2012. Рецепторы Лефковица и Кобылки

Наше тело может выполнять свои задачи, да и просто поддерживать свою жизнеспособность за счет прекрасно организованного взаимодействия между миллиардами образующих его клеток. Каждая из отдельных клеток обладает крошечными рецепторами, позволяющими ей чувствовать условия окружающей среды и адаптироваться к изменениям в ней.

Лауреатами Нобелевской Премии по химии 2012 года стали Роберт Лефковиц и Брайан Кобылка «…за пионерские открытия, позволяющие определить механизмы работы одного существенного класса таких рецепторов – рецепторов, сопряженных с G-белками…».

Длительное время оставалось загадкой то, как клетки могут чувствовать свое окружение. Исследователям было известно, что гормоны оказывают существенное влияние на организм. Например, адреналин способствует увеличению давления крови и ускорению сокращений сердечной мышцы. Предполагалось, что на поверхности клеток располагаются определенные мишени-рецепторы, способные реагировать с гормонами, однако природа этих рецепторов и механизм их действия оставались покрытыми тайной большую половину ХХ века.

В 1968 году Лефковиц начал работу по слежению за клеточными рецепторами с помощью введения радиоактивных меток. Он получал гормоны с введенным в них радиоактивным нуклидом йода и, регистрируя излучение, смог найти ряд рецепторов, в том числе и рецептор адреналина – β-адренергический рецептор. Исследователи из его группы смоли выделить рецептор из его убежища в клеточной мембране и выяснить самые основы механизма его действия.

Следующий важный шаг был сделан исследователями в 1980 году. Тогда новичок в группе Лефковица – Кобылка – начал изучение гена, кодирующего синтез β-адренергического рецептора, и достиг успеха. Анализ гена показал определенную схожесть рецептора с одним из рецепторов глаза, на основе чего был сделан вывод о структурном соответствии целого класса рецепторов, имеющих близкое строение и функционирующих по близкому механизму.

В настоящее время это семейство рецепторов получило название «рецепторы, сопряженные с G-белками». Экспрессию таких рецепторов кодируют тысячи различных генов; к этим рецепторам помимо упомянутых относятся обонятельные рецепторы, рецепторы, распознающие допамин, серотонин и гистамин. Механизм действия огромного количества современных лекарственных препаратов так или иначе связан с взаимодействием с рецепторами, сопряженными с G-белками.

Исследования Лефковица и Кобылки являются ключевыми для понимания механизма действия рецепторов, сопряженных с G-белками. Более того, в 2011 году Кобылка добился еще одного прорыва в молекулярной биологии – исследователям из его группы удалось «заснять» рецептор в действии: они зафиксировали, как β-адренергический рецептор активируется гормоном и передает сигналы в клетку.

2013. Многомасштабные модели Карплюса, Левитта и Воршелла

Химические реакции протекают с огромной скоростью – электроны перемещаются между ядрами атомов, и это движение недоступно простому наблюдению ученых. Благодаря работам лауреатов Нобелевской Премии по химии 2013 года стало возможным найти тайные пути электронов в веществе, призвав на помощь компьютеры. Точная информация о протекании химических процессов помогает оптимизировать строение катализаторов, лекарств и других функциональных материалов.

Нобелевскую Премию 2013 года по химии получили Мартин Карплюс, работающий одновременно в Страсбургском и Гарвардском Университетах, Майкл Левит из Университета Стенфорда и Ари Воршелл из Университета Южной Калифорнии «…за разработку многомасштабных моделей сложных химических систем…».

В настоящее время химики всего мира используют компьютерные технологии для подготовки и проведения экспериментов чуть ли не ежедневно. Во многом это происходит благодаря тем методам, которые были заложены этими лауреатами еще в 1970-е года. Именно работы Карплюса, Левитта и Воршелла позволили нам понимать суть процессов, которые мы не можем наблюдать ни невооруженным глазом, ни с помощью «медленных» методов анализа веществ и реакций.

Суть работ Нобелевских лауреатов по химии 2013 года состоит в том, что они смогли упрячь в одну телегу классическую ньютоновскую физику и квантовую механику. Сила классической физики придала моделям лауреатов относительную простоту и экспрессность, позволяющую анализировать сложные химические системы, но физика Ньютона первоначально не могла помочь в анализе динамики химических процессов – собственно теоретическом изучении реакций. Для этого используются закономерности квантовой физики, однако до работ Карплюса, Левитта и Воршолла расчеты, основанные только на квантовых моделях, требовали огромных затрат вычислительных мощностей и могли использоваться только для молекул небольшого размера.

Красота подхода Нобелевских лауреатов этого года в том, что им удалось взять все лучшее от обоих физик и разработать комбинаторные методы, в которых используется и классическая физика, и квантовая механика. Например, для моделирования взаимодействия лекарство-белок компьютер использует квантовые подходы только для тех атомов белка-мишени, которые непосредственно взаимодействуют с лекарством, а остальная (большая по размеру) часть белка обсчитывается исходя из методов классической физики.

Таким образом, решение Нобелевского комитета обусловлено тем, что для современного химика компьютер является таким же обязательным и важным инструментом, как пробирки и колбы, компьютерное моделирование стало настолько точным, что хорошо предсказывает исход настоящих экспериментов, а сделано это было благодаря работам Карплюса, Левитта и Воршелла.