"Science": mechanika kwantowa widzialna gołym okiem odkryciem roku

Drugie miejsce w dorocznym rankingu przypadło sztucznej komórce, trzecie - zsekwencjonowaniu genomu neandertalczyka.

W marcu 2010 r. zespół fizyków pod kierunkiem Andrew Clelanda i Johna Martinisa z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara opublikował na łamach tygodnika "Nature" wyniki przełomowego eksperymentu. Wykorzystano półprzewodzący drucik, który miał długość równą grubości ludzkiego włosa, a więc był to przedmiot widoczny gołym okiem. Teoretycznie takie przedmioty powinny zachowywać się zgodnie z mechaniką klasyczną, obowiązującą w makroświecie. Naukowcy "zmusili" go jednak do zachowania zgodnego z mechaniką kwantową, obowiązującą w świecie cząstek elementarnych.

Mechanika kwantowa opisuje stany cząstek elementarnych w sposób sprzeczny ze zdrowym rozsądkiem. W świecie mechaniki klasycznej jest nie do pomyślenia, żeby ten sam stół czy to samo krzesło znajdowały się jednocześnie w pokoju i w kuchni. Natomiast zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej cząstka elementarna może znajdować się jednocześnie w dwóch różnych miejscach.

Naukowcy z Kalifornii podczas eksperymentu schłodzili półprzewodnik do temperatury niemal zera bezwzględnego. Dzięki temu drucik znalazł się w stanie najmniejszej możliwej energii, podobnie jak struna w gitarze, która przestaje wibrować. Wówczas podnieśli poziom energii o najmniejszą możliwą porcję, czyli o kwant, wywołując w nim wibracje. Następnie wprowadzili "strunę" w stan tzw. superpozycji, właściwy dla świata cząstek elementarnych, kiedy dany obiekt posiada dwie właściwości naraz, teoretycznie wykluczające się. W tym przypadku były to dwa różne drgania na raz.

Drugie miejsce przypadło osiągnięciom laboratorium Craiga Ventera (Kalifornia), znanego badacza ludzkiego genomu, który jako jeden z pierwszych dokonał jego zsekwencjonowania. Tym razem jednak naukowcy posunęli się jeszcze dalej - sami zbudowali łańcuch DNA, składający się z 520 genów, niezbędnych do życia bakterii.

Następnie umieścili go w komórce bakterii usunąwszy jej naturalne DNA. Bakteria ta zaczęła się mnożyć i produkować inny zestaw białek. Venter ogłosił na łamach "Science", że stworzył "sztuczne życie".

W przyszłości naukowcy chcą projektować sztuczne genomy, które umożliwiałyby bakteriom efektywniejsze niż dotychczas wykonywanie różnych konkretnych zadań związanych np. z ochroną środowiska, energetyką czy przemysłem.

"Uzyskując tę pierwszą wersję genomu neandertalczyków, spełniliśmy nasze marzenie. Nareszcie można zidentyfikować te cechy genetyczne, które sytuują nas poza innymi organizmami, nie wyłączając neandertalczyków - naszych najbliższych ewolucyjnie krewniaków" - opowiadał Svante Paabo z Instytutu Antropologii Ewolucyjnej Maxa Plancka w Lipsku.

Uzyskana w tym roku sekwencja genomu neandertalczyków odzwierciedla około 60 proc. całości. Już jednak pierwsze rezultaty wskazywały na to, że ludzie i neandertalczycy mogli sporadycznie krzyżować się ze sobą. Być może doszło do tego 100-50 tys. lat temu na Bliskim Wschodzie, po wyjściu obu grup z Afryki.

Dzięki badaniom można wyodrębnić całą listę genów lub obszarów w genomie, które są charakterystyczne wyłącznie dla ludzi i mogą pomóc w zrozumieniu, czym różnimy się od naszego najbliższego krewniaka. Te różnice decydują o tym, kim jesteśmy.

"Science" wyróżniło również kilka projektów z dziedziny genomiki, wskazując w ten sposób na dynamikę rozwoju tej gałęzi wiedzy. Genomika jest ściśle związana z genetyką i bioinformatyką. Zajmuje się badaniem genomów pod kątem m.in. związków z podatnością na choroby. Redakcja "Science" wymienia m.in. 1000 Genomes Project, skupiony wokół identyfikowania różnic pomiędzy ludźmi w obrębie poszczególnych nukleotydów - "cegiełek" tworzących DNA. Badanie tych różnic pozwoli na wyjaśnienie genezy wielu chorób.

Inne osiągnięcia dotyczą badań nad przeprogramowaniem komórek, dzięki czemu komórkę dorosłą można cofnąć w rozwoju do etapu komórki macierzystej. W tym roku naukowcom udało się opracować nową, dużo bardziej efektywną metodę takiego przeprogramowania.

W tym roku duży postęp zanotowano również w badaniach nad eksonami - odcinkami genu kodującego sekwencję aminokwasów w cząsteczce białka. Dzięki nim zidentyfikowano podstawę genetyczną kilkunastu poważnych chorób, w tym związanych z nieprawidłowym rozwojem mózgu, deformacją twarzy czy ekstremalnie niskim poziomem cholesterolu.

Redakcja wspomina również o osiągnięciach w dziedzinie fizyki materii skondensowanej, modelowaniu cząsteczek chemicznych za pomocą superkompterów oraz nowej metodzie manipulowania DNA szczurów laboratoryjnych.

Na koniec "Science" wymienia spektakularne osiągnięcia w dziedzinie prewencji zakażenia wirusem HIV. Pierwsze to opracowanie dopochwowego żelu. Eksperyment prowadzony w Republice Południowej Afryki potwierdził skuteczność żelu, stosowanego przez 889 kobiet, których partnerzy byli zakażeni wirusem HIV. Po roku częstość zakażeń była mniejsza o połowę, po 2,5 roku - o 39 proc. Żel zawiera lek - tenofovir. Ma chronić kobiety, których partnerzy odmawiają używania prezerwatyw.

Drugie odkrycie dotyczy pigułki o nazwie Truvada. Badania na 2499 osobach były prowadzone między innymi w Peru, Ekwadorze, Brazylii, Tajlandii i Republice Południowej Afryki. Pigułka, będąca połączeniem dwóch leków (tenofovir i emtrycitabina), zmniejszyła ryzyko zarażenia HIV o niemal 44 procent w grupie wysokiego ryzyka (geje, transseksualiści i mężczyźni biseksualni). KRX