2014. aasta Nobeli teadusauhindade laureaadid

Eesti teadlased auhinna pälvinud avastuslikest teadustöödest

MARGUS MAIDLA

Nobeli (loodus)teaduse auhindadeks loetakse kolme kategooria – füüsika-, keemia- ja füsioloogia- ning meditsiiniauhinda. Kõiki neid väljastatakse alates asutamisest 1901. aastal.*

Nobeli keemiaauhind

Tänavuse keemiaauhinna laureaadid on Eric Betzig, Stefan W. Hell ja William E. Moerner, kes pälvisid selle suure lahutusvõimega fluorestsentsmikroskoobi avastamise eest. Keemiaauhinna puhul ilmneb hästi üks teaduse paradokse, millisesse valdkonda teadustöö üldse liigitada: kas sellesse, kus seda kasutatakse, või sellesse, mille kaudu avastuseni jõuti?

Fluorestsentsmikroskoobi avastamine andis tõuke elusloodust uurivatele teadusrühmadele, kelle teemaderingi võib piiritleda biokeemia, molekulaarbioloogia ja biotehnoloogiaga, sest mikroskoop võimaldab vaadelda bakterite, viiruste ja rakkude elu reaalajas. Väga jämedate pintslitõmmetega maalides võib need teemad tõesti keemia alla liigitada. Kui aga vaadata selle nurga alt, milliseid teadussaavutusi kasutati mikroskoobi väljatöötamiseks – fluorestsentsmeetodit ja optikat –, siis liigitub avastus pigem füüsika valdkonda.

Juba tehtut ehk avastust kirjeldada oskavad füüsikud, kuid kirjeldada võimalusi, mida see avastus teaduses teha võimaldab, suudavad keemikud, täpsemalt biokeemikud, ja meditsiiniteadlased. Keemiaauhinnal on ehk ka kõige tihedam side Eesti teadusega, sest need optika valdkonnad olid meil aastatel 1980–1990 päris tugevad.

Kommenteerivad Tartu ülikooli füüsika instituudi direktor, prof Jaak Kikas ning keemilise ja bioloogilise büüsika instituudi (KBFI) poolt füüsikadoktorid direktor Raivo Stern ja Ülo Mets.

Jaak Kikas: Igal avastusel on eellugu. Tänavusele keemiaauhinna saanud avastusele eelneb XVI sajandi lõpu Hollandi prillimeistrite töödest alguse saanud optilise mikroskoopia pikk arengulugu. Avastusel on aga veel üks täiendav „juur”: kõrglahutuslike laserspektroskoopiliste meetodite arendamine, mis viis võimekuseni mõõta üksikmolekulide spektreid ja seejärel neid ka mikroskoopiliselt jälgida. Just nanosondidena toimivate üksikmolekulide fluoretsentskiirgus on võtmeks optilisele mikroskoopiale tavatu ruumilise lahutuse saavutamisel.

Premeeritud tulemuste avastuslik ilu seisneb eelkõige selles, et ümber on lükatud arusaam sellest, et optilise mikroskoopia abil ei saa näha asju, mis on oluliselt väiksemad valguse lainepikkusest. Muidugi ei tähenda tulemus seda, et ümber on lükatud mingid optikaseadused, tegemist on ikka seaduste oskusliku kasutamisega. Kõige rohkem hakkavad laureaatide tööde välja arendatud tehnikad ilmselt mõjutama arengut rakubioloogias ja sedakaudu meditsiinis-füsioloogias. Juba pärast preemia teatavaks saamist ilmus informatsioon ühe laureaadi Eric Betzigi uuest tööst mikroskoopia vallas, mis peale kõrge ruumilise lahutuse lubab jälgida rakus toimuvaid protsesse ka kõrge ajalise lahutusega. Värskete nobelistide töödel on rakubioloogias väga suur rakenduslik potentsiaal. Ei maksa imestada, kui mõni järgmistest Nobeli auhindadest meditsiini ja füsioloogia valdkonnas saadakse just tänavuste nobelistide arendatud meetodeid kasutades.

Olen ühe auhinna saajaga, William E. Moerneriga korduvalt rahvusvahelistel konverentsidel kohtunud, sealhulgas Eestis algatatud konverentside seeria „Hole Burning, Single Molecule and Related Spectroscopies” üritustel. Järgmine selle sarja konverents on, muide, kavandatud 2015. aasta augustis Tartusse.

Auhinna laureaadi William E. Moerneri tööd on üsna tihedalt seotud TÜ füüsika instituudi laserspektroskoopia laboris tehtuga. Tahkiste uurimiseks arendatud kõrglahutusliku laserspektroskoopia meetodid viisid loogiliselt välja üksikmolekulide spektroskoopiani ja nende mikroskoopilise jälgimiseni. Selle uurimissuuna entusiast ja arendaja Tartus oli akadeemik Karl Rebane koos oma kaastööliste ja õpilastega.

Ülo Mets ja Raivo Stern: Selle aasta Nobeli keemiaauhind anti välja superlahutusvõimega fluorestsentsmikroskoopia (nanoskoopia) väljatöötamise eest. Tegemist on kahe erineva lähenemisega eri kasutusvaldkondades, mis mõlemad on viinud difraktsioonipiiri ülekavaldamisele optilise mikroskoobi eraldusvõimes.

Stefan Hell tegeles skaneeriva konfokaalmikroskoopiaga (STED-mikroskoopia), Eric Betzig ja William E. Moerner arendasid ühe molekuli fluorestsentsil põhinevat laiaväljalist mikroskoopi (PALM-mikroskoopia). Mõlema suuna töödes on ilmutatud suurepärast leidlikkust ja asjasse puutuvate nähtuste põhjalikku tundmist nii edaspidi kui tagurpidi.

Hell on suure osa oma teadlase­karjäärist pühendanud konfokaal­mikroskoopia lahutusvõime parandamisele. Läbimurre saabus siis, kui ta otsustas proovida stimuleeritud kiirgust fokuseeritud valgustäpi mõõtmete vähendamiseks. Idee kasutada sõõri­kujulist valguskimpu fluorestsentstäpi „teritamiseks” on juba iseenesest suurepärane, aga selle valguskimbu profiili kitsamaks venitamine tema intensiivsuse abil näitab tõsist leidlikkust ja asjatundlikkust.

Ka Moerner ja Betzig on hulga aastate jooksul leiutanud uusi meetodeid, mis lõpuks kokku pannes moodustasid superlahutusvõimega mikroskoobi. Selle sündimiseks tuli ühendada molekulaargeneetika, tahkisefüüsika, lähivälja mikroskoopia ja ühe molekuli spektroskoopia alased teadmised. Helendavaks aineks on siin tavaliselt roheline fluorestseeruv valk (GFP) või selle modifikatsioonid, mida saab geenitehnoloogia abil kasutada näiteks valkude paigutuse uurimiseks rakkudes. Superlahutusvõime saavutamiseks paigutatakse üksikud helenduvad molekulid nii hõredalt, et neid saab ühekaupa lokaliseerida. Sellise hõreda paigutuse saavutamiseks on vajalikud aktiveeritava fluorestsentsiga molekulid.

Tallinnas KBFIs on tegeldud fluorestsentskorrelatsioonspektroskoopiaga (FKS), mis on üheks eespool mainitud ühe molekuli spektroskoopia alustaladest. 1980. aastate keskel Peet Kase juhitud töörühmas (Tiit Kändler, Aavo Sirk, Margus Pooga, Priit Piksarv, Ülo Mets) läbi viidud pöörddifusiooni mõõtmised FKSi abil olid esimesed omataolised maailmas. Üks selle töörühma liikmetest, Ülo Mets, on Stefan Helliga mõned korrad kohtunud 1995. aastal Stockholmis ja tema ettakannet kuulanud. Osa töörühmast jätkas pärast Eesti taasiseseisvumist tegevust välismaal, nüüdseks on sellest välja kasvanud suurfirma PerkinElmer Tallinna teadus- ja arendusüksus.

Premeeritud teadussaavutuse pikaajalist majanduslikku tulemust on muidugi raske hinnata, aga kahtlemata on tegemist väga olulise edusammuga bioloogiliste objektide struktuuri ja toimimise uurimisel. Märkimist väärib seegi, et mõlemad meetodid on mikroskoobitootjad juba kasutusele võtnud.

Nobeli füüsikaauhind

2014. aasta Nobeli füüsikaauhind anti Isamu Akasakile (Jaapani Meijo ülikool ja Nagoya ülikool), Hiroshi Amanole (Nagoya ülikool) ja Shuji Nakamurale (USA Santa Barbara California ülikool) „efektiivsete sinist valgust kiirgavate valgusdioodide eest, mis on võimaldanud luua eredaid ja energiasäästlikke valge valguse allikaid”. Kommenteerib Tartu ülikooli füüsika instituudi professor, akadeemik Jaan Aarik.

Jaan Aarik: Tänavuste füüsikanobelistide töö on loogiliseks jätkuks eelkäijate tegudele, mille eest pälvisid 1964. aastal Nobeli füüsikaauhinna Charles H. Townes, Nicolay G. Basov ja Aleksandr M. Prohorov ning Zhores I. Alferov ja Herbert Kroemer (koos Jack S. Kilbyga) 2000. aastal. Juba laseri väljatöötamise eest Nobeli saanud C. H. Townesi, N. G. Basovi ja A. M. Prohorovi töödest oli ilmne, et pooljuhtmaterjalidest võib valmistada väga efektiivseid valgusallikaid. Nende seadiste, dioodlaserite ja valgusdioodide (ingl light emitting diode, LED), rakendusvõimalusi avardas veelgi heterosiirete kasutuselevõtt 1960. aastatel, mis lubas oluliselt suurendada valgusdioodide ja dioodlaserite kasutegurit ja töökindlust ning tõi Nobeli auhinna Zhores I. Alferovile ja Herbert Kroemerile. Paraku töötasid sel ajal loodud seadmed hästi ainult spektri punases ja infrapunases piirkonnas.

Peamiseks takistuseks spektri kollase, rohelise, sinise, violetse ja ultravioletse piirkonna pooljuhtvalgusallikate valmistamisel oli sobiva materjalitehnoloogia puudumine. Näiteks teati juba 1960. aastatel, et sellised materjalid nagu indiumnitriid, galliumnitriid ja alumiiniumnitriid peaksid sobima ultravioletses, violetses ja sinises spektrialas kiirgavate valgusdioodide loomiseks. Muu seas arutati selliste materjalide kasutusvõimalusi pooljuhtvalgusallikates, kui 1974. aastal kavandati uut uurimissuunda Eesti NSV Teaduste Akadeemia füüsika instituudis. Tookordne valik langes siiski igati õigustatult materjalidele, mille valmistamine oli sel ajal jõukohasem.

Tänavused füüsikanobelistid olid viimaks need, kes töötasid Nagayo ülikoolis ja Jaapani firmas Nishia Chemical Industries Ltd 1980. aastate lõpus välja meetodid defektivabade gallium-, alumiinium- ja indiumnitriidkilede saamiseks, millel oli pooljuhtdioodide valmistamiseks sobiv elektrijuhtivus ja mille suurepärased kiirguslikud omadused võimaldasid luua efektiivsed ultravioletse, violetse ja sinise valguse allikad. Sellist lühilainelist valgust on lihtne muundada nähtavaks ja nii saadigi väga ökonoomsed seadised, mida on võimalik kasutada nii ruumide ja tänavate valgustamiseks kui ka arvuti- ja telerimonitorides. Kuna selliste valgusallikate energiatarve on võrreldes hõõglampide ja isegi gaaslahendusel põhinevate säästulampidega palju väiksem, siis on kindlasti tegemist suure tulevikuga uuendusega, seda enam et valgusdioodid on väga töökindlad. Seega oli Nobeli füüsikaauhinna omistamine käesoleva aasta laureaatidele ootuspärane. Olgu märgitud, et juba 2006. aastal sai üks nendest, Suji Nakamura, oma tööde eest valgusdioodide loomisel millenniumi tehnoloogiaauhinna, mida antakse välja Soomes alates 2004. aastast ja mis suuruselt on võrreldav Nobeli auhinnaga.

Nobeli füsioloogia- või
meditsiiniauhind

Nobeli auhinna võitjateks meditsiinis või füsioloogias kuulutati aju-uurijad John O’Keefe ning abielupaar May-Britt Moser ja Edvard Moser. Tähelepanuväärne on ehk see, et viimati oli abielupaarile omistatud meditsiini- või füsioloogiaauhind 1947. aastal – perekond Corile (koos Bernardo Alberto Houssayga) glükogeeni ja suhkrute metobilismi uuringute eest. Kommenteerib Tartu Ülikooli arstiteaduskonna närvikliiniku professor, akadeemik Toomas Asser.

Toomas Asser: John O’Keefe on kognitiivse neuroteaduse professor, kelle uurimishuviks läbi aastate on olnud hipokampus ning selle osa ruumimälu ja navigatsioonimehhanismis. Tema doktoritöö juhendaja Montrèalis McGilli ülikoolis oli Ronald Melzack ning järgnevad aastad ta on töötanud Londonis Patrick Walli laboratooriumis. Melzack ja Wall on valu teooriate ja väravakontrolli teooria autorid ning korduvalt olnud ka Nobeli auhinna kandidaadid.

O’Keefe’i roti hipokampuses avastatud koharakud aktiveerusid sõltuvalt sellest, missuguses ruumiosas katseloom parajasti viibis. Sellest järeldas ta, et need moodustavad ajus konkreetses ruumis orienteerumiseks kaardi, mille neuronaalse aluse moodustavad aju oimusagara sisepinnal paikneva hipokampuse nn CA1 püramiidrakud. Sama ala on seotud mälutöötlemisega ning on seetõttu suure energiatarbimisega. On teada, et võrreldes teiste neuronitega on need rakud tundlikumad hapniku puuduse suhtes ning on veel teisigi erisusi. Sama ajupiirkond on sageli epileptilise aktiivsuse lähtekohaks ja tihti ka kasvajate lähtekoht.

May-Britt Moser ja Edvard Moser näitasid, et seni homogeenseks peetud hipokampuse üks pool on ruumimälu toimimiseks olulisem kui teine. Nende avastatud oimusagara entorinaalse korteksi võrerakud edastavad signaale hipokampusele ja aktiveeruvad väga selektiivselt katselooma paiknemisel teatud korrapäraselt paiknevates ruumi punktides, moodustades heksagonaalse võrgustiku. Selline võrerakkudest moodustuv mesilaskärje sarnane heksagonaalne võrgustik on optimaalseim viis saada väikseima rakkude hulgaga parima lahutusvõimega ülevaade ruumist. Heksagonaalne ajufunktsiooni esindatus erineb teistest seni teadaolevatest motoorsete ja sensoorsete funktsioonide topograafiast ajus. See ajus avastatud neuronaalse võrgustiku lihtne geomeetria on energiasäästlik ning osutab aju töö efektiivsusele, pakkudes oma eripäraga huvi matemaatikutele.

Ei teata, kuidas täpselt siiski entorinaalses ajukoores neuronaalne võrgustik tekib, ega ka seda, kuidas selline võrerakkude, koharakkude ja teiste navigatsioonirakkude tekitatud kaart aitab loomal liikuda ühest ruumi punktist teise.

Peale abstraktse neuraalse kodeerimise aitab võrerakkude töö uurimine mõista mälu ja mäluhäirete probleemistikku. Entorinaalne ajukoor on Alzheimeri tõve korral üks esimesi kahjustuvaid struktuure ning on hästi teada, et Alzheimeri tõve üks esmastest kliinilistest ilmingutest on ruumis eksimine või hirm eksida. Sellest tulenevalt on esitatud hüpotees, mille alusel entorinaalse korteksi rakkudel võivad olla spetsiifilised omadused, mis vallandavad haigus­ahela.

Kuid kas on ka mingi seos Eestiga? Ei saa veel kindlalt väita, kuid on võimalik, et hipokampuse koharakud on seotud Endel Tulvingu avastatud episoodilise mälu kodeerimisega. See on üks uurimissuundadest, mis seob tunnustatumat eestlasest mälu-uurijat tänavuse Nobeli meditsiiniauhinna saanud teadlaste töödega.

* Rootsi Keskpanga asutatud Alfred Nobeli mälestusauhinda majanduse valdkonnas antakse välja alates 1968. aastast.