Ανοσία, συμπαντική διαστολή και οι ημικρύσταλλοι είχαν εφέτος την τιμητική τους.
Πρώτη εβδομάδα του Οκτώβρη και τα μάτια των ανά τον κόσμο επιστημόνων στράφηκαν για άλλη μία φορά στη Στοκχόλμη και στην ανακοίνωση των βραβείων Νομπέλ. Πιστή στο...προοριζόμενο για ομοτέχνους. Σίγουρα όμως ο εφευρέτης της πυρίτιδας δεν είχε φανταστεί πως έναν αιώνα μετά το βραβείο της επιστήμης του θα το έπαιρνε ένας... μη χημικός και μάλιστα για εργασία... εκτός εργασίας!
Συνέβη τον Απρίλιο του 1982, όταν ο μηχανολόγος και μεταλλογράφος Νταν Σέχτμαν βρισκόταν σε εκπαιδευτική άδεια από το Πανεπιστήμιο Johns Hopkins των ΗΠΑ (NBS). Το πρωί της 8ης εκείνου του μήνα κοίταξε στο ηλεκτρονικό του μικροσκόπιο έναν κρύσταλλο από ταχέως ψυχθέν κράμα αλουμινίου και μαγγανίου. Καθάρισε τα γυαλιά του μουρμουρίζοντας «δεν υπάρχει περίπτωση!». Ξανακοίταξε και σιγουρεύτηκε ότι αυτό που έβλεπε ήταν αντίθετο στο κλασικό «θεώρημα περιορισμού» της κρυσταλλογραφίας! Δηλαδή, ενώ κατά το θεώρημα αυτό οι κρύσταλλοι μπορούν να εμφανίζουν περιοδική συμμετρία εκ περιστροφής κατά τη διάταξη των ατόμων τους, ο κρύσταλλος που έβλεπε εμφάνιζε πενταπλή συμμετρία (απεριοδική). Ταραγμένος ο Σέχτμαν άρχισε να κάνει μετρήσεις και να κρατάει σημειώσεις. Διαπίστωσε ότι η αναλογία των αποστάσεων μεταξύ των ατόμων του περίεργου αυτού κρυστάλλου σχετιζόταν με τον περίφημο Χρυσό Λόγο του Πυθαγόρα!
Με το στίγμα του «αιρετικού»
Αυτό που επακολούθησε αρχικά ήταν αυτό που συχνότατα συμβαίνει σε όσους τολμούν να αμφισβητήσουν την καθεστώσα γνώση: όταν ο Σέχτμαν έγραψε εργασία με τα ευρήματά του, του ζητήθηκε να παραιτηθεί από το εργαστήριο όπου εργαζόταν. «Γνώριζα ότι το σχήμα της περίθλασης δεν οφειλόταν σε διδύμους (που προκύπτουν από μια συνήθη κρυσταλλική ατέλεια)» δήλωσε σε κατοπινή συνέντευξή του «αλλά δεν είχα καμία εξήγηση για το τι πραγματικά συνέβαινε». Μη μπορώντας να θεμελιώσει θεωρητικά τα πειραματικά δεδομένα του πιθανότατα θα είχε πέσει στην αφάνεια, ιδιαίτερα όταν μεγαλύτερος πολέμιός του έγινε ο δις βραβευθείς με Νομπέλ βιοχημικός Λάινους Πόλινγκ (Linus Pauling). Τον έσωσε το ότι έδειξε την εργασία του στον John Cahn, εξέχοντα ερευνητή στην επιστήμη των υλικών. Εκείνος τη συζήτησε με τον Denis Gratias, ειδικό στη μαθηματική κρυσταλλογραφία στο Εθνικό Κέντρο Επιστημονικών Ερευνών (CNRS) της Γαλλίας, και ακολουθώντας πλέον τις συμβουλές τους ο Σέχτμαν και ο συνάδελφός του στο Technion Αϊλαν Μπλεχ (Ilan Blech) υπέβαλαν από κοινού στο περιοδικό «Physical Review Letters» τον Οκτώβριο του 1984 μια αναθεωρημένη εκδοχή της εργασίας. Δημοσιεύθηκε τον Νοέμβριο του 1984, περισσότερα από δύο χρόνια μετά το αρχικό πείραμα του Σέχτμαν.
Αυτό που καταδεικνυόταν στην εργασία τους ήταν ότι ο συγκεκριμένος κρύσταλλος εμφάνιζε πενταπλή συμμετρία. Το πώς όμως ακριβώς διατάσσονταν στον χώρο τα άτομα μιας τέτοιας συμμετρίας έμενε αναπάντητο. Ευτυχώς - και πάλι - για τον Σέχτμαν ένας από τους κριτές του «Physical Review Letters» ήταν ο φυσικός Πολ Στάινχαρντ (Paul Steinhardt, γνωστός από τη θεωρία του για αέναο «πυροκλαστικό» Σύμπαν), που γνώριζε το μαθηματικό μοντέλο του κρυσταλλογράφου Αλαν Μακέι (Alan Mackay) για απεριοδική διάταξη ατόμων. Διαβάζοντας για το εύρημα του κρυστάλλου ο Στάινχαρντ συνειδητοποίησε ότι είχε βρεθεί στη φύση μια επαλήθευση του μαθηματικού μοντέλου. Ενός μοντέλου του οποίου τα μαθηματικά γύριζαν χρόνια και αιώνες πίσω, στην ακολουθία του Φιμπονάτσι και στον Χρυσό Λόγο του Πυθαγόρα.
Η δικαίωση
Από τότε η εργασία αυτή έχει ανεβεί στην 8η θέση παγκοσμίως των δημοσιεύσεων αναφοράς (most cited). Ερευνητές από κάθε μήκος και πλάτος της Γης αποδύθηκαν σε έναν αγώνα δρόμου για τη διερεύνηση και την υλοποίηση τέτοιων απεριοδικών κρυστάλλων, των «ημικρυστάλλων» ή «οιονεί κρυστάλλων» (quasicrystals), όπως επικράτησε να λέγονται, μολονότι η Διεθνής Ενωση Κρυσταλλογράφων (IUC) τους ενέταξε επίσημα στους κρυστάλλους το 1992. Εφεξής ο ορισμός των κρυστάλλων δεν είναι πια «ουσία της οποίας τα συστατικά μέρη είναι κανονικά διατεταγμένα ακολουθώντας ένα επαναλαμβανόμενο τρισδιάστατο ίχνος» αλλά «κάθε στερεό που έχει ουσιωδώς διακριτό διάγραμμα περίθλασης».
Μέχρι στιγμής οι ερευνητές που ακολούθησαν τα ίχνη του Σέχτμαν έχουν καταφέρει να δομήσουν εργαστηριακά εκατοντάδες νέα είδη ημικρυστάλλων, άλλους με διεδρική συμμετρία και άλλους με εικοσαεδρική. Σαν να μην έφτανε όμως αυτό, το 2009 εντόπισαν στον ποταμό Χατίρκα της Α. Ρωσίας και ορυκτά που εμπεριέχουν φυσικά σχηματισμένους εικοσαεδρικούς ημικρυστάλλους. Τέλος, μια σουηδική εταιρεία εντόπισε ημικρυστάλλους σε ένα είδος ατσαλιού όπου η παρουσία τους καταλήγει να ενισχύει το ατσάλι. Η πρακτική εφαρμογή του ευρήματος του Σέχτμαν έχει ήδη αρχίσει, με πρώτους αποδέκτες του τα ξυραφάκια ξυρίσματος, τους πετρελαιοκινητήρες, τις φωτοδιόδους LED και τα τηγάνια της κουζίνας. Ο 70χρονος σήμερα Ντάνιελ Σέχτμαν δικαίως επιβραβεύθηκε ως ο άνθρωπος που... δικαίωσε τον Πυθαγόρα.
ΙΑΤΡΙΚΗ
Tα μυστικά της ανοσίας
Για άλλη μία φορά το ανοσοποιητικό σύστημα είχε την τιμητική του στα βραβεία Νομπέλ: τα μυστικά της φυσικής και της επίκτητης ανοσίας αποκάλυψαν οι τρεις εφετινοί τιμώμενοι. Ειδικότερα ο Bruce Beutler, καθηγητής Γενετικής και Ανοσολογίας του Ινστιτούτου Scripps στη Λα Χόγια των ΗΠΑ, και ο Jules Hoffmann, τέως διευθυντής του Ινστιτούτου Μοριακής και Κυτταρικής Βιολογίας στο Στρασβούργο, μοιράζονται το μισό βραβείο (5 εκατ. σουηδικές κορόνες, περίπου 500.000 ευρώ) Νομπέλ Ιατρικής ή Φυσιολογίας 2011 για τις ανακαλύψεις τους στη φυσική ανοσία. Το υπόλοιπο μισό λαμβάνει ο Καναδός Ralph Steinman, διευθυντής του Κέντρου Ανοσολογίας στο Πανεπιστήμιο Rockefeller, για την ανακάλυψη των δενδριτικών κυττάρων και τον ρόλο τους στην επίκτητη ανοσία. Για την ακρίβεια, το βραβείο θα δοθεί στην οικογένεια του Steinman, ο οποίος απεβίωσε λίγες ώρες προτού πληροφορηθεί τα καλά νέα!
Πρόκειται για την πρώτη φορά που συμβαίνει ο τιμώμενος να πεθαίνει λίγο πριν από την ανακοίνωση του βραβείου. Και καθώς η οικογένειά του δεν είχε προλάβει να ενημερώσει ούτε καν το πανεπιστήμιο στο οποίο εργαζόταν και η επιτροπή του βραβείου τον θεωρούσε ζωντανό την ώρα της ανακοίνωσης, αποφασίστηκε να μην αλλάξει τίποτε. Ετσι για πρώτη φορά στα 110 χρόνια της ιστορίας του βραβείου θα υπάρξει παραβίαση των εντολών του Αλφρεντ Νομπέλ, ο οποίος ήθελε οι τιμές να αποδίδονται σε ζώντες επιστήμονες.
Αμυνα πρώτης και δεύτερης γραμμής
Το ανοσοποιητικό σύστημά μας οφείλει να μας προστατεύει κάθε φορά που δεχόμαστε επίθεση από μικροοργανισμούς. Ετσι έχει αναπτύξει δύο γραμμές άμυνας. Η πρώτη συνίσταται στην άμεση αντίδραση η οποία σταματά τη λοίμωξη και δεν παρέχει κανενός είδους μνήμη στον οργανισμό σχετικά με την ταυτότητα του εχθρού. Η δεύτερη απαιτεί περισσότερο χρόνο για να αναπτυχθεί, καθαρίζει τον οργανισμό από τον λοιμογόνο παράγοντα και παρέχει μνήμη για την ταυτότητα του λοιμογόνου παράγοντα έτσι ώστε σε μια δεύτερη επίθεση η αντίδραση να είναι ταχύτερη.
Η πρώτη γραμμή άμυνας ονομάζεται φυσική ή μη ειδική ανοσία και είναι εξελικτικά η παλαιότερη. Είναι η ανοσία που διαθέτουν επίσης τα φυτά, τα έντομα και οι μύκητες. Η δεύτερη γραμμή άμυνας του οργανισμού είναι η επίκτητη ή ειδική ανοσία. Αυτή αναπτύσσεται με τη βοήθεια κυττάρων που εμπλέκονται στη μη ειδική ανοσία και τα οποία παρουσιάζουν στο ανοσοποιητικό σύστημα τα αντιγόνα των μικροοργανισμών που μας επιτίθενται έτσι ώστε να δημιουργηθούν ειδικά αντισώματα.
Αγγελιαφόροι της οχύρωσης
Τα παραπάνω δεν ήταν γνωστά στα μέσα της δεκαετίας του 1990. Εκείνο τον καιρό ο 70χρονος σήμερα Jules Hoffmann εργαζόταν με τις μύγες του είδους Drosophila melanogaster. Αρχικά παρατήρησε ότι οι μύγες που έφεραν μεταλλάξεις στο γονίδιο Toll δεν μπορούσαν να προβάλουν αντίσταση σε μολύνσεις από μύκητες ή βακτήρια και πέθαιναν μετά την προσβολή. Στη συνέχεια διαπίστωσε ότι το προϊόν του γονιδίου Toll εμπλεκόταν στην ανίχνευση της παρουσίας των μικροοργανισμών ώστε να μπορέσει ο οργανισμός να προχωρήσει στην «ανέγερση οχυρωματικών έργων». Με άλλα λόγια, διαπίστωσε ότι η πρωτεΐνη Toll λειτουργούσε ως αγγελιαφόρος πληροφορώντας τον οργανισμό για την επίθεση.
Την ίδια χρονική περίοδο τα ερευνητικά ενδιαφέροντα του 54χρονου σήμερα Bruce Beutler αφορούσαν το σηπτικό σοκ, μια απειλητική για τη ζωή υπερ-ενεργοποίηση του ανοσοποιητικού συστήματος. Ο Beutler εργαζόταν με ποντικούς και αναζητούσε τον υποδοχέα επάνω στον οποίο προσδένεται το βακτηριακό προϊόν LPS το οποίο προκαλεί το σηπτικό σοκ. Με έκπληξη ο Beutler διαπίστωσε ότι ο υποδοχέας που έψαχνε δεν ήταν παρά το αντίστοιχο του υποδοχέα Toll στα θηλαστικά. Η εν λόγω πρόσδεση πυροδοτεί την αντίδραση της φλεγμονής που χαρακτηρίζει την επίκτητη ανοσία.
Ο καναδικής καταγωγής Ralph Steinman ήταν μόλις 30 ετών όταν εντόπισε έναν νέο τύπο κυττάρου του ανοσοποιητικού το οποίο ονόμασε δενδριτικό κύτταρο (από την ελληνική λέξη «δένδρο» καθώς το κύτταρο διακλαδίζεται). Παρά την αρχική δυσπιστία των συναδέλφων του, ο Steinman κατέδειξε ότι τα δενδριτικά κύτταρα ενεργοποιούν τα Τ κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος, τα οποία με τη σειρά τους αναπτύσσουν ανοσολογική μνήμη ενάντια στους μικροοργανισμούς που μας επιτίθενται. Αυτή η «συνομιλία» ανάμεσα στα δενδριτικά και στα Τ κύτταρα είναι καθοριστική για την απόφαση του ανοσοποιητικού συστήματος να αντιδράσει έναντι του εισβολέα και όχι έναντι του εαυτού του (όπως συμβαίνει στα αυτοάνοσα νοσήματα).
Κλινικές εφαρμογές
Συνολικά οι τρεις τιμώμενοι με τις ανακαλύψεις τους άνοιξαν τον δρόμο για τη δημιουργία αποτελεσματικότερων εμβολίων αλλά και εμβολίων νέου τύπου τα οποία δημιουργούνται προκειμένου να στρέψουν το ανοσοποιητικό σύστημά μας ενάντια σε καρκινικούς όγκους. Επίσης επέτρεψαν την καλύτερη κατανόηση των φλεγμονωδών και αυτοάνοσων νοσημάτων. Τις δυνατότητες των εφαρμογών των δενδριτικών κυττάρων αποκαλύπτει η συγκινητική ιστορία του Steinman, ο οποίος, σύμφωνα με την ανακοίνωση του Πανεπιστημίου Rockefeller, διαγνώστηκε με καρκίνο του παγκρέατος πριν από τέσσερα χρόνια και παρέτεινε τη ζωή του με ένα εμβόλιο δενδριτικών κυττάρων που σχεδίασε και παρασκεύασε ο ίδιος.
Ι. Σ.
