Stogodišnje otkriće koje i dalje pomaže da se osvoji Nobelova nagrada

Pre više od 100 godina, otac i sin su izumeli tehniku za određivanje molekularne strukture kristala, a ona i dan-danas dovodi do revolucionarnih otkrića.

Sam u marsovskoj pustinji, robot je tražio odgovore.

Rover Kjuriositi Američke svemirske agencije (NASA) 2012. godine pokupio je malu gomilu peska, usisao u sebe i izložio rendgenskim zracima.

Neustrašivi robot je želeo da otkrije od čega se sastoji pesak, što bi zauzvrat moglo da otkrije informacije o istorijskom prisustvu vode na Marsu - zato što je bilo kakva voda u ovoj prašnjavoj, crvenoj ravnici odavno nestala.

Pre skoro jednog veka, 1915. godine, Vilijam i Lorens Breg, otac i sin, osvojili su Nobelovu nagradu za fiziku za njihov rad na rendgenskoj kristalografiji, tehnici koja omogućuje određivanje atomske i molekularne strukture proučavanjem kako se rendgenski zraci prelamaju ili odstupaju, kad imaju interakciju sa njima.

Mnogi materijali, od sićušnih proteina do metala, mogu da formiraju kristale a rendgenska kristalografija je postala zlatni standard za otkrivanje kako se te različite forme materije spajaju.

Na Zemlji, Majkl Velbel sa Mičigenskog državnog univerziteta čekao je nestrpljivo na podatke od Kjuriositija sa Marsa.

Ovo je bilo prvi put da je rendgenska kristalografija upotrebljena na nekoj drugoj planeti.

„Pratio sam misiju sve vreme", priseća se Velbel.

Analize Kjuriositija otkrile su detalje vodenog sadržaja minerala na Marsu, što je išlo u prilog, mada nisu i dokazale hipotezu da je planeta imala velike vodene površine samo pre nekoliko stotina hiljada godina.

„Konačno to možemo da pojmimo", kaže Velbel.

Saznanje od čega su napravljene stvari omogućuje nam da postignemo neke fantastične stvari.

Analiza atomskih i molekularnih struktura pomogla je naučnicima da naprave lekove, razmrse tajne DNK i čak da naprave bolje baterije.

Možete da shvatite da je rendgenska kristalografija važna zato što je odigrala ulogu u osvajanju brojnih Nobelovih nagrada - neki tvrde da je njihov ukupan broj veći od dvadeset.

A opet vrlo malo ljudi zna koliko je fantastična ova tehnika.

• Kako je radioaktivnost produžila budućnost čovečanstva
• Šta je rendgen i zašto medicina ne može bez njega
• Mileva Marić i Albert Ajnštajn - ko je bio biser, a ko školjka

Redovni obrasci

„Mnogi ljudi me zovu 'Kristal Kristalografkinja' - ili 'C na kvadrat", šali se Kristal Starberd sa Univerziteta Severne Karoline u Čepel Hilu.

Ona se seća kad je prvi put upotrebila rendgensku kristalografiju da odredi molekularnu strukturu.

„Gledala sam u nešto u šta nije gledao niko pre.“

Rekla sam sebi: 'Auu, pa vidi koliko je ovo kul!'".

Ako ste nekada videli one modele hemijskih supstanci napravljene od loptica i štapića, znaćete šta rendgenska kristalografija želi da postigne.

Oni žele da otkriju koji atomi su u materijalu i kako se tačno spajaju.

Kad Starberd radi ovakvu vrstu analize, ključni rani korak u procesu je uzimanje, na primer, proteina i shvatanje kako uzgojiti kristale na njemu u vrlo maloj razmeri.

Baš kao što voda formira ledene kristale kad se zamrzne, proteini mogu da stvore veoma male kristale pod određenim uslovima.

Ti kristali se potom beru uz pomoć sićušnih omči nalik dlaci, što ume da bude veoma teška procedura, i postavljaju na rendgenski difraktometar.

Kristali su neophodni zato što kad pustite rendgenske zrake na njihovu urednu strukturu, dobijate redovne obrasce prelamanja - precizne tragove karakteristične za hemijsku prirodu dotičnog kristala.

Međutim, proteini su mnogo komplikovaniji od vodenih molekula tako da uslovi moraju da budu odgovarajući da bi se kristalizovali.

Starberd će možda morati da isproba stotine različitih pristupa, koristeći različite hemikalije, temperature ili nivoe vlage, pre nego što to proradi.

„Ja sam neko kome ne smeta odlaganje zadovoljstva", šali se ona.

Mapiranje insulina

Naučnica koja bi verovatno mogla da se poistoveti sa tim je Doroti Hodžkin.

Koristeći rendgensku kristalografiju, ona je, počev od 1930-ih, više od tri decenije pokušavala da otkrije strukturu insulina.

Insulin je hormon koji pomaže pri kontroli nivoa šećera u krvi, ali dijabetičeri tipa 1 nažalost ne mogu da ga proizvedu.

U slučaju Doroti Hodžkin, nabavljanje kristala insulina nije bilo naročito teško.

Ali zato što insulin sadrži ne manje od 788 atoma, trebalo joj je dugo vremena da ona mapira čitavu strukturu koristeći rane metode rendgenske kristalografije.

Njeno dostignuće dobrano je olakšalo masovnu proizvodnju insulina za lečenje dijabetesa.

Kad je Hodžkin konačno završila 1969. godine, već je bila osvojila Nobelovu nagradu iz hemije 1964. za njene studije rendgenske kristalografije.

Utvrdila je i strukture penicilina - važnog antibiotika - i vitamina B12.

• Šta je insulinska rezistencija i kako izbeći dijabetes
• Zašto je izbegavanje naglog skoka šećera u krvi važno za gubitak težine
• Preti li svetu nedostatak insulina

Umrla je 1994. godine.

„Njene rendgenske kamere su ogolile unutrašnju lepotu ispod grube površine stvari", rekao je na komemoraciji Maks Peruc, koji je takođe dobio zajedničku Nobelovu nagradu za hemiju za rad sa kristalografijom.

Hvalio je i njenu dobrotu i njenu „čeličnu volju" da uspe.

„Bila je fantastična inspiracija", kaže Elspet Džarman sa Univerziteta u Oksfordu, koja je lično poznavala Hodžkin.

Džarman opisuje obrasce prelamanja rendgenskih zraka kao „neverovatno komplikovani odraz“.

Rendgenski zraci usmereni na kristalnu strukturu imaju interakciju sa elektronima koji kruže oko atoma unutar te strukture i prelamaju se, ostavljajući vidljiv trag na (u vreme Doroti Hodžkin) obližnjem rengdenskom fotografskom filmu.

Rezultat je obrazac, koji možete minuciozno da prebacite u topografsku mapu strukture, iliti trodimenzionalni model.

Žene briljiraju

Džarman ističe da su mnoge žene briljirale u rendgenskoj kristalografiji.

Ona za to delom smatra zaslužnim Bregove.

„Oni su imali najfantastičnije akademsko stablo žena koje su ohrabrivali i prihvatali kao diplomske studente kad ljudi na drugim poljima to nisu činili", kaže ona.

Pored Hodžkin, tu je bila i Rozalind Frenklin, čija je izuzetno značajna rendgenska slika prelamanja DNK bila iskorišćena u radu Frensisa Krika, Džejmsa Votsona i Morisa Vilkinsa da bi shvatili komplikovanu strukturu DNK.

Za to su dobili Nobelovu nagradu za fiziologiju i medicinu 1962. godine.

Mnogi tvrde da Frenklin nikad nije dobila odgovarajuće zasluge za to.

Rendgenska kristalografija je takođe učestvovala u skorašnjim radovima ovenčanim Nobelovom nagradom, u koje spada Nobelova nagrada iz 2020. godine za tehnologiju za editovanje genoma, koja ima korene u kristalografskim proučavanjima RNK.

Jedna izuzetno važna primena rendgenske kristalografije je u otkrivanju lekova.

Ona je pomogla naučnicima da pronađu lekove za bolest srpastih ćelija, pa čak i nekih kancera, na primer.

Rob van Montfort, lider grupe u Centru za otkrivanje lekova za kancer pri britanskom Institutu za istraživanje raka, kaže da kristalogrfaija može da otkrije koja jedinjenja mogu da blokiraju ili kontrolišu ključne proteine u telu i stoga izleče bolest.

„Rendgenska kristalografija omogućuje sliku koje pokazuju kako se tačno jedinjenja vezuju za molekule", objašnjava on.

• Sve što treba da znate o Nobelovoj nagradi
• Ko je bio Alfred Nobel
• Nobelova nagrada za hemiju pripala naučnicima za istraživanje proteina

Zavirivanje u baterije

Skorašnji tehnološki napreci omogućili su sve složenije kristalografske studije, kaže Džarman.

U Izvoru dijamantskog svetla, naučnoj ustanovi u Velikoj Britaniji, osoblje koristi rendgenske snopove da bi proveravali medicinski potencijal jedinjenja pri velikoj brzini, analiziranjem potencijalnih mesta za vezivanje na dotičnom proteinu.

„Preko noći možete da ih pregledate 200. Apsolutno zadivljujuće", kaže Džarman.

Istraživači su takođe koristili ovaj pristup da bi proučavali materijale u baterijama, ključnoj tehnologiji za napuštanje fosilnih goriva.

Fil Četer, lider grupe za nauku kristalografije u Izvoru dijamantskog svetla, kaže da rendgenska kristalografija otkriva kako materijali unutar baterije mogu da propadaju vremenom.

Litijum-jonske baterije rade tako što omogućujući litijumskim jonima da putuju između slojeva materijala - oni tako napajaju i prazne energiju.

„Održavanje tog sloja strukture veoma je važno za produženi život ovih baterija“, kaže Četer.

Ali kristalografija vam omogućuje da vidite, ponekad, kako se slojevi menjaju, utičući na sposobnost jona da se kreću unutra i napolje, dodaje on.

Naučnici sada mogu da traže načine da prevaziđu ovaj problem.

• Budućnost baterija nije u litijumu, već u morskoj soli
• Najvažnije pitanje o litijumu i baterijama na koje nemamo odgovor
• Preminuo najstariji Nobelovac i pronalazač litijum-jonskih baterija

Detaljniji pogled na led sa kometa?

Rendgenska kristalografija je očigledno ostavila traga na mnogim poljima.

Ali svi su svesni problema - „nema slona u prostoriji", kaže Džarman.

Rivalska tehnika zvana krioelektronska mikroskopija (krio-EM) sada omogućuje naučnicima da odrede strukturu određenih molekula na potpuno drugačiji način, ispaljujuću snopove elektrona na njih.

Neki molekuli su bili tradicionalno premali da bi ih videli krio-EM uređaji, međutim rešenja počinju da se pojavljuju i na tom frontu.

A tu je i veštačka inteligencija (AI).

Ako veštačka inteligencija može tačno da predvidi molekularne strukture, moglo bi da bude manje potrebe da se koristi rendgenska kristalografija za ovaj zadatak.

Ali Starberd upozorava da postoji mnogo struktura koje veštačka inteligencija ne predviđa dobro.

„Mislim da ljudi žive u pogrešnom uverenju da će sa kristalografijom biti uskoro svršeno, zato što imamo veštačku inteligenciju - nismo ni blizu tome", kaže ona.

Bregovima bi verovatno bilo drago da to čuju.

A rendgenska kristalografija bi mogla da se upusti u još uzbudljivije avanture u budućnosti.

Velbel predlaže slanje jedne do daleke komete koja orbitira oko našeg Sunca.

„Baš bih voleo da vidim kako izgleda led na kometi", kaže on, objasnivši da bismo mogli da pronađemo uzbudljive mešavine neobičnih jedinjenja kad bismo mogli da ga proučimo izbliza.

„Mislim da bi to bilo fascinantno."

Ovaj tekst je nastao u koprodukciji Autriča Nobelove nagrade i BBC-ja.

BBC na srpskom je od sada i na Jutjubu, pratite nas OVDE.

Pratite nas na Fejsbuku, Tviteru, Instagramu, Jutjubu i Vajberu. Ako imate predlog teme za nas, javite se na bbcnasrpskom@bbc.co.uk

• Kako je Higsov bozon promenio naše razumevanje univerzuma
• Zašto da biste bili genije nije dovoljno da budete inteligentni
• Nobelova nagrada za hemiju za izučavanje sićušnih kristala na TV ekranima
• Nobelova nagrada za fiziku naučnicima koji su uspeli nezamislivo - da „uhvate" atom
• Naučnice osvojile Nobelovu nagradu za hemiju za „makaze" koje menjaju gene
• Kako su ljute papričice donele naučnicima Nobelovu nagradu

(BBC News, 10.06.2025)