Cause Nobel

Il telefono di George Smoot squillò poco prima delle 3 del mattino del 3 ottobre e una voce con accento svedese gli disse che aveva vinto il Premio Nobel per la fisica nel 2006. Ma il cosmologo era scettico.

Questa mappa delle variazioni di temperatura nella radiazione di 14 miliardi di anni è stata chiamata l'immagine del bambino dell'universo. Ha anche vinto un premio Nobel per George Smoot '66, PhD '70. Per le foto di Smoot e di Andrew Fire, PhD '83, che ha anche vinto un premio Nobel nel 2006, fare clic sul collegamento multimediale sottostante.

Dopotutto, nella sua famiglia corre una propensione per gli scherzi. Oliver R. Smoot '62, che ha fissato lo standard di misurazione per l'Harvard Bridge (364,4 smoots e un orecchio), è un lontano parente. E lo stesso Smoot può ancora ricordare vividamente di aver fatto uno scherzo al suo relatore di tesi di laurea, il professore di fisica del MIT David Frisch. Dopo aver fatto il turno di notte, Smoot e un amico hanno finto di aver limato un prezioso pezzo di osmio per farlo entrare in una calamita per un esperimento. Quando Frisch entrò nel laboratorio e vide schegge di metallo sparse qua e là, si afferrò il cuore per il terrore, ricorda Smoot. Ecco perché ero preoccupato quando ho ricevuto la telefonata nel cuore della notte, dice. So che gli studenti possono fare scherzi!

Ma la telefonata dalla Svezia non era uno scherzo. Smoot e un altro alunno del MIT, Andrew Z. Fire, si sono uniti a un gruppo di altri 61 illustri alunni, professori e affiliati del MIT quando ciascuno ha vinto un premio Nobel nel 2006. Entrambi hanno cambiato il modo di fare scienza nei loro campi.

Andrew Z. Fire, PhD '83, ha vinto il premio per la medicina per aver aiutato a scoprire i dettagli di un meccanismo naturale di silenziamento genico chiamato interferenza dell'RNA. Sebbene la scoperta rivoluzionaria sia avvenuta solo otto anni fa, l'induzione dell'interferenza dell'RNA è ora una tecnica di laboratorio comune che aiuta i biologi a individuare le funzioni dei singoli geni. Le terapie che utilizzano l'interferenza dell'RNA per combattere malattie umane come la degenerazione maculare sono già in fase di sperimentazione clinica.

Multimedia

• Foto di Smoot e Fire

George Smoot '66, PhD '70, ha vinto il premio di fisica. Ha co-guidato il team di ricerca dietro il satellite COBE della NASA, che ha effettuato le prime misurazioni quantitative delle condizioni iniziali dell'universo. La mappa di Smoot del 1992 delle minuscole variazioni di temperatura nella radiazione cosmica originata da circa 14 miliardi di anni fa è la prova definitiva della teoria del big bang. Si pensa che le minuscole fluttuazioni tracciate da Smoot indichino le concentrazioni locali di energia, i semi, attorno ai quali la materia si è aggregata negli ammassi di galassie che costituiscono l'universo di oggi.

Il silenziatore genico: Andrew Fire

Prima del 1998, identificare la funzione di un dato gene era un processo laborioso il cui successo era determinato in gran parte dalla fortuna. I ricercatori hanno trovato cellule o organismi con copie mutate del gene e hanno dedotto dalle funzioni perse cosa faceva il gene normale. Oppure hanno cercato di indurre mutazioni nelle cellule in laboratorio, una tecnica incostante che, nelle cellule umane, per lo più non è riuscita. Ora, grazie alla scoperta dell'interferenza dell'RNA (RNAi), i biologi possono essenzialmente disattivare i singoli geni in laboratorio. È come girare un interruttore per far cambiare colore a poche lampadine in una serie di milioni.

Comprendere l'interferenza dell'RNA ha cambiato radicalmente il modo in cui facciamo biologia cellulare e comprendiamo, o sonderemo, le cellule, afferma Phillip Sharp, professore dell'Istituto presso il Centro per la ricerca sul cancro del MIT e lui stesso premio Nobel. Siamo passati dalla posizione di non avere un approccio generale all'indagine sulla funzione dei geni all'essere in grado di mettere a tacere un gene per chiedere cosa fa. Ogni rivista che guardi, uno o più o tutti gli articoli in essa contenuti hanno utilizzato questa tecnologia. È stato davvero un progresso fondamentale.

Fire, ora professore di patologia e genetica presso la Stanford University School of Medicine, condivide il premio Nobel con Craig Mello, ora professore di medicina molecolare presso la University of Massachusetts Medical School, per la scoperta del meccanismo di silenziamento genico.

Fire è arrivato al MIT come studente laureato di 19 anni, dopo essersi laureato in matematica all'Università della California, a Berkeley. Mentre partecipava a quello che chiama il buffet intellettuale di Berkeley, ha incontrato la biologia molecolare e si è entusiasmato. Un decennio prima che Sharp vincesse il premio Nobel, Fire lavorava nel suo laboratorio al MIT. Da studente, Fire ha svolto alcune importanti ricerche iniziali sulla biochimica del controllo dell'espressione genica nelle cellule umane, ricorda Sharp. Ha lanciato altri 15 anni di lavoro nel mio laboratorio e in quello di altri.

Prima che Fire e Mello pubblicassero il loro documento rivoluzionario, si sapeva che l'RNA aveva molteplici ruoli, ma era principalmente pensato come intermediario del DNA, il messaggero che traduce i geni in proteine. I ricercatori sapevano, tuttavia, che quando iniettato in un organismo, l'RNA a volte poteva prevenire la produzione di proteine ​​e di geni silenziosi.

Ma il fenomeno non poteva essere riprodotto in modo affidabile, quindi non era chiaro quale forma di RNA ne fosse responsabile. Era l'RNA sensibile, che segue la sequenza dell'RNA messaggero che codifica per una proteina specifica? Era il complemento dell'RNA senso, l'RNA antisenso? O era una combinazione a doppio filamento dei due?

Fire e Mello hanno collaborato a una serie di esperimenti rigorosi utilizzando un verme nematode chiamato C. elegans per determinare se l'RNA senso, antisenso o a doppio filamento ha causato il silenziamento genico. Al fine di suscitare forti segnali visibili dai loro soggetti di prova, hanno lavorato con un gene che aiuta a mantenere normali contrazioni muscolari in C. elegans : se il gene fosse messo a tacere, i vermi si contraerebbero. Quando i ricercatori hanno iniettato nei vermi RNA puro senso o puro antisenso, non è successo nulla. Ma quando hanno iniettato RNA a doppio filamento, i vermi si sono contorti. Fire e Mello conclusero che l'RNA doveva essere a doppio filamento per silenziare il gene.

La coppia ha pubblicato questi risultati insieme ad altre osservazioni su RNAi in Natura nel 1998. L'intuizione che l'RNA a doppio filamento è stata la chiave del silenzio è il motivo per cui hanno ricevuto il premio [Nobel], afferma Sharp. Ricerche successive di Fire, Mello, Sharp e altri hanno stabilito il funzionamento molecolare dell'RNAi, che ora è noto per essere presente nella maggior parte degli organismi.

Nell'uomo, in altri animali e persino nelle piante, l'RNA è normalmente presente come filamenti singoli. Fire e altri nel campo ritengono che l'RNAi si sia probabilmente sviluppato come difesa contro i virus. Quando una cellula vede l'RNA a doppio filamento, la sua prima risposta è tagliarlo in pezzi, il che è comprensibile dato che l'RNA [virale] a doppio filamento è [spesso presente] quando i virus si replicano, spiega Fire.

Ma la cellula va un passo oltre. Non solo vuole fare a pezzi la roba, vuole andare a trovare qualcosa che gli assomigli, nel caso in cui gli manchi un po' di RNA. Quindi [una molecola nella] cellula prende i frammenti di RNA che sono stati sminuzzati e va alla ricerca di cose simili. Se trova qualcosa, lo fa a pezzi.

Quel qualcosa potrebbe essere l'RNA messaggero della cellula. Quando il suo messaggero viene distrutto, un gene viene messo a tacere.

In teoria, afferma Sharp, l'RNAi può mettere a tacere qualsiasi gene, dai geni di un virus invasore al gene che rende la proteina ritenuta responsabile del morbo di Parkinson. Questo lo rende terapeuticamente promettente. Sharp e altri ricercatori hanno fondato aziende per commercializzare farmaci RNAi. Se potessi portare l'RNA al bersaglio [tessuto], potresti avere delle terapie davvero fantastiche, dice Fire.

Alnylam, la società Sharp cofondata a Cambridge, MA, sta ora conducendo studi clinici su un farmaco per il virus respiratorio RSV; Acuity Pharmaceuticals di Philadelphia e Sirna Therapeutics di San Francisco stanno entrambe conducendo sperimentazioni cliniche di farmaci per la degenerazione maculare.

Fire si diverte a guardare queste imprese, ma solo come cheerleader, dice. Continua a studiare il funzionamento molecolare del silenziamento genico nella cavia preferita del suo laboratorio, C. elegans .

L'RNAi ha anche dimostrato di essere un meccanismo che le cellule normalmente usano per controllare l'attività dei loro geni. Victor Ambros '75, PhD '79 e Rosalind Lee '76 hanno scoperto che l'RNA svolge un ruolo chiave nel controllo dello sviluppo animale; i ricercatori hanno scoperto molti geni che codificano per l'RNA a doppio filamento e ora si ritiene che l'interferenza di questi RNA sia responsabile della regolazione del 30 percento del genoma umano.

In questi giorni, Fire si concentra sulla creazione di legami tra il silenziamento genico e le malattie umane. Molti geni sono messi a tacere nel cancro, dice. Questo è noto da un po' di tempo. Attualmente sta lavorando con i patologi a Stanford per capire come l'interruzione dei processi regolatori dell'RNA contribuisce alla malattia.

Il cartografo cosmico: George Smoot

George Smoot non si proponeva di essere un reporter meteorologico o un cartografo. Ma nel 1992, ha fatto la storia cartografica quando ha creato la prima mappa del giovane universo tracciando lievi variazioni nella temperatura della radiazione di 14 miliardi di anni. Le variazioni in questo fondo cosmico a microonde, o CMB, forniscono agli astrofisici indizi su come si sono formate strutture complesse come le galassie.

Professore di fisica all'Università della California, Berkeley, Smoot condivide il premio Nobel per la fisica con John Mather del Goddard Space Flight Center della NASA per il lavoro sul CMB, la cui esistenza supporta la teoria del big bang.

Angelica de Oliveira-Costa, ora ricercatrice presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT, si è unita al laboratorio di Smoot a Berkeley come studentessa laureata l'anno dopo che Smoot ha annunciato la sua mappa. Dice che parte di ciò che lo rende un fisico di prim'ordine è che ha un buon occhio per le buone idee e non ha paura del cambiamento.

Smoot è sempre stato attratto dalla cosmologia, ma si è laureato in fisica delle particelle e ha iniziato a lavorare con Luis Alvarez, un premio Nobel in quel campo a Berkeley. Tra un progetto e l'altro, Alvarez ha detto al suo staff di prendersi qualche mese di pausa e di esaminare nuove fertili aree di ricerca. Smoot ha colto l'occasione per entrare nella cosmologia, adottando la filosofia di Alvarez come sua: quando finisci un esperimento, non eseguire automaticamente quello successivo. Dovresti vedere se c'è qualche nuova scoperta o tecnologia che ti consentirà di effettuare misurazioni in un'area promettente.

Per Smoot, lo studio del fondo cosmico a microonde era proprio un'area del genere, allettante e spalancata. Dice di aver avuto l'intuizione che qualunque cosa misuri ci sarà una misurazione fondamentale, e aveva ragione. De Oliveira-Costa dice dei suoi tre anni nel laboratorio di Smoot, Scientificamente, è stato uno dei periodi migliori della mia vita. Ogni piccola scoperta che hai fatto era nuova.

Scoperta negli anni '60, la CMB era stata prevista dalla teoria del big bang. La radiazione non proviene da un luogo dell'universo, ma da a volta subito dopo la formazione dell'universo. Quando guardiamo indietro alla radiazione, stiamo guardando indietro a un tempo nell'universo in cui tutto era caldo e denso come il plasma nel nostro sole, spiega Edmund Bertschinger, capo della divisione di astrofisica del dipartimento di fisica del MIT. Quando l'universo si è espanso, si è raffreddato, e così ha fatto il CMB, che ora si trova solo a circa 2,7 gradi sopra lo zero assoluto. Stiamo vedendo quel bagliore residuo nei nostri radiotelescopi miliardi di anni dopo, dice.

I fotoni del CMB forniscono qualcosa come una fotografia dell'universo circa 370.000 anni dopo il big bang, quando si è raffreddato a circa 3.000 °C, rilasciando particelle per formare i primi atomi. Fino ad allora, l'universo era un plasma opaco ad alta energia; i fotoni sono stati coinvolti in una conversazione intima e accesa con particelle subatomiche come gli elettroni. Quando l'universo si è raffreddato e si sono formati gli atomi, i fotoni, compresi quelli che compongono il CMB, hanno potuto per la prima volta muoversi liberamente.

Quando Smoot ha iniziato a lavorare sul CMB, il suo spettro esatto era sconosciuto e sembrava avere un'energia completamente uniforme. Questa uniformità suggeriva un universo primordiale in cui energia e materia erano distribuite in modo omogeneo, uno scenario apparentemente incompatibile con l'universo vario e complesso di oggi. Come potevano le stelle raggruppate in galassie raggruppate in ammassi di galassie circondate da grandi vuoti emergere da un universo primordiale in cui la materia era distribuita uniformemente come la glassa su una torta nuziale? Perché la teoria del big bang reggesse, l'universo primordiale avrebbe dovuto avere dei grumi su cui avrebbero potuto agire le forze quantomeccaniche e quindi la gravità, causando infine la formazione di galassie e altre strutture.

Alla ricerca di questa asperità, molti gruppi, tra cui Smoot, hanno inviato rilevatori di radiazioni su palloni e persino su aerei spia ad altitudini in cui la CMB è quasi completamente non filtrata dall'atmosfera terrestre. Nel frattempo, altri hanno calcolato quale livello di fluttuazione nell'energia dell'universo primordiale avrebbe consentito la formazione di grumi, o semi. Smoot si unì a un gruppo, guidato da Mather alla NASA, che stava lavorando per mettere in orbita un satellite sensibile e sensibile alle radiazioni chiamato COBE (Cosmic Background Explorer). Quando il COBE fu lanciato il 18 novembre 1989, gli astrofisici avevano stabilito che variazioni molto piccole nel CMB, fino a un centinaio di millesimo di grado, avrebbero indicato un universo primordiale abbastanza vario da aver prodotto quello attuale.

Smoot era responsabile di un gruppo di sei strumenti su COBE, chiamati radiometri differenziali a microonde, che cercavano variazioni di temperatura chiamate anisotropia nel CMB. Sopra la Terra, il COBE orbitante riceveva senza ostacoli la CMB in tutte le direzioni. Smoot e il suo team di Berkeley hanno analizzato un anno di queste misurazioni della temperatura, milioni, cercando l'anisotropia; quando sembravano trovarlo, hanno lavorato per convincersi che non fosse dovuto al rumore degli strumenti su COBE.

Nel 1992, Smoot annunciò che COBE aveva trovato variazioni di centomillesimo di grado nell'energia del CMB. La sua mappa di queste variazioni, che mostra approssimativamente quali macchie nell'universo primordiale erano leggermente più calde e quali erano leggermente più fredde, è stata chiamata l'immagine del bambino dell'universo. La cosa sorprendente è che l'universo è quasi completamente uniforme, dice. È più uniforme di una palla da biliardo. Smoot ha ricevuto la metà del Premio Nobel per il suo lavoro sulla mappa; Mather è stato premiato per aver guidato il progetto COBE e aver misurato lo spettro del CMB.

Gli astrofisici affermano che l'annuncio di Smoot e Mather dei risultati di COBE è stato un punto di svolta per la cosmologia, quando la speculazione filosofica sulle origini dell'universo ha lasciato il posto a una scienza costruita su prove quantitative. La mappa di Smoot è stata successivamente verificata da ulteriori esperimenti con palloncini e da allora è stata migliorata da misurazioni più sensibili da WMAP, un satellite della NASA ancora in orbita. Bertschinger paragona Smoot e gli altri scienziati del COBE a esploratori alla ricerca di nuovi continenti. Prima trovi i continenti e poi esplori le coste e rendi le tue mappe sempre più raffinate, dice.

La mappa CMB ha riscosso così tanto entusiasmo che Smoot ha scritto un libro, Rughe nel tempo , per mostrare ai giovani che essere nella scienza potrebbe essere un'avventura, dice. Ora che ha vinto il premio Nobel, Smoot dice solo in parte scherzando che sente ancora più la pressione di essere un ambasciatore della scienza. Ero un fuorilegge, andavo sempre ai margini della fisica, provavo cose strane, ero ribelle, ricorda.

In un universo che si pensa sia per il 96% misteriosa materia oscura ed energia oscura, ci sono molti nuovi e strani territori da esplorare. Ho una lista di otto domande che penso siano davvero importanti, dice (vedi la lista di Smoot, sotto) . Un giorno, Smoot ha in programma di avviare un centro cosmologico-fisico per affrontarli. Ma per ora, sono punti elenco nelle sue lezioni e il cartografo cosmico tiene la lista attaccata al muro.

La lista di Smooth
Le otto domande di cosmologia che tengono sveglio la notte George Smoot

1. Si è verificata l'inflazione1? Come?

2. Cos'è la materia oscura?

3. Cos'è l'energia oscura?

4. Perché c'è più materia che antimateria nell'universo?

5. È possibile trovare altre reliquie2 (ad esempio, stringhe cosmiche)?

6. Ci sono dimensioni extra3?

7. Le costanti fondamentali variano?

8. Quali altre forze esotiche potrebbero esserci?

————————————————————–

1 l'espansione esponenziale del giovane universo

2 del giovane universo

3 cioè più di quattro (tre dimensioni spaziali e tempo)

nascondere