся ожесточенный конфликт, но в июне 2000 года они достигли перемирия и на пресс-конференции в Белом доме объявили, что обе группы подготовили «рабочий черновик» генома, который был опубликован в 2001 году — проект «Геном человека» (HGP) в журнале Nature, а компания Celera — в журнале Science.
Имея эти базовые геномы для сравнения, ученые смогли точно определить функции бесчисленных генов человека, обнаружить варианты, вызывающие заболевания, и выявить мишени для лекарств. Сегодня мало кто оспаривает, что завершение этого проекта стало венцом современной биологии. Учитывая участие тысяч ученых, выбрать трех лауреатов Нобелевской премии было бы сложной задачей, хотя в нескольких случаях комитеты премии награждали лучших представителей крупных исследовательских коллабораций или ученых, разработавших ключевые методы. Однако неприглядные распри, наряду с опасениями по поводу коммерческого предприятия Вентера, возможно, отпугнули Нобелевский комитет. Вентер скончался в апреле этого года.
