Стогодишње откриће које и даље помаже да се освоји Нобелова награда

Пре више од 100 година, отац и син су изумели технику за одређивање молекуларне структуре кристала, а она и дан-данас доводи до револуционарних открића.

Сам у марсовској пустињи, робот је тражио одговоре.

Ровер Кјуриосити Америчке свемирске агенције (НАСА) 2012. године покупио је малу гомилу песка, усисао у себе и изложио рендгенским зрацима.

Неустрашиви робот је желео да открије од чега се састоји песак, што би заузврат могло да открије информације о историјском присуству воде на Марсу - зато што је било каква вода у овој прашњавој, црвеној равници одавно нестала.

Пре скоро једног века, 1915. године, Вилијам и Лоренс Брег, отац и син, освојили су Нобелову награду за физику за њихов рад на рендгенској кристалографији, техници која омогућује одређивање атомске и молекуларне структуре проучавањем како се рендгенски зраци преламају или одступају, кад имају интеракцију са њима.

Многи материјали, од сићушних протеина до метала, могу да формирају кристале а рендгенска кристалографија је постала златни стандард за откривање како се те различите форме материје спајају.

На Земљи, Мајкл Велбел са Мичигенског државног универзитета чекао је нестрпљиво на податке од Кјуриоситија са Марса.

Ово је било први пут да је рендгенска кристалографија употребљена на некој другој планети.

„Пратио сам мисију све време&qуот;, присећа се Велбел.

Анализе Кјуриоситија откриле су детаље воденог садржаја минерала на Марсу, што је ишло у прилог, мада нису и доказале хипотезу да је планета имала велике водене површине само пре неколико стотина хиљада година.

„Коначно то можемо да појмимо&qуот;, каже Велбел.

Сазнање од чега су направљене ствари омогућује нам да постигнемо неке фантастичне ствари.

Анализа атомских и молекуларних структура помогла је научницима да направе лекове, размрсе тајне ДНК и чак да направе боље батерије.

Можете да схватите да је рендгенска кристалографија важна зато што је одиграла улогу у освајању бројних Нобелових награда - неки тврде да је њихов укупан број већи од двадесет.

А опет врло мало људи зна колико је фантастична ова техника.

• Како је радиоактивност продужила будућност човечанства
• Шта је рендген и зашто медицина не може без њега
• Милева Марић и Алберт Ајнштајн - ко је био бисер, а ко шкољка

Редовни обрасци

„Многи људи ме зову 'Кристал Кристалографкиња' - или 'Ц на квадрат&qуот;, шали се Кристал Старберд са Универзитета Северне Каролине у Чепел Хилу.

Она се сећа кад је први пут употребила рендгенску кристалографију да одреди молекуларну структуру.

„Гледала сам у нешто у шта није гледао нико пре.“

Рекла сам себи: 'Ауу, па види колико је ово кул!'&qуот;.

Ако сте некада видели оне моделе хемијских супстанци направљене од лоптица и штапића, знаћете шта рендгенска кристалографија жели да постигне.

Они желе да открију који атоми су у материјалу и како се тачно спајају.

Кад Старберд ради овакву врсту анализе, кључни рани корак у процесу је узимање, на пример, протеина и схватање како узгојити кристале на њему у врло малој размери.

Баш као што вода формира ледене кристале кад се замрзне, протеини могу да створе веома мале кристале под одређеним условима.

Ти кристали се потом беру уз помоћ сићушних омчи налик длаци, што уме да буде веома тешка процедура, и постављају на рендгенски дифрактометар.

Кристали су неопходни зато што кад пустите рендгенске зраке на њихову уредну структуру, добијате редовне обрасце преламања - прецизне трагове карактеристичне за хемијску природу дотичног кристала.

Међутим, протеини су много компликованији од водених молекула тако да услови морају да буду одговарајући да би се кристализовали.

Старберд ће можда морати да испроба стотине различитих приступа, користећи различите хемикалије, температуре или нивое влаге, пре него што то проради.

„Ја сам неко коме не смета одлагање задовољства&qуот;, шали се она.

Мапирање инсулина

Научница која би вероватно могла да се поистовети са тим је Дороти Хоџкин.

Користећи рендгенску кристалографију, она је, почев од 1930-их, више од три деценије покушавала да открије структуру инсулина.

Инсулин је хормон који помаже при контроли нивоа шећера у крви, али дијабетичери типа 1 нажалост не могу да га произведу.

У случају Дороти Хоџкин, набављање кристала инсулина није било нарочито тешко.

Али зато што инсулин садржи не мање од 788 атома, требало јој је дуго времена да она мапира читаву структуру користећи ране методе рендгенске кристалографије.

Њено достигнуће добрано је олакшало масовну производњу инсулина за лечење дијабетеса.

Кад је Хоџкин коначно завршила 1969. године, већ је била освојила Нобелову награду из хемије 1964. за њене студије рендгенске кристалографије.

Утврдила је и структуре пеницилина - важног антибиотика - и витамина Б12.

• Шта је инсулинска резистенција и како избећи дијабетес
• Зашто је избегавање наглог скока шећера у крви важно за губитак тежине
• Прети ли свету недостатак инсулина

Умрла је 1994. године.

„Њене рендгенске камере су оголиле унутрашњу лепоту испод грубе површине ствари&qуот;, рекао је на комеморацији Макс Перуц, који је такође добио заједничку Нобелову награду за хемију за рад са кристалографијом.

Хвалио је и њену доброту и њену „челичну вољу&qуот; да успе.

„Била је фантастична инспирација&qуот;, каже Елспет Џарман са Универзитета у Оксфорду, која је лично познавала Хоџкин.

Џарман описује обрасце преламања рендгенских зрака као „невероватно компликовани одраз“.

Рендгенски зраци усмерени на кристалну структуру имају интеракцију са електронима који круже око атома унутар те структуре и преламају се, остављајући видљив траг на (у време Дороти Хоџкин) оближњем ренгденском фотографском филму.

Резултат је образац, који можете минуциозно да пребаците у топографску мапу структуре, илити тродимензионални модел.

Жене бриљирају

Џарман истиче да су многе жене бриљирале у рендгенској кристалографији.

Она за то делом сматра заслужним Брегове.

„Они су имали најфантастичније академско стабло жена које су охрабривали и прихватали као дипломске студенте кад људи на другим пољима то нису чинили&qуот;, каже она.

Поред Хоџкин, ту је била и Розалинд Френклин, чија је изузетно значајна рендгенска слика преламања ДНК била искоришћена у раду Френсиса Крика, Џејмса Вотсона и Мориса Вилкинса да би схватили компликовану структуру ДНК.

За то су добили Нобелову награду за физиологију и медицину 1962. године.

Многи тврде да Френклин никад није добила одговарајуће заслуге за то.

Рендгенска кристалографија је такође учествовала у скорашњим радовима овенчаним Нобеловом наградом, у које спада Нобелова награда из 2020. године за технологију за едитовање генома, која има корене у кристалографским проучавањима РНК.

Једна изузетно важна примена рендгенске кристалографије је у откривању лекова.

Она је помогла научницима да пронађу лекове за болест српастих ћелија, па чак и неких канцера, на пример.

Роб ван Монтфорт, лидер групе у Центру за откривање лекова за канцер при британском Институту за истраживање рака, каже да кристалогрфаија може да открије која једињења могу да блокирају или контролишу кључне протеине у телу и стога излече болест.

„Рендгенска кристалографија омогућује слику које показују како се тачно једињења везују за молекуле&qуот;, објашњава он.

• Све што треба да знате о Нобеловој награди
• Ко је био Алфред Нобел
• Нобелова награда за хемију припала научницима за истраживање протеина

Завиривање у батерије

Скорашњи технолошки напреци омогућили су све сложеније кристалографске студије, каже Џарман.

У Извору дијамантског светла, научној установи у Великој Британији, особље користи рендгенске снопове да би проверавали медицински потенцијал једињења при великој брзини, анализирањем потенцијалних места за везивање на дотичном протеину.

„Преко ноћи можете да их прегледате 200. Апсолутно задивљујуће&qуот;, каже Џарман.

Истраживачи су такође користили овај приступ да би проучавали материјале у батеријама, кључној технологији за напуштање фосилних горива.

Фил Четер, лидер групе за науку кристалографије у Извору дијамантског светла, каже да рендгенска кристалографија открива како материјали унутар батерије могу да пропадају временом.

Литијум-јонске батерије раде тако што омогућујући литијумским јонима да путују између слојева материјала - они тако напајају и празне енергију.

„Одржавање тог слоја структуре веома је важно за продужени живот ових батерија“, каже Четер.

Али кристалографија вам омогућује да видите, понекад, како се слојеви мењају, утичући на способност јона да се крећу унутра и напоље, додаје он.

Научници сада могу да траже начине да превазиђу овај проблем.

• Будућност батерија није у литијуму, већ у морској соли
• Најважније питање о литијуму и батеријама на које немамо одговор
• Преминуо најстарији Нобеловац и проналазач литијум-јонских батерија

Детаљнији поглед на лед са комета?

Рендгенска кристалографија је очигледно оставила трага на многим пољима.

Али сви су свесни проблема - „нема слона у просторији&qуот;, каже Џарман.

Ривалска техника звана криоелектронска микроскопија (крио-ЕМ) сада омогућује научницима да одреде структуру одређених молекула на потпуно другачији начин, испаљујућу снопове електрона на њих.

Неки молекули су били традиционално премали да би их видели крио-ЕМ уређаји, међутим решења почињу да се појављују и на том фронту.

А ту је и вештачка интелигенција (АИ).

Ако вештачка интелигенција може тачно да предвиди молекуларне структуре, могло би да буде мање потребе да се користи рендгенска кристалографија за овај задатак.

Али Старберд упозорава да постоји много структура које вештачка интелигенција не предвиђа добро.

„Мислим да људи живе у погрешном уверењу да ће са кристалографијом бити ускоро свршено, зато што имамо вештачку интелигенцију - нисмо ни близу томе&qуот;, каже она.

Бреговима би вероватно било драго да то чују.

А рендгенска кристалографија би могла да се упусти у још узбудљивије авантуре у будућности.

Велбел предлаже слање једне до далеке комете која орбитира око нашег Сунца.

„Баш бих волео да видим како изгледа лед на комети&qуот;, каже он, објаснивши да бисмо могли да пронађемо узбудљиве мешавине необичних једињења кад бисмо могли да га проучимо изблиза.

„Мислим да би то било фасцинантно.&qуот;

Овај текст је настао у копродукцији Аутрича Нобелове награде и ББЦ-ја.

ББЦ на српском је од сада и на Јутјубу, пратите нас ОВДЕ.

Пратите нас на Фејсбуку, Твитеру, Инстаграму, Јутјубу и Вајберу. Ако имате предлог теме за нас, јавите се на ббцнасрпском@ббц.цо.ук

• Како је Хигсов бозон променио наше разумевање универзума
• Зашто да бисте били геније није довољно да будете интелигентни
• Нобелова награда за хемију за изучавање сићушних кристала на ТВ екранима
• Нобелова награда за физику научницима који су успели незамисливо - да „ухвате&qуот; атом
• Научнице освојиле Нобелову награду за хемију за „маказе&qуот; које мењају гене
• Како су љуте папричице донеле научницима Нобелову награду

(ББЦ Невс, 10.06.2025)