Nobels orsaker

George Smoots telefon ringde strax före klockan 03:00 den 3 oktober och en röst med svensk accent berättade för honom att han vunnit 2006 års Nobelpris i fysik. Men kosmologen var skeptisk.

Denna karta över temperaturvariationer i 14 miljarder år gammal strålning har kallats universums babybild. Den fick också ett Nobelpris för George Smoot ’66, PhD ’70. För bilder av Smoot och Andrew Fire, PhD '83, som också vann ett Nobelpris 2006, klicka på multimedialänken nedan.

Trots allt finns en benägenhet att skämta i hans familj. Oliver R. Smoot '62, som satte standarden för mätning för Harvard Bridge (364,4 smoots och ett öra), är en avlägsen släkting. Och Smoot själv kan fortfarande levande minnas att han spelade ett praktiskt skämt med sin doktorsavhandlingsrådgivare, MIT fysikprofessor David Frisch. Efter att ha jobbat ett nattskift låtsades Smoot och en vän att de hade filat ner en dyrbar bit osmium för att få den att passa in i en magnet för ett experiment. När Frisch kom in i labbet och såg metallspån strödda omkring, grep han sitt hjärta i skräck, minns Smoot. Det var därför jag blev orolig när jag fick telefonsamtalet mitt i natten, säger han. Jag vet att elever kan spela spratt!

Men samtalet från Sverige var inget spratt. Smoot och en annan MIT-alumn, Andrew Z. Fire, anslöt sig till en grupp på 61 andra framstående alumner, professorer och MIT-medlemmar när var och en vann ett Nobelpris 2006. Båda har förändrat sättet vetenskap bedrivs inom sina områden.

Andrew Z. Fire, PhD '83, vann medicinpriset för att ha hjälpt till med att avslöja detaljerna i en naturlig gen-tystnadsmekanism som kallas RNA-interferens. Även om den banbrytande upptäckten kom för bara åtta år sedan, är inducering av RNA-interferens nu en vanlig labbteknik som hjälper biologer att lokalisera funktionerna hos enskilda gener. Behandlinger som använder RNA-interferens för att bekämpa mänskliga sjukdomar som makuladegeneration är redan i kliniska prövningar.

Multimedia

• Foton av Smoot and Fire

George Smoot '66, PhD '70, vann fysikpriset. Han ledde forskargruppen bakom NASA:s COBE-satellit, som gjorde de första kvantitativa mätningarna av universums initiala förhållanden. Smoots karta från 1992 över små temperaturvariationer i kosmisk strålning som härrörde från omkring 14 miljarder år sedan är big bang-teorins rykande pistol. De små fluktuationerna som Smoot kartlagt tros indikera de lokala energikoncentrationerna – fröna – runt vilka materia smälte samman till galaxhoparna som utgör dagens universum.

The Gene Silencer: Andrew Fire

Före 1998 var identifieringen av en given gens funktion en mödosam process vars framgång till stor del bestämdes av tur. Forskare hittade celler eller organismer med muterade kopior av genen och drog slutsatsen från förlorade funktioner vad den normala genen gjorde. Eller så försökte de inducera mutationer i celler i labbet, en hit-or-miss-teknik som, i mänskliga celler, mestadels missade. Nu, tack vare upptäckten av RNA-interferens (RNAi), kan biologer i huvudsak stänga av enskilda gener i labbet. Det är som att vrida på en strömbrytare för att få några glödlampor i en mängd miljoner att ändra färg.

Att förstå RNA-interferens har radikalt förändrat hur vi gör cellbiologi och förstår, eller sonderar, celler, säger Phillip Sharp, institutprofessor vid MIT:s Center for Cancer Research och själv nobelpristagare. Vi gick från en position att inte ha en generell inställning till att undersöka geners funktion till att kunna tysta en gen för att fråga vad den gör. Varje tidskrift du tittar på, en eller flera eller alla artiklar i den har använt sig av denna teknik. Det har verkligen varit ett grundläggande framsteg.

Fire, numera professor i patologi och genetik vid Stanford University School of Medicine, delar Nobelpriset med Craig Mello, numera professor i molekylär medicin vid University of Massachusetts Medical School, för deras upptäckt av gen-tysta mekanismen.

Fire kom till MIT som en 19-årig doktorand, efter att ha studerat matematik vid University of California, Berkeley. Medan han tog del av vad han kallar Berkeleys intellektuella smörgåsbord, mötte han molekylärbiologi och blev upphetsad. Ett decennium innan Sharp vann sitt Nobelpris arbetade Fire i hans labb vid MIT. Som student gjorde Fire viktig tidig forskning om biokemin för kontroll av genuttryck i mänskliga celler, minns Sharp. Det lanserade ytterligare 15 års arbete i mitt labb och andras.

Innan Fire och Mello publicerade sitt genombrottsdokument var RNA känt för att ha flera roller, men det var främst tänkt som DNA:s mellanled, budbäraren som översätter gener till proteiner. Forskare visste dock att när det injiceras i en organism, kan RNA ibland förhindra produktionen av proteiner och tysta gener.

Men fenomenet kunde inte reproduceras tillförlitligt, så det var oklart vilken form av RNA som var ansvarig för det. Var det sense-RNA, som följer sekvensen av budbärar-RNA:t som kodar för ett specifikt protein? Var det sens-RNA:s komplement, antisens-RNA? Eller var det en dubbelsträngad kombination av de två?

Fire och Mello samarbetade i en serie rigorösa experiment med hjälp av en nematodmask som kallas C. elegans för att avgöra om sense, antisense eller dubbelsträngat RNA orsakade gentystnad. För att få fram starka synliga signaler från sina testpersoner arbetade de med en gen som hjälper till att upprätthålla normala muskelsammandragningar i C. elegans : om genen tystades, skulle maskarna rycka. När forskarna injicerade maskarna med rent förnuft eller rent antisens-RNA hände ingenting. Men när de injicerade dubbelsträngat RNA, ryckte maskarna. Fire och Mello drog slutsatsen att RNA måste vara dubbelsträngat för att tysta genen.

Paret publicerade dessa resultat tillsammans med andra observationer om RNAi i Natur 1998. Insikten att dubbelsträngat RNA var nyckeln till tystnaden är varför de fick [Nobel]priset, säger Sharp. Efterföljande forskning av Fire, Mello, Sharp och andra fastställde RNAi:s molekylära funktion, som nu är känd för att förekomma i de flesta organismer.

Hos människor, hos andra djur och till och med i växter finns RNA normalt som enkelsträngar. Brand och andra inom området tror att RNAi troligen utvecklades som ett försvar mot virus. När en cell ser dubbelsträngat RNA är dess första svar att skära upp det i bitar, vilket är förståeligt med tanke på att dubbelsträngat [viralt] RNA är [ofta närvarande] när virus replikerar, förklarar Fire.

Men cellen går ett steg bortom det. Den vill inte bara hacka sönder grejerna, den vill gå och hitta allt som ser ut som det, ifall det har missat lite RNA. Så [en molekyl i] cellen tar bitarna av RNA som har hackats upp, och den går på jakt efter saker som liknar dem. Hittar den något så skär den upp det.

Att något kan vara cellens eget budbärar-RNA. När dess budbärare förstörs tystas en gen.

I teorin, säger Sharp, kan RNAi tysta vilken gen som helst – från generna från ett invaderande virus till genen som gör att proteinet tros orsaka Parkinsons sjukdom. Det gör det terapeutiskt lovande. Sharp och andra forskare har grundat företag för att kommersialisera RNAi-läkemedel. Om du kunde få RNA till målet [vävnaden], skulle du kunna få några riktigt coola terapier, säger Fire.

Alnylam, företaget som Sharp grundade i Cambridge, MA, genomför nu kliniska prövningar av ett läkemedel mot luftvägsviruset RSV; Acuity Pharmaceuticals i Philadelphia och Sirna Therapeutics i San Francisco genomför båda kliniska prövningar av läkemedel mot makuladegeneration.

Fire tycker om att titta på dessa satsningar – men bara som en hejarklack, säger han. Han fortsätter att studera det molekylära sättet att tysta genen i sitt labbs favorittestämne, C. elegans .

RNAi har också visat sig vara en mekanism som celler normalt använder för att kontrollera aktiviteten hos sina gener. Victor Ambros '75, PhD '79 och Rosalind Lee '76 upptäckte att RNA spelar en nyckelroll för att kontrollera djurens utveckling; Forskare har hittat många gener som kodar för dubbelsträngat RNA, och man tror nu att interferens från dessa RNA är ansvarig för att reglera 30 procent av det mänskliga genomet.

I dessa dagar fokuserar Fire på att etablera band mellan tystnad av gener och mänskliga sjukdomar. Många gener tystas ner i cancer, säger han. Det har varit känt ett bra tag. Han arbetar för närvarande med patologer vid Stanford för att förstå hur störningar av RNA-reglerande processer bidrar till sjukdom.

Den kosmiske kartografen: George Smoot

George Smoot tänkte inte vara väderreporter eller kartmakare. Men 1992 skrev han kartografisk historia när han skapade den första kartan över det unga universum genom att kartlägga små variationer i temperaturen på 14 miljarder år gammal strålning. Variationer i denna kosmiska mikrovågsbakgrund, eller CMB, ger astrofysiker ledtrådar om hur komplexa strukturer som galaxer bildades.

En fysikprofessor vid University of California, Berkeley, Smoot delar Nobelpriset i fysik med John Mather från NASA Goddard Space Flight Center för arbetet med CMB, vars existens stödjer big bang-teorin.

Angelica de Oliveira-Costa, nu forskare vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, gick med i Smoots labb i Berkeley som doktorand året efter att Smoot tillkännagav sin karta. Hon säger att något av det som gör honom till en förstklassig fysiker är att han har ett gott öga för bra idéer och inte är rädd för förändringar.

Smoot var alltid attraherad av kosmologi, men han gjorde sitt examensarbete i partikelfysik och tog ett jobb hos Luis Alvarez, en nobelpristagare inom det området i Berkeley. Mellan projekten sa Alvarez till sin personal att ta ledigt några månader och undersöka bördiga nya forskningsområden. Smoot tog tillfället i akt att gå in i kosmologin och antog Alvarez filosofi som sin egen: När du avslutar ett experiment, gör inte bara nästa automatiskt. Du bör se om det finns någon ny upptäckt eller teknologi som gör det möjligt för dig att göra mätningar i ett område som är lovande.

För Smoot var studiet av den kosmiska mikrovågsbakgrunden just ett sådant område – lockande och vidöppet. Han säger att han hade intuitionen att vad du än mäter kommer det att bli en grundläggande mätning, och han hade rätt. De Oliveira-Costa säger om sina tre år i Smoots labb, vetenskapligt sett var det en av de bästa tiderna i mitt liv. Varje liten upptäckt du gjorde var ny.

CMB upptäcktes på 1960-talet och hade förutspåtts av big bang-teorin. Strålningen kommer inte från en plats i universum utan från en tid strax efter universums bildande. När vi ser tillbaka på strålningen, ser vi tillbaka till en tid i universum när allt var varmt och tätt som plasman i vår sol, förklarar Edmund Bertschinger, chef för MITs fysikavdelnings astrofysikavdelning. När universum expanderade svalnade det, och det gjorde även CMB, som nu bara är cirka 2,7 grader över absolut noll. Vi ser efterglöden i våra radioteleskop miljarder år senare, säger han.

Fotonerna i CMB ger något som liknar ett fotografi av universum cirka 370 000 år efter big bang, när det svalnade till cirka 3 000 °C, vilket frigjorde partiklar för att bilda de första atomerna. Fram till dess var universum ett ogenomskinligt högenergiplasma; fotoner fångades i upphettade och intima samtal med subatomära partiklar som elektroner. När universum svalnade och atomer bildades kunde fotoner – inklusive de som utgör CMB – för första gången röra sig fritt.

När Smoot började arbeta på CMB var dess exakta spektrum okänt, och det verkade ha helt enhetlig energi. Denna enhetlighet antydde ett tidigt universum där energi och materia fördelades homogent - ett scenario som uppenbarligen var oförenligt med dagens varierade och komplexa universum. Hur kunde stjärnor grupperade i galaxer grupperade i galaxhopar omgivna av stora tomrum komma upp från ett tidigt universum där materia spreds ut lika smidigt som grädde på en bröllopstårta? För att big bang-teorin skulle hålla i sig måste det tidiga universum ha haft klumpar som kvantmekaniska krafter och sedan gravitationen kunde verka på, vilket så småningom fick galaxer och andra strukturer att bildas.

På jakt efter denna klumpighet skickade många grupper, inklusive Smoot's, strålningsdetektorer på ballonger och till och med i spionplan till höjder där CMB nästan är helt ofiltrerad av jordens atmosfär. Samtidigt beräknade andra vilken nivå av fluktuationer i energin i det tidiga universum som skulle ha tillåtit klumpar, eller frön, att bildas. Smoot gick med i en grupp, ledd av Mather vid NASA, som arbetade för att få en känslig, strålningsdetekterande satellit kallad COBE (Cosmic Background Explorer) i omloppsbana. När COBE lanserades den 18 november 1989 hade astrofysiker fastställt att mycket små variationer i CMB – så små som en hundra tusendels grad – skulle indikera ett tidigt universum som var tillräckligt varierande för att ha producerat det nuvarande.

Smoot var ansvarig för en grupp av sex instrument på COBE, kallade differentiella mikrovågsradiometrar, som letade efter temperaturvariationer som kallas anisotropi i CMB. Ovanför jorden hade den kretsande COBE obehindrad mottagning av CMB i alla riktningar. Smoot och hans Berkeley-team analyserade ett års värde av dessa temperaturmätningar – miljoner – och letade efter anisotropi; när de verkade hitta det, arbetade de för att övertyga sig själva om att det inte berodde på buller från instrumenten på COBE.

1992 tillkännagav Smoot att COBE hade hittat hundratusendels gradsvariationer i energin hos CMB. Hans karta över dessa varianter, som visar ungefär vilka fläckar i det tidiga universum som var något varmare och vilka som var något kallare, har kallats universums babybild. Det fantastiska är att universum är nästan helt enhetligt, säger han. Det är mer enhetligt än en biljardboll. Smoot fick sin hälften av Nobelpriset för sitt arbete med kartan; Mather hedrades för att ha lett COBE-projektet och mätt CMB:s spektrum.

Astrofysiker säger att Smoot och Mathers tillkännagivande av COBE:s resultat var en vändpunkt för kosmologin, när filosofiska spekulationer om universums ursprung gav vika för en vetenskap byggd på kvantitativa bevis. Smoots karta verifierades därefter genom ytterligare ballongexperiment och har sedan dess förbättrats av känsligare mätningar från WMAP, en NASA-satellit som fortfarande är i omloppsbana. Bertschinger liknar Smoot och de andra COBE-forskarna vid upptäcktsresande som hittar nya kontinenter. Man hittar först kontinenterna och utforskar sedan kustlinjerna och gör sina kartor mer och mer förfinade, säger han.

CMB-kartan mötte så mycket entusiasm att Smoot skrev en bok, Rynkor i tiden , för att visa unga människor att det kan vara ett äventyr att vara i naturvetenskap, säger han. Nu när han har vunnit Nobelpriset säger Smoot bara halvt på skämt att han känner ännu mer press att bli en ambassadör för vetenskap. Jag brukade vara en fredlös, som alltid gick till fysiks utkanter, försökte konstiga saker, var upprorisk, minns han.

I ett universum som till 96 procent tros vara mystisk mörk materia och mörk energi, finns det massor av nya och konstiga territorier att utforska. Jag har en lista med åtta frågor som jag tycker är riktigt viktiga, säger han (se Smoots lista nedan) . En dag planerar Smoot att starta ett kosmologiskt-fysikcenter för att ta itu med dem. Men för tillfället är de kulpunkter i hans föreläsningar – och den kosmiska kartmakaren håller listan fast på väggen.

Smoots lista
De åtta kosmologiska frågorna som håller George Smoot vaken på natten

1. Uppstod inflation1? Hur?

2. Vad är mörk materia?

3. Vad är mörk energi?

4. Varför finns det mer materia än antimateria i universum?

5. Finns det andra reliker2 att hitta (t.ex. kosmiska strängar)?

6. Finns det extra3 dimensioner?

7. Varierar fundamentala konstanter?

8. Vilka andra exotiska krafter kan det finnas?

—————————————————————

1 det unga universums exponentiella expansion

2 av det unga universum

3, dvs fler än fyra (tre rumsliga dimensioner och tid)

Dölj