Nobels sager

George Smoots telefon ringede lige før klokken 03.00 den 3. oktober, og en stemme med svensk accent fortalte ham, at han havde vundet Nobelprisen i fysik i 2006. Men kosmologen var skeptisk.

Dette kort over temperaturvariationer i 14 milliarder år gammel stråling er blevet kaldt universets babybillede. Den fik også en Nobelpris for George Smoot ’66, PhD ’70. For billeder af Smoot og Andrew Fire, PhD '83, som også vandt en Nobelpris i 2006, skal du klikke på multimedielinket nedenfor.

Der er trods alt en tilbøjelighed til at spøge i hans familie. Oliver R. Smoot '62, der satte standarden for måling af Harvard Bridge (364,4 smoots og et øre), er en fjern slægtning. Og Smoot selv kan stadig tydeligt huske at spille en praktisk joke med sin specialevejleder, MIT fysikprofessor David Frisch. Efter at have arbejdet på et natskift lod Smoot og en ven, som om de havde arkiveret en kostbar klunk osmium for at få den til at passe ind i en magnet til et eksperiment. Da Frisch kom ind i laboratoriet og så metalspåner strøet rundt, greb han sit hjerte i rædsel, husker Smoot. Det var derfor, jeg var bekymret, da jeg fik telefonen midt om natten, siger han. Jeg ved, at elever kan spille pranks!

Men opkaldet fra Sverige var ingen spøg. Smoot og en anden MIT-alumne, Andrew Z. Fire, sluttede sig til en gruppe på 61 andre fremtrædende alumner, professorer og MIT-tilknyttede virksomheder, da hver især vandt en Nobelpris i 2006. Begge har ændret den måde, videnskab udføres på inden for deres områder.

Andrew Z. Fire, PhD '83, vandt medicinprisen for at hjælpe med at afdække detaljerne i en naturlig gendæmpningsmekanisme kaldet RNA-interferens. Selvom den banebrydende opdagelse kom for kun otte år siden, er inducering af RNA-interferens nu en almindelig laboratorieteknik, der hjælper biologer med at udpege individuelle geners funktioner. Behandlinger, der bruger RNA-interferens til at bekæmpe menneskelige sygdomme, såsom makuladegeneration, er allerede i kliniske forsøg.

Multimedier

• Billeder af Smoot and Fire

George Smoot '66, PhD '70, vandt fysikprisen. Han var med til at lede forskerholdet bag NASAs COBE-satellit, som lavede de første kvantitative målinger af universets begyndelsesbetingelser. Smoots kort fra 1992 over små temperaturvariationer i kosmisk stråling, der stammer fra omkring 14 milliarder år siden, er big bang-teoriens rygende pistol. De minimale udsving, Smoot har kortlagt, menes at indikere de lokale koncentrationer af energi - frøene - omkring hvilket stof smeltede sammen til de galaksehobe, der udgør nutidens univers.

The Gene Silencer: Andrew Fire

Før 1998 var identifikation af funktionen af ​​et givet gen en besværlig proces, hvis succes i høj grad var bestemt af held. Forskere fandt celler eller organismer med muterede kopier af genet og udledte ud fra tabte funktioner, hvad det normale gen gjorde. Eller de forsøgte at inducere mutationer i celler i laboratoriet, en hit-or-miss-teknik, som i menneskelige celler for det meste gik glip af. Nu, takket være opdagelsen af ​​RNA-interferens (RNAi), kan biologer i det væsentlige slukke for individuelle gener i laboratoriet. Det svarer til at dreje en kontakt for at få et par pærer i en række af millioner til at skifte farve.

Forståelse af RNA-interferens har radikalt ændret, hvordan vi udfører cellebiologi og forstår eller sonderer celler, siger Phillip Sharp, en institutprofessor ved MIT's Center for Cancer Research og selv en nobelpristager. Vi gik fra en holdning om ikke at have en generel tilgang til at undersøge geners funktion til at kunne dæmpe et gen for at spørge, hvad det gør. Hvert tidsskrift, du ser på, har en eller flere eller alle artiklerne i det brugt denne teknologi. Det har virkelig været et grundlæggende fremskridt.

Fire, nu professor i patologi og genetik ved Stanford University School of Medicine, deler Nobelprisen med Craig Mello, nu professor i molekylær medicin ved University of Massachusetts Medical School, for deres opdagelse af gendæmpningsmekanismen.

Fire kom til MIT som en 19-årig kandidatstuderende efter at have taget hovedfag i matematik ved University of California, Berkeley. Mens han deltog i det, han kalder Berkeleys intellektuelle smørebord, stødte han på molekylærbiologi og blev ophidset. Et årti før Sharp vandt sin Nobelpris, arbejdede Fire i sit laboratorium på MIT. Som studerende lavede Fire nogle vigtige tidlige undersøgelser om biokemien af ​​kontrollen af ​​genekspression i menneskelige celler, minder Sharp. Det lancerede yderligere 15 års arbejde i mit laboratorium og andres.

Før Fire og Mello udgav deres gennembrudspapir, var RNA kendt for at have flere roller, men det blev primært tænkt som DNA's mellemled, budbringeren, der omsætter gener til proteiner. Forskere vidste dog, at når det sprøjtes ind i en organisme, kunne RNA nogle gange forhindre produktionen af ​​proteiner og tavshedsgener.

Men fænomenet kunne ikke reproduceres pålideligt, så det var uklart, hvilken form for RNA der var ansvarlig for det. Var det sense-RNA, som følger sekvensen af ​​messenger-RNA'et, der koder for et specifikt protein? Var det sense RNAs komplement, antisense RNA? Eller var det en dobbeltstrenget kombination af de to?

Fire og Mello samarbejdede om en række strenge eksperimenter med en nematodeorm kaldet C. elegans for at bestemme, om sense, antisense eller dobbeltstrenget RNA forårsagede gendæmpning. For at fremkalde stærke synlige signaler fra deres testpersoner arbejdede de med et gen, der hjælper med at opretholde normale muskelsammentrækninger i C. elegans : hvis genet blev dæmpet, ville ormene rykke. Da forskerne injicerede ormene med ren sense eller ren antisense RNA, skete der intet. Men da de injicerede dobbeltstrenget RNA, rykkede ormene. Fire og Mello konkluderede, at RNA skulle være dobbeltstrenget for at dæmpe genet.

Parret offentliggjorde disse resultater sammen med andre observationer om RNAi i Natur i 1998. Indsigten i, at dobbeltstrenget RNA var nøglen til tavsheden, er grunden til, at de modtog [Nobel]-prisen, siger Sharp. Efterfølgende forskning udført af Fire, Mello, Sharp og andre etablerede RNAi's molekylære funktion, som nu vides at forekomme i de fleste organismer.

Hos mennesker, i andre dyr og endda i planter er RNA normalt til stede som enkeltstrenge. Brand og andre i feltet mener, at RNAi sandsynligvis udviklede sig som et forsvar mod vira. Når en celle ser dobbeltstrenget RNA, er dens første reaktion at skære det op i stykker, hvilket er forståeligt i betragtning af, at dobbeltstrenget [viralt] RNA er [ofte til stede], når vira replikerer, forklarer Fire.

Men cellen går et skridt ud over det. Den vil ikke kun hakke tingene op, den vil gerne ud og finde noget, der ligner det, i tilfælde af at den mangler noget RNA. Så [et molekyle i] cellen tager de RNA-stykker, der er blevet skåret op, og den leder efter ting, der ligner hinanden. Hvis den finder noget, skærer den det op.

At noget kunne være cellens eget budbringer-RNA. Når dets budbringer ødelægges, dæmpes et gen.

I teorien, siger Sharp, kan RNAi dæmpe ethvert gen - fra generne fra en invaderende virus til det gen, der får proteinet til at forårsage Parkinsons sygdom. Det gør det terapeutisk lovende. Sharp og andre forskere har grundlagt virksomheder for at kommercialisere RNAi-lægemidler. Hvis du kunne få RNA til målet [væv], kunne du have nogle virkelig seje terapier, siger Fire.

Alnylam, virksomheden Sharp medstifter i Cambridge, MA, udfører nu kliniske forsøg med et lægemiddel mod respiratorisk virus RSV; Acuity Pharmaceuticals i Philadelphia og Sirna Therapeutics i San Francisco udfører begge kliniske forsøg med lægemidler mod makuladegeneration.

Fire nyder at se disse forehavender – men kun som en cheerleader, siger han. Han fortsætter med at studere den molekylære funktion af gendæmpning i sit laboratoriums foretrukne testemne, C. elegans .

RNAi har også vist sig at være en mekanisme, som celler normalt bruger til at kontrollere aktiviteten af ​​deres gener. Victor Ambros '75, PhD '79 og Rosalind Lee '76 opdagede, at RNA spiller en nøglerolle i at kontrollere dyrenes udvikling; forskere har fundet mange gener, der koder for dobbeltstrenget RNA, og det menes nu, at interferens fra disse RNA'er er ansvarlige for at regulere 30 procent af det menneskelige genom.

I disse dage er Fire fokuseret på at etablere bånd mellem gendæmpning og menneskelig sygdom. Masser af gener forstummes i kræft, siger han. Det har været kendt i et stykke tid. Han arbejder i øjeblikket med patologer hos Stanford for at forstå, hvordan forstyrrelsen af ​​RNA-regulatoriske processer bidrager til sygdom.

Den kosmiske kartograf: George Smoot

George Smoot satte sig ikke for at være vejrreporter eller kortmager. Men i 1992 skrev han kartografisk historie, da han skabte det første kort over det unge univers ved at kortlægge små variationer i temperaturen på 14 milliarder år gammel stråling. Variationer i denne kosmiske mikrobølgebaggrund, eller CMB, giver astrofysikere fingerpeg om, hvordan komplekse strukturer som galakser blev dannet.

En fysikprofessor ved University of California, Berkeley, Smoot deler Nobelprisen i fysik med John Mather fra NASA Goddard Space Flight Center for arbejdet med CMB, hvis eksistens understøtter big bang-teorien.

Angelica de Oliveira-Costa, nu forsker ved MITs Kavli Institut for Astrofysik og Rumforskning, sluttede sig til Smoots laboratorium i Berkeley som kandidatstuderende året efter, at Smoot annoncerede sit kort. Hun siger, at noget af det, der gør ham til en førsteklasses fysiker, er, at han har et godt øje for gode ideer og ikke er bange for forandringer.

Smoot var altid tiltrukket af kosmologi, men han udførte sit kandidatarbejde i partikelfysik og tog et job hos Luis Alvarez, en nobelprismodtager på dette område i Berkeley. Mellem projekterne bad Alvarez sine medarbejdere om at tage et par måneder fri og undersøge frugtbare nye forskningsområder. Smoot greb muligheden for at bevæge sig ind i kosmologien og adopterede Alvarez’ filosofi som sin egen: Når du er færdig med et eksperiment, skal du ikke bare automatisk lave det næste. Du bør se, om der er en ny opdagelse eller teknologi, der vil gøre dig i stand til at foretage målinger i et område, der er lovende.

For Smoot var studiet af den kosmiske mikrobølgebaggrund netop sådan et område – lokkende og vidåbent. Han siger, at han havde den intuition, at uanset hvad du måler, vil der være en grundlæggende måling, og han havde ret. De Oliveira-Costa siger om sine tre år i Smoots laboratorium, Videnskabeligt set var det en af ​​de bedste tider i mit liv. Hver eneste lille opdagelse, du gjorde, var ny.

CMB blev opdaget i 1960'erne og var blevet forudsagt af big bang-teorien. Strålingen kommer ikke fra et sted i universet, men fra en tid kort efter universets dannelse. Når vi ser tilbage på strålingen, ser vi tilbage til en tid i universet, hvor alt var varmt og tæt som plasmaet i vores sol, forklarer Edmund Bertschinger, leder af MITs fysikafdelings astrofysikafdeling. Efterhånden som universet udvidede sig, afkølede det, og det samme gjorde CMB, som nu kun er omkring 2,7 grader over det absolutte nulpunkt. Vi ser den efterglød i vores radioteleskoper milliarder af år senere, siger han.

Fotonerne i CMB giver noget som et fotografi af universet omkring 370.000 år efter big bang, da det afkølede til omkring 3.000 °C, og frigiver partikler til at danne de første atomer. Indtil da var universet et uigennemsigtigt højenergiplasma; fotoner blev fanget i ophedet og intim samtale med subatomære partikler som elektroner. Da universet afkølede og atomer blev dannet, kunne fotoner – inklusive dem, der udgør CMB – for første gang bevæge sig frit.

Da Smoot begyndte at arbejde på CMB, var dets nøjagtige spektrum ukendt, og det så ud til at have fuldstændig ensartet energi. Denne ensartethed antydede et tidligt univers, hvor energi og stof var fordelt homogent - et scenario, der tilsyneladende var uforeneligt med nutidens varierede og komplekse univers. Hvordan kunne stjerner grupperet i galakser grupperet i klynger af galakser omgivet af store hulrum dukke op fra et tidligt univers, hvor stof blev spredt ud så jævnt som glasur på en bryllupskage? For at big bang-teorien skulle holde stand, skulle det tidlige univers have haft klumper, hvorpå kvantemekaniske kræfter og derefter tyngdekraften kunne virke, hvilket til sidst fik galakser og andre strukturer til at dannes.

På jagt efter denne klumphed sendte mange grupper, inklusive Smoot's, strålingsdetektorer på balloner og endda i spionfly til højder, hvor CMB er næsten fuldstændig ufiltreret af Jordens atmosfære. I mellemtiden beregnede andre, hvilket niveau af udsving i energien i det tidlige univers der ville have tilladt klumper eller frø at dannes. Smoot sluttede sig til en gruppe, ledet af Mather hos NASA, der arbejdede på at få en følsom, strålingsdetekterende satellit kaldet COBE (Cosmic Background Explorer) i kredsløb. På det tidspunkt, hvor COBE blev lanceret den 18. november 1989, havde astrofysikere fastslået, at meget små variationer i CMB - så små som en hundrede tusindedel af en grad - ville indikere et tidligt univers, der var forskelligt nok til at have produceret det nuværende.

Smoot var ansvarlig for en gruppe på seks instrumenter på COBE, kaldet differentielle mikrobølgeradiometre, der ledte efter temperaturvariationer kaldet anisotropi i CMB. Oppe over Jorden havde den kredsende COBE uhindret modtagelse af CMB i alle retninger. Smoot og hans Berkeley-team analyserede et års værdi af disse temperaturmålinger – millioner – på udkig efter anisotropi; da de så ud til at finde det, arbejdede de på at overbevise sig selv om, at det ikke skyldtes støj fra instrumenterne på COBE.

I 1992 annoncerede Smoot, at COBE havde fundet hundrede tusindedel af en grads variationer i energien i CMB. Hans kort over disse variationer, der omtrent viser hvilke pletter i det tidlige univers der var lidt varmere og hvilke der var lidt koldere, er blevet kaldt universets babybillede. Det fantastiske er, at universet er næsten fuldstændig ensartet, siger han. Det er mere ensartet end en billardkugle. Smoot modtog sin halvdel af Nobelprisen for sit arbejde på kortet; Mather blev hædret for at lede COBE-projektet og måle CMB's spektrum.

Astrofysikere siger, at Smoot og Mathers annoncering af COBEs resultater var et vendepunkt for kosmologien, da filosofiske spekulationer om universets oprindelse gav plads til en videnskab bygget på kvantitative beviser. Smoots kort blev efterfølgende verificeret af yderligere balloneksperimenter og er siden blevet forbedret af mere følsomme målinger fra WMAP, en NASA-satellit, der stadig er i kredsløb. Bertschinger sammenligner Smoot og de andre COBE-forskere med opdagelsesrejsende, der finder nye kontinenter. Man finder først kontinenterne og udforsker derefter kystlinjerne og gør sine kort mere og mere raffinerede, siger han.

CMB-kortet mødte så meget entusiasme, at Smoot skrev en bog, Rynker i Tiden , for at vise unge mennesker, at det at være i naturvidenskab kunne være et eventyr, siger han. Nu hvor han har vundet Nobelprisen, siger Smoot kun halvt i spøg, at han føler sig endnu mere pres for at være ambassadør for videnskab. Jeg plejede at være en fredløs, som altid gik til kanten af ​​fysikken, prøvede mærkelige ting, var oprørsk, mindes han.

I et univers, der menes at være 96 procent mystisk mørkt stof og mørk energi, er der masser af nye og mærkelige territorier at udforske. Jeg har en liste med otte spørgsmål, som jeg synes er rigtig vigtige, siger han (se Smoots liste nedenfor) . En dag planlægger Smoot at starte et kosmologisk-fysisk center for at adressere dem. Men indtil videre er de punkter i hans forelæsninger – og den kosmiske kortmager holder listen fast på sin væg.

Smoots liste
De otte kosmologiske spørgsmål, der holder George Smoot vågen om natten

1. Opstod inflation1? Hvordan?

2. Hvad er mørkt stof?

3. Hvad er mørk energi?

4. Hvorfor er der mere stof end antistof i universet?

5. Er der andre relikvier2 at finde (f.eks. kosmiske strenge)?

6. Er der ekstra3 dimensioner?

7. Varierer fundamentale konstanter?

8. Hvilke andre eksotiske kræfter kan der være?

—————————————————————

1 den eksponentielle udvidelse af det unge univers

2 af det unge univers

3, dvs. mere end fire (tre rumlige dimensioner og tid)

skjule