Nobele Oorzaken

De telefoon van George Smoot ging op 3 oktober even voor drie uur 's nachts, en een stem met een Zweeds accent vertelde hem dat hij de Nobelprijs voor natuurkunde 2006 had gewonnen. Maar de kosmoloog was sceptisch.

Deze kaart van temperatuurvariaties in 14 miljard jaar oude straling wordt de babyfoto van het universum genoemd. Het verdiende ook een Nobelprijs voor George Smoot '66, PhD '70. Voor foto's van Smoot en van Andrew Fire, PhD '83, die ook een Nobelprijs voor 2006 won, klik op de multimedialink hieronder.

Er zit tenslotte een neiging tot grappen in zijn familie. Oliver R. Smoot '62, die de maatstaf voor de Harvard-brug heeft bepaald (364,4 smoots en een oor), is een verre verwant. En Smoot zelf kan zich nog levendig herinneren dat hij een grap uithaalde op zijn afstudeerbegeleider, MIT-professor natuurkunde David Frisch. Na een nachtdienst te hebben gewerkt, deden Smoot en een vriend alsof ze een kostbaar stuk osmium hadden gevijld om het in een magneet te laten passen voor een experiment. Toen Frisch het lab binnenkwam en metaalsnippers zag rondstrooien, greep hij van angst naar zijn hart, herinnert Smoot zich. Daarom maakte ik me zorgen toen ik midden in de nacht werd gebeld, zegt hij. Ik weet dat studenten grappen kunnen uithalen!

Maar het telefoontje uit Zweden was geen grap. Smoot en een andere MIT-alumnus, Andrew Z. Fire, voegden zich bij een groep van 61 andere vooraanstaande alumni, professoren en MIT-filialen toen ze elk in 2006 een Nobelprijs wonnen. Beiden hebben de manier waarop wetenschap wordt bedreven in hun vakgebied veranderd.

Andrew Z. Fire, PhD '83, won de medicijnprijs voor het helpen ontdekken van de details van een natuurlijk genuitschakelingsmechanisme dat RNA-interferentie wordt genoemd. Hoewel de baanbrekende ontdekking pas acht jaar geleden kwam, is het induceren van RNA-interferentie nu een veelgebruikte laboratoriumtechniek die biologen helpt de functies van individuele genen vast te stellen. Therapieën die RNA-interferentie gebruiken om menselijke ziekten zoals maculaire degeneratie te bestrijden, zijn al in klinische onderzoeken.

multimedia

• Foto's van Smoot en Fire

George Smoot '66, PhD '70, won de natuurkundeprijs. Hij leidde het onderzoeksteam achter NASA's COBE-satelliet, die de eerste kwantitatieve metingen deed van de beginomstandigheden van het universum. Smoots kaart uit 1992 van minuscule temperatuurvariaties in kosmische straling afkomstig van ongeveer 14 miljard jaar geleden is het rokende pistool van de oerknaltheorie. Men denkt dat de minieme fluctuaties die Smoot in kaart heeft gebracht de lokale energieconcentraties aangeven - de zaden - waarrond materie samenvloeide tot de clusters van sterrenstelsels die het huidige universum vormen.

De Gene Silencer: Andrew Fire

Vóór 1998 was het identificeren van de functie van een bepaald gen een moeizaam proces waarvan het succes voor een groot deel werd bepaald door geluk. Onderzoekers vonden cellen of organismen met gemuteerde kopieën van het gen en leidden uit verloren functies af wat het normale gen deed. Of ze probeerden mutaties in cellen in het laboratorium te induceren, een wisselvallige techniek die in menselijke cellen meestal werd gemist. Nu, dankzij de ontdekking van RNA-interferentie (RNAi), kunnen biologen in wezen individuele genen in het laboratorium uitschakelen. Het is vergelijkbaar met het omdraaien van een schakelaar om een ​​paar gloeilampen in een reeks van miljoenen van kleur te laten veranderen.

Het begrijpen van RNA-interferentie heeft de manier waarop we celbiologie doen en cellen begrijpen of onderzoeken radicaal veranderd, zegt Phillip Sharp, een instituutsprofessor aan het MIT's Center for Cancer Research en zelf een Nobelprijswinnaar. We gingen van een positie waarin we geen algemene benadering hadden om de functie van genen te onderzoeken, naar het vermogen om een ​​gen het zwijgen op te leggen om te vragen wat het doet. Elk tijdschrift dat je bekijkt, een of meer of alle artikelen erin hebben deze technologie gebruikt. Het is echt een fundamentele vooruitgang geweest.

Fire, nu hoogleraar pathologie en genetica aan de Stanford University School of Medicine, deelt de Nobelprijs met Craig Mello, nu hoogleraar moleculaire geneeskunde aan de University of Massachusetts Medical School, voor hun ontdekking van het genuitschakelingsmechanisme.

Fire kwam naar MIT als een 19-jarige afgestudeerde student, met als hoofdvak wiskunde aan de University of California, Berkeley. Terwijl hij deelnam aan wat hij Berkeleys intellectuele smorgasbord noemt, kwam hij in aanraking met moleculaire biologie en raakte opgewonden. Een decennium voordat Sharp zijn Nobelprijs won, werkte Fire in zijn laboratorium aan het MIT. Als student deed Fire een belangrijk vroeg onderzoek naar de biochemie van de controle van genexpressie in menselijke cellen, herinnert Sharp zich. Het lanceerde nog eens 15 jaar werk in mijn lab en anderen '.

Voordat Fire en Mello hun baanbrekende paper publiceerden, was het bekend dat RNA meerdere rollen had, maar het werd in de eerste plaats gezien als de tussenpersoon van DNA, de boodschapper die genen in eiwitten vertaalt. Onderzoekers wisten echter dat RNA, wanneer het in een organisme wordt geïnjecteerd, soms voorkomen de productie van eiwitten en stiltegenen.

Maar het fenomeen kon niet betrouwbaar worden gereproduceerd, dus het was onduidelijk welke vorm van RNA ervoor verantwoordelijk was. Was het sense RNA, dat de volgorde volgt van het boodschapper-RNA dat codeert voor een specifiek eiwit? Was het het complement van sense RNA, antisense RNA? Of was het een dubbelstrengs combinatie van de twee?

Fire en Mello werkten samen aan een reeks rigoureuze experimenten met behulp van een nematodeworm genaamd C. elegans om te bepalen of sense, antisense of dubbelstrengs RNA gen-uitschakeling veroorzaakte. Om sterke zichtbare signalen van hun proefpersonen op te wekken, werkten ze met een gen dat helpt om normale spiercontracties in stand te houden C. elegans : als het gen het zwijgen werd opgelegd, zouden de wormen trillen. Toen de onderzoekers de wormen injecteerden met pure sense of pure antisense RNA, gebeurde er niets. Maar toen ze dubbelstrengs RNA injecteerden, begonnen de wormen te trillen. Fire en Mello concludeerden dat RNA dubbelstrengs moest zijn om het gen tot zwijgen te brengen.

Het paar publiceerde deze resultaten samen met andere observaties over RNAi in Natuur in 1998. Het inzicht dat dubbelstrengs RNA de sleutel was tot het tot zwijgen brengen, is waarom ze de [Nobel]prijs ontvingen, zegt Sharp. Daaropvolgend onderzoek door Fire, Mello, Sharp en anderen heeft de moleculaire werking van RNAi vastgesteld, waarvan nu bekend is dat het in de meeste organismen voorkomt.

Bij mensen, bij andere dieren en zelfs bij planten is RNA normaal gesproken aanwezig als enkele strengen. Fire en anderen in het veld geloven dat RNAi waarschijnlijk is ontwikkeld als een verdediging tegen virussen. Wanneer een cel dubbelstrengs RNA ziet, is zijn eerste reactie om het in stukjes te hakken, wat begrijpelijk is aangezien dubbelstrengs [viraal] RNA [vaak aanwezig] is wanneer virussen zich vermenigvuldigen, legt Fire uit.

Maar de cel gaat nog een stap verder. Het wil niet alleen het spul opdelen, het wil alles gaan vinden dat erop lijkt, voor het geval het wat RNA heeft gemist. Dus [een molecuul in] de cel neemt de stukjes RNA die in stukjes zijn gehakt, en gaat op zoek naar dingen die op elkaar lijken. Als het iets vindt, hakt het dat in stukken.

Dat iets het eigen boodschapper-RNA van de cel zou kunnen zijn. Wanneer zijn boodschapper wordt vernietigd, wordt een gen tot zwijgen gebracht.

In theorie, zegt Sharp, kan RNAi elk gen tot zwijgen brengen, van de genen van een binnendringend virus tot het gen dat ervoor zorgt dat het eiwit de ziekte van Parkinson veroorzaakt. Dat maakt het therapeutisch veelbelovend. Sharp en andere onderzoekers hebben bedrijven opgericht om RNAi-medicijnen te commercialiseren. Als je RNA naar het doelwit [weefsel] zou kunnen krijgen, zou je een aantal echt coole therapieën kunnen hebben, zegt Fire.

Alnylam, het bedrijf dat Sharp mede heeft opgericht in Cambridge, MA, voert nu klinische proeven uit met een medicijn voor het respiratoire virus RSV; Acuity Pharmaceuticals uit Philadelphia en Sirna Therapeutics uit San Francisco voeren beide klinische proeven uit met geneesmiddelen voor maculaire degeneratie.

Fire kijkt graag naar deze ondernemingen, maar alleen als cheerleader, zegt hij. Hij blijft de moleculaire werking van gen-uitschakeling bestuderen in de favoriete proefpersoon van zijn laboratorium, C. elegans .

RNAi is ook een mechanisme gebleken dat cellen normaal gesproken gebruiken om de activiteit van hun genen te regelen. Victor Ambros '75, PhD '79 en Rosalind Lee '76 ontdekten dat RNA een sleutelrol speelt bij het beheersen van de ontwikkeling van dieren; onderzoekers hebben veel genen gevonden die coderen voor dubbelstrengs RNA, en men gelooft nu dat interferentie door deze RNA's verantwoordelijk is voor het reguleren van 30 procent van het menselijk genoom.

Tegenwoordig is Fire gericht op het leggen van verbanden tussen genuitschakeling en ziekten bij de mens. Veel genen worden tot zwijgen gebracht bij kanker, zegt hij. Dat is al een tijdje bekend. Hij werkt momenteel samen met pathologen aan Stanford om te begrijpen hoe de verstoring van RNA-regulerende processen bijdraagt ​​aan ziekte.

De kosmische cartograaf: George Smoot

George Smoot was niet van plan een weerverslaggever of een kaartenmaker te worden. Maar in 1992 schreef hij cartografische geschiedenis toen hij de eerste kaart van het jonge heelal maakte door kleine variaties in de temperatuur van 14 miljard jaar oude straling in kaart te brengen. Variaties in deze kosmische microgolfachtergrond, of CMB, geven astrofysici aanwijzingen over hoe complexe structuren zoals sterrenstelsels zijn gevormd.

Smoot, hoogleraar natuurkunde aan de University of California, Berkeley, deelt de Nobelprijs voor natuurkunde met John Mather van NASA Goddard Space Flight Center voor zijn werk aan de CMB, wiens bestaan ​​de oerknaltheorie ondersteunt.

Angelica de Oliveira-Costa, nu een onderzoekswetenschapper aan het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT, trad toe tot het laboratorium van Smoot in Berkeley als een afgestudeerde student het jaar nadat Smoot zijn kaart aankondigde. Ze zegt dat een deel van wat hem tot een eersteklas natuurkundige maakt, is dat hij een goed oog heeft voor goede ideeën en niet bang is voor verandering.

Smoot voelde zich altijd aangetrokken tot kosmologie, maar hij deed zijn afstudeerwerk in deeltjesfysica en nam een ​​baan bij Luis Alvarez, een Nobelprijswinnaar op dat gebied in Berkeley. Tussen de projecten door zei Alvarez tegen zijn medewerkers dat ze een paar maanden vrij moesten nemen en zich zouden verdiepen in vruchtbare nieuwe onderzoeksgebieden. Smoot greep de kans om zich in de kosmologie te begeven en nam de filosofie van Alvarez als de zijne over: als je een experiment voltooit, doe dan niet automatisch het volgende. Je moet kijken of er een nieuwe ontdekking of technologie is waarmee je metingen kunt doen in een veelbelovend gebied.

Voor Smoot was de studie van de kosmische microgolfachtergrond precies zo'n gebied - aanlokkelijk en wijd open. Hij zegt dat hij de intuïtie had dat wat je ook meet, een fundamentele meting zal zijn, en hij had gelijk. De Oliveira-Costa zegt over haar drie jaar in het laboratorium van Smoot, wetenschappelijk gezien was het een van de beste tijden van mijn leven. Elke kleine ontdekking die je deed was nieuw.

De CMB, ontdekt in de jaren zestig, was voorspeld door de oerknaltheorie. De straling komt niet van een plek in het heelal maar van een tijd kort na de vorming van het heelal. Als we terugkijken naar de straling, kijken we terug naar een tijd in het universum waarin alles heet en dicht was als het plasma in onze zon, legt Edmund Bertschinger uit, hoofd van de afdeling astrofysica van de MIT-afdeling voor natuurkunde. Naarmate het universum uitdijde, koelde het af, en dat gold ook voor de CMB, die nu slechts ongeveer 2,7 graden boven het absolute nulpunt is. Die nagloeiing zien we miljarden jaren later in onze radiotelescopen, zegt hij.

De fotonen van de CMB bieden zoiets als een foto van het universum ongeveer 370.000 jaar na de oerknal, toen het afkoelde tot ongeveer 3.000 °C, waarbij deeltjes vrijkwamen om de eerste atomen te vormen. Tot dan toe was het universum een ​​ondoorzichtig, hoogenergetisch plasma; fotonen raakten verstrikt in verhitte en intieme gesprekken met subatomaire deeltjes zoals elektronen. Toen het universum afkoelde en atomen werden gevormd, konden fotonen - inclusief die waaruit de CMB bestaat - voor het eerst vrij bewegen.

Toen Smoot aan de CMB begon te werken, was het exacte spectrum onbekend en leek het een volledig uniforme energie te hebben. Deze uniformiteit suggereerde een vroeg universum waar energie en materie homogeen verdeeld waren - een scenario dat schijnbaar onverenigbaar is met het gevarieerde en complexe universum van vandaag. Hoe konden sterren die zijn gegroepeerd in sterrenstelsels, gegroepeerd in clusters van sterrenstelsels omringd door grote leegten, tevoorschijn komen uit een vroeg universum waar materie zo soepel was uitgespreid als kers op een bruidstaart? Om de oerknaltheorie te laten standhouden, moest het vroege universum klonten hebben gehad waarop kwantummechanische krachten en vervolgens de zwaartekracht konden inwerken, waardoor uiteindelijk sterrenstelsels en andere structuren zouden ontstaan.

Op zoek naar deze klonterigheid stuurden veel groepen, waaronder die van Smoot, stralingsdetectoren op ballonnen en zelfs in spionagevliegtuigen naar hoogten waar de CMB bijna volledig ongefilterd is door de atmosfeer van de aarde. Ondertussen berekenden anderen welk niveau van fluctuatie in de energie van het vroege universum het mogelijk zou hebben gemaakt dat er zich klontjes of zaden zouden vormen. Smoot sloot zich aan bij een groep, geleid door Mather bij NASA, die werkte om een ​​gevoelige, stralingsdetecterende satelliet genaamd COBE (Cosmic Background Explorer) in een baan om de aarde te krijgen. Tegen de tijd dat COBE op 18 november 1989 werd gelanceerd, hadden astrofysici vastgesteld dat zeer kleine variaties in de CMB - zo klein als een honderdduizendste van een graad - zouden wijzen op een vroeg universum dat divers genoeg is om het huidige universum te hebben voortgebracht.

Smoot had de leiding over een groep van zes instrumenten op COBE, differentiële microgolfradiometers genaamd, die in de CMB zochten naar temperatuurvariaties die anisotropie worden genoemd. Boven de aarde had de in een baan om de aarde draaiende COBE een onbelemmerde ontvangst van de CMB in alle richtingen. Smoot en zijn Berkeley-team analyseerden een jaar lang van deze temperatuurmetingen - miljoenen - op zoek naar anisotropie; toen ze het leken te vinden, probeerden ze zichzelf ervan te overtuigen dat het niet te wijten was aan het lawaai van de instrumenten op COBE.

In 1992 maakte Smoot bekend dat COBE honderdduizendste van een graad variaties in de energie van de CMB had gevonden. Zijn kaart van deze variaties, waarop ruwweg te zien is welke plekken in het vroege heelal iets warmer waren en welke iets kouder, wordt de babyfoto van het heelal genoemd. Het verbazingwekkende is dat het universum bijna volledig uniform is, zegt hij. Het is uniformer dan een biljartbal. Smoot ontving zijn helft van de Nobelprijs voor zijn werk op de kaart; Mather werd geëerd voor het leiden van het COBE-project en het meten van het spectrum van de CMB.

Astrofysici zeggen dat de aankondiging van de resultaten van COBE door Smoot en Mather een keerpunt was voor de kosmologie, toen filosofische speculaties over de oorsprong van het universum plaats maakten voor een wetenschap die was gebaseerd op kwantitatief bewijs. De kaart van Smoot werd vervolgens geverifieerd door verdere ballonexperimenten en is sindsdien verbeterd door meer gevoelige metingen van WMAP, een NASA-satelliet die nog steeds in een baan om de aarde is. Bertschinger vergelijkt Smoot en de andere COBE-wetenschappers met ontdekkingsreizigers die nieuwe continenten vinden. Je zoekt eerst de continenten op en verkent dan de kustlijnen en maakt je kaarten steeds verfijnder, zegt hij.

De CMB-kaart was zo enthousiast dat Smoot een boek schreef, Rimpels in de tijd , om jongeren te laten zien dat wetenschap een avontuur kan zijn, zegt hij. Nu hij de Nobelprijs heeft gewonnen, zegt Smoot slechts half gekscherend dat hij nog meer druk voelt om ambassadeur van de wetenschap te zijn. Ik was vroeger een outlaw, ging altijd naar de rand van de natuurkunde, probeerde vreemde dingen, was opstandig, haalt hij herinneringen op.

In een universum waarvan wordt aangenomen dat het voor 96 procent uit mysterieuze donkere materie en donkere energie bestaat, zijn er tal van nieuwe en vreemde gebieden om te verkennen. Ik heb een lijst met acht vragen die volgens mij heel belangrijk zijn, zegt hij (zie de lijst van Smoot hieronder) . Op een dag is Smoot van plan om een ​​kosmologisch-fysisch centrum te starten om ze aan te pakken. Maar voor nu zijn het opsommingstekens in zijn lezingen - en de kosmische kaartenmaker houdt de lijst aan zijn muur geplakt.

Smoot's lijst
De acht kosmologische vragen die George Smoot 's nachts wakker houden

1. Heeft inflatie1 plaatsgevonden? Hoe?

2. Wat is donkere materie?

3. Wat is donkere energie?

4. Waarom is er meer materie dan antimaterie in het heelal?

5. Zijn er nog andere relikwieën2 te vinden (bijvoorbeeld kosmische snaren)?

6. Zijn er extra 3 afmetingen?

7. Variëren fundamentele constanten?

8. Welke andere exotische krachten kunnen er zijn?

————————————————————–

1 de exponentiële uitdijing van het jonge heelal

2 van het jonge universum

3 d.w.z. meer dan vier (drie ruimtelijke dimensies en tijd)

zich verstoppen