Johan Warell & Låtta Skogh, NE-redaktörer
Vetenskapsåret 2010 präglades av stora framgångar inom många områden. Speciellt två områden utmärkte sig: molekylärbiologi och tillämpad kvantfysik.
I dessa berörde forskningen grundläggande mikroskopiskt små partiklar och strukturer och hur dessa kan användas för att förfina och utveckla tekniskt och vetenskapligt värdefulla metoder och produkter.
På väg mot kvantumland ...
Med hjälp av en vibrerande metalltunga, lika lång som tjockleken på ett hårstrå, har människan tagit ett epokgörande kliv in i en annan värld – den kvantmekaniska.
För lekmannen kan detta låta både kryptiskt och osammanhängande. Så vad betyder det?
Kvantfysiken delar den fysiska verkligheten i två delar. Den ena utgörs dels av mikroskopiskt små elementarpartiklar (som atomer, elektroner och kvarkar), dels av strålningskvanta (fotoner), som lyder kvantmekanikens lagar. Dessa kvantpartiklar innehar specifika och kvantifierade energinivåer och lägen i rymden och styr i grund och botten hur all materia beter sig. Den andra verkligheten är den makroskopiska, där dammkorn, katter och planeter rör sig enligt Newtons klassiska mekanik eller relativitetsteorin. Deras lägen och hastigheter är lätta att mäta och kan inta vilka värden som helst. Man kan säga att kvantmekaniska partiklar är ”kvantifierade” och att klassiska partiklar är ”kontinuerliga”.
Vi kan illustrera det hela med hjälp av Heisenbergs obestämdhetsrelation från 1927. Enligt denna är en kvantpartikels position och hastighet kopplade, och båda kan inte vara kända samtidigt. Varje försök att bestämma en kvantpartikels hastighet är dömt att misslyckas eftersom dess position då påverkas. Till skillnad från de klassiska makroskopiska föremålen som vi befattar oss med i vardagen påverkas kvantpartiklarna starkt av våg−partikeldualiteten – de kan i olika sammanhang betraktas både som vågor och som partiklar, men inte samtidigt. Av denna dualitet följer också att en kvantpartikel kan tänkas befinna sig på två platser samtidigt, till dess att den observeras och dess position mäts.
Alla mekaniska konstruktioner som har uppfunnits före 2010 har lytt den klassiska mekanikens lagar. Men detta år annonserades ett genombrott – ett mekaniskt system som lyder kvantmekanikens lagar, och vars tillstånd kan observeras utan att dess kvantmekaniska egenskaper påverkas. Fysiker vid University of California i Santa Barbara kylde i sitt laboratorium ned en mikroskopiskt liten bit bimetall till bara några mikrokelvins temperatur, alltså bara marginellt över den lägsta temperatur som är fysiskt möjlig. Detta piezoelektriska material av aluminiumnitrid och aluminium, formad som en tunga fastsatt i ena änden, oscillerade i rumstemperatur med en extremt hög frekvens, 6 miljarder gånger per sekund. Vibrationerna orsakades av att materialet rytmiskt varierade i tjocklek, likt en pulserande lunga, och därmed också skapade ett elektriskt fält vars styrka kunde mätas.
När temperaturen sjönk till nära nog absolut noll (–273,16 °C) upphörde metallens vibrationer och inga energikvanta lämnade den. Därmed hade oscillatorn nått sitt grundtillstånd, där dess energiinnehåll är det lägsta möjliga. Inte nog med det, forskarna lyckades också påverka oscillatorns rörelse genom att med mikrovågor tillföra det elektriska fältet energi och via detta mata metallbiten med ett energikvantum. De lyckades på detta sätt aktivera nästa högre energitillstånd, där metallbiten samtidigt både var helt stilla och rörde på sig, allt enligt kvantmekaniska förväntningar. Detta tillstånd kan liknas vid det då en kvantpartikel befinner sig samtidigt på två platser. Ett mänskligt tillverkat objekt, synligt för blotta ögat, hade fått kvantmekaniska egenskaper, och dess kvantifierade energitillstånd kunde påverkas!
Vad händer i gränslandet mellan kvantmekaniken och den klassiska mekaniken? Kan ett makroskopiskt föremål, som en katt, befinna sig på två ställen samtidigt eller obehindrat färdas genom en vägg, precis som en kvantpartikel? Enligt kvantmekaniken är det i princip omöjligt – sannolikheten att detta ska ske är så låg att det inte har hänt under universums ålder. Men vid vilken storlek övergår ett objekt från att vara klassiskt till att vara kvantmekaniskt? Det vet ingen än, men med detta genombrott kan forskarna snart vara svaret på spåren.
Bakterie med konstgjord arvsmassa
I ett mycket uppmärksammat mikrobiologiskt genombrott har den amerikanska biokemisten och genetikern J. Craig Venter och hans forskargrupp skapat den första levande bakterien med en helt konstgjord arvsmassa. Bakterien har en kromosom som byggdes upp av över 1 000 delar, som vardera var 1 080 baspar långa. Kromosomen är en modifierad variant av den som naturligt finns i bakterien Mycoplasma mycoides. Förutom Mycoplasma mycoides gener innehåller kromosomen kodade meddelanden, för att bevisa att den är konstgjord. Med DNA:s fyra kvävebaser har man med kodspråk skrivit berömda citat, en e-postadress och namnen på flera av personerna inblandade i projektet.
Bakterien utgör visserligen inte äkta syntetiskt liv eftersom den konstgjorda kromosomen placerades i en existerande cell, och det är långt kvar innan man kan producera skräddarsydda bakterier som producerar t.ex. läkemedel eller drivmedel. Den syntetiska bakterien representerar trots dessa invändningar ett stort genombrott inom gentekniken och ger upphov till många frågor, bl.a. kring vad liv är och hur gentekniska forskningsresultat och produkter ska hanteras för att inte utgöra säkerhetsrisker i samhället.
Neandertalmänniskans arvsmassa
Det är inte mycket som genetiskt skiljer den moderna människan från dess numera utdöda släktingar. Detta har bl.a. svensken Svante Pääbos forskargrupp visat. De har gjort den första kartläggningen av neandertalmänniskans (Homo neanderthalensis) arvsmassa, hopfogad från tre neandertalkvinnor som levde i Kroatien för ca 40 000 år sedan. När arvsmassan jämfördes med den hos moderna människor (Homo sapiens) fann man till allas stora förvåning att nu levande européer och asiater, men inte afrikaner, har neandertalgener i sin arvsmassa. Detta indikerar att när moderna människor för ca 80 000 år sedan hade lämnat Afrika, men ännu inte spridit sig över Asien och Europa, träffade de neandertalare och fick barn med dem.
Man studerar nu närmare de små genetiska skillnaderna mellan neandertalare och moderna människor. Skillnaderna inkluderar gener som är viktiga för sårläkning samt för hjärnans och skelettets utveckling. Man hoppas kunna identifiera gener som var avgörande för att den moderna människan överlevde medan neandertalmänniskan dog ut.
Gensekvensering blir vardagssyssla
Inom genomiken har metoder och utrustning utvecklats kraftigt, och forskningen har gått över i ett nytt stadium. Sekvensering av hela och delar av arvsmassan hos en organism går nu betydligt fortare än tidigare och kostar därför mycket mindre. Man har också lyckats sekvensera DNA som tidigare var oläsligt, t.ex. från mycket gamla prover (se ovan om neandertalmänniskan).
Många projekt som för ett fåtal år sedan var ogenomförbara genererar nu viktiga resultat. Dessa omfattar bl.a. identifikation av mutationer och ovanliga gener som orsakar sjukdomar. Man har också katalogiserat alla funktionella delar av genomen hos två modellorganismer, bananflugan Drosophila melanogaster och rundmasken Caenorhabditis elegans.
Nytt sätt att hitta skadade gener
Genom att använda en listig genväg har forskare kommit på ett snabbare och billigare sätt att identifiera vilka skadade gener som orsakar ärftliga sjukdomar. Med den nya metoden fokuserar man på den hundradel av arvsmassan som består av gener som kodar för proteiner. Genom att jämföra denna del hos friska människor med den hos personer med olika ärftliga sjukdomar har man funnit vilken gen som är skadad för drygt ett dussin tidigare oförklarade sjukdomar.
Nu hoppas genetikerna att den nya metoden ska göra det lättare att diagnostisera och behandla ovanliga ärftliga sjukdomar, och dessutom ge nya insikter om människans biologi.
Cellulär föryngringsmaskin version 2.0
Inom stamcellsforskningen har det under flera år varit möjligt att ”vrida tillbaka klockan” så att enskilda celler utvecklingsmässigt föryngras. Det pågår en ständig förbättring och effektivisering av metoderna för att förändra vuxna, specialiserade celler till omogna, ospecialiserade celler så att de får lika obegränsade utvecklingsmöjligheter som de stamceller som normalt bara finns i tidiga embryon.
Genom att använda syntetiskt RNA för att programmera om celler kan man nu göra om t.ex. hudceller från vuxna människor så att de fungerar som embryonala stamceller. Men kan också göra om en hudcell direkt till en annan specialiserad celltyp, t.ex. en muskelcell eller en nervcell, genom att föra in rätt gener. Man hoppas nu kunna producera celler, vävnader och kanske till och med hela organ för transplantation genom att använda patientens egna celler som utgångsmaterial. Förutom att lösa bristen på donerade organ skulle man på så sätt även kunna undvika problemet med avstötning.
Supereffektiva kvantsimulatorer – första steget mot kvantdatorn
Snabbare, billigare och mindre datorer vill alla ha. Men hur bygger man sådana? Den uppenbara lösningen är att överge dagens klassiska datorer, där kondensatorer sparar information och transistorer utför beräkningar i det binära systemet med ettor och nollor.
Om man kunde ersätta denna stela arkitektur med smarta system baserade på kvantmekanisk teori, där varje lagringsenhet kan representera fler än två värden och växla mellan dessa snabbare, skulle datorerna bli mindre, effektivare och billigare. Det skulle möjliggöra beräkningar av komplexa system med många rörliga delar, t.ex. inom avancerad materialfysik. Med dagens datorer kan detta ta mycket lång tid eller kan till och med vara helt omöjligt.
Problemet är bara att kvantdatorn ännu finns endast på ritbordet. Men under året visade fem olika forskargrupper att kvantsimulatorer baserade på kvantmekaniska enheter som kan inbegripa elektroner, atomer och fotoner faktiskt går att konstruera och att de räknar rätt. Därmed är ett viktigt steg mot framtidens supereffektiva kvantdator taget.
Datorkraft avslöjar skruvade proteiner
I brist på kvantdatorer bygger universitet och företag allt större parallellprogrammerade superdatorer som med listiga rutiner beräknar egenskaperna för komplexa naturliga system. En av dagens mest kraftfulla datorer heter Anton och är en specialutvecklad molekylberäkningsdator med 512 parallella processorer. Anton nyttjades under tre veckors tid för att förstå en av dagens mest intressanta biologiska problem, nämligen hur atomerna i proteiner samverkar med omgivande vattenmolekyler och ömsom veckar, ömsom sträcker ut sig i ett mönster som aldrig upphör. Att förstå dessa rörelser är fundamentalt viktigt då proteinets specifika uppsättning av aminosyror och dess tredimensionella struktur avgör funktionaliteten.
Datorkraften i Anton räckte för att beräkna rörelsen för ett litet protein med beteckningen BPTI under 200 millisekunder, under vilket det genomgick 15 rytmiska sammandragningar. Det är tillräckligt många för att på en fundamental nivå kunna studera hur proteinet fungerar biologiskt i kroppen. Men Antons ’pappa’, datorvetaren och hedgefondinvesteraren David Shaw, har ett flertal ännu bättre datorer för molekylberäkning i rockärmen, bl.a. en som har 2 048 parallellkopplade processorer och en annan som bygger på ny chipteknologi. Vi kan alltså förvänta oss att förståelsen av de biologiskt viktiga skruvade proteinerna snabbt kommer att förbättras.
Råttan åter i ropet
En rad nya medicinska framsteg har gjort att råttan är på väg tillbaka – åtminstone i labben. De senaste tio åren har möss använts i långt större utsträckning än råttor eftersom man har kunnat manipulera deras arvsmassa, t.ex. genom att inaktivera specifika gener. Genetiskt manipulerade möss har möjliggjort studier av allt från grundläggande biologiska processer till läkemedelsframställning.
Men egentligen är råttan ett bättre försöksdjur. Den är mer lik människan – hjärtat slår långsammare, den är mer intelligent och det elektriska signalsystemet är mer likt vårt. Dessutom är råttor större och lättare att hantera än möss. Och nu har forskare äntligen utvecklat tekniker för att manipulera även råttan genetiskt. Detta förväntas ge ännu bättre möjligheter till framsteg inom medicinsk forskning och utveckling.
Framgångsrika HIV-läkemedel
Två nya läkemedel hyllades under året som stora framgångar i kampen mot spridningen av HIV. Båda preparaten innehåller de aktiva substanserna tenofovir, den ena även emtricitabin, och används profylaktiskt i form av gel eller tabletter. I de testgrupper som behandlades med de aktiva substanserna smittades omkring 40 % färre av HIV-viruset än i referensgruppen som fick placebo. För de personer som exakt följde riktlinjerna för läkemedlens användning var resultaten ännu mer lovande efter ett mer än årslångt brukande. Minskningen av antalet smittade var då hela 54 respektive 92 %. Även om de nya läkemedlen inte utgör perfekta skydd mot HIV-smitta så markerar de en ny tidsålder för HIV-bekämpningen.
Temaartikel ur Nationalencyklopedins årsbok 2010
Vetenskapsåret 2010: Nya genombrott
http://www.ne.se/rep/vetenskapsåret-2010-nya-genombrott
Nationalencyklopedin, 2012-05-27
Kopiera källangivelse
