Nobla w dziedzinie chemii otrzymali twórcy nowych narzędzi do badania białek: David Baker (Uniwersytet w Waszyngtonie) oraz Demis Hassabis i John M. Jumper (Google DeepMind, Wielka Brytania). Zostali wyróżnieni za projektowanie i przewidywanie trójwymiarowej struktury białek. Jak powiedział Heiner Linke, przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie chemii: „Jedno z odkryć docenionych w tym roku dotyczy budowy spektakularnych białek. Drugie dotyczy spełnienia 50-letniego marzenia: przewidywania struktur białek na podstawie ich sekwencji aminokwasowych. Oba te odkrycia otwierają ogromne możliwości”.

Jakie możliwości

Białka składają się zazwyczaj z dwudziestu różnych aminokwasów, które można opisać jako elementy składowe życia. Davidowi Bakerowi udało się wykorzystać te elementy do zaprojektowania zupełnie nowego białka, które nie przypominało żadnego innego wcześniej znanego. Od tego czasu jego grupa badawcza tworzyła kolejne białka, które można dziś wykorzystać jako produkty farmaceutyczne, szczepionki, nanomateriały i miniaturowe czujniki. Drugie odkrycie polega na możliwości przewidywania struktur białek. W białkach aminokwasy są połączone ze sobą w długie łańcuchy, które tworzą trójwymiarową strukturę decydującą dla funkcji białka. Od lat 70. XX wieku naukowcy próbowali przewidywać takie białkowe struktury na podstawie sekwencji aminokwasów, ale było to niezwykle trudne. W 2020 r. jednak nastąpił przełom – Demis Hassabis i John M. Jumper wymyślili i pokazali światu model sztucznej inteligencji (AI) o nazwie AlphaFold2. Może on przewidzieć strukturę praktycznie wszystkich 200 mln znanych nauce białek! Od tego czasu AlphaFold2 był używany przez ponad 2 mln ludzi ze 190 krajów. Narzędzie to sprawia, że naukowcy mogą dużo lepiej zrozumieć oporność na antybiotyki czy tworzyć obrazy enzymów, które mogą rozkładać plastik.

Rewolucja w wielu dziedzinach

Nobel z fizyki trafił do Johna Josepha Hopfielda (emerytowany profesor Uniwersytetu w Princeton) oraz do Geoffreya Hintona (Uniwersytet w Toronto). Obaj uczeni mają ogromny wkład w rozwój sztucznej inteligencji. Ich odkrycia są rewolucyjne z punktu widzenia nie tylko fizyki, ale też wielu innych dziedzin nauki, m.in. informatyki i biologii.

John Hopfield, prowadząc badania nad sieciami neuronowymi, opracował w latach 80. ubiegłego wieku model Hopfielda, dzięki któremu wiadomo, jak wzorce informacji mogą być przechowywane i przetwarzane przez układ naśladujący pracę mózgu (mówiąc prościej: mimo że maszyny nie potrafią myśleć, mogą jednak naśladować takie funkcje jak pamięć czy uczenie się). Dzięki badaniom Hopfielda rozumiemy dziś, w jaki sposób sieci neuronowe mogą przechowywać wspomnienia, a także uczyć się nowych rzeczy na podstawie otrzymanych danych.

Sieć Hopfielda wykorzystał Geoffrey Hinton (nazywany ojcem chrzestnym sztucznej inteligencji) i na tej bazie stworzył maszynę Boltzmanna, która jest w stanie nauczyć się rozpoznawać charakterystyczne elementy w danym typie danych. Hinton, rozwinąwszy osiągnięcia Hopfielda, stworzył podwaliny pod głębokie uczenie maszynowe (deep learning).

Komitet Noblowski, starając się nieco bardziej wyjaśnić te skomplikowane dla przeciętnego odbiorcy odkrycia, tak uzasadnił swój wybór: „Uczenie pozostaje jedną z najbardziej fascynujących zdolności ludzkiego umysłu. Odróżniamy obrazy, mowę i łączymy je z poprzednimi doświadczeniami. Miliony neuronów dają nam wyjątkowe zdolności poznawcze. Sztuczne sieci neuronowe inspirowane są właśnie takimi sieciami w naszych mózgach. (...) Tegoroczni laureaci wykorzystali podstawowe koncepcje fizyki statystycznej, aby opracować sztuczne sieci, które tworzą pewne wzorce na podstawie zbiorów danych. Te sieci są wykorzystywane do rozwoju tak różnych dziedzin, jak fizyka materiałów czy astrofizyka. Jest to również część naszego obecnego życia”.

Droga do nowych terapii

Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny otrzymali Victor Ambros, biolog rozwojowy, i Gary Ruvkun, biolog molekularny. Udowodnili istnienie i działanie mikroRNA (to maleńkie cząsteczki RNA, które odgrywają kluczową rolę w regulacji genów). Ich odkrycie pokazało zupełnie nową zasadę regulacji genów niezbędną dla organizmów wielokomórkowych, w tym ludzi. Pomoże to w zrozumieniu rozwoju wielu chorób, np. nowotworów, cukrzycy czy chorób autoimmunologicznych.

Z DNA, które jest w naszym organizmie nośnikiem informacji genetycznej, do RNA przepływa taka właśnie indywidualna informacja genetyczna. W dalszym procesie mRNA (RNA przekaźnikowe) kieruje produkcją białek w komórce. Białka, jako podstawowe elementy budulcowe organizmu, odpowiadają za jego kluczowe funkcje, dlatego też kontrola tego, które geny są przekształcane w białka, jest kluczowa dla życia. Okazuje się, że odkryte mikroRNA mają wpływ na zrealizowanie danej instrukcji genetycznej, ale mogą też zakłócać zaplanowaną produkcję białek. Nieprawidłowe funkcjonowanie, a także mutacje w genach kodujących mikroRNA mogą zatem prowadzić do poważnych zaburzeń. Odkrycia Ambrosa i Ruvkuna umożliwiły lepsze zrozumienie procesu regulacji genów, a co za tym idzie – precyzyjniejszą diagnostykę i pracę nad nowymi terapiami.

Od ponad stu lat

Nagroda Nobla jest wyróżnieniem ustanowionym w testamencie fundatora – Alfreda Nobla, szwedzkiego przemysłowca, wynalazcy dynamitu. Zgodnie z jego wolą jest przyznawana od początku XX wieku w pięciu dziedzinach (fizyka, chemia, medycyna lub fizjologia, literatura i działania na rzecz pokoju). Na nagrodę składają się złoty medal, dyplom oraz nagroda pieniężna zależna od wysokości funduszu, jakim dysponuje Fundacja Nobla. Wyróżnienia wręczane są 10 grudnia, w rocznicę śmierci Alfreda Nobla.

W ponadstuletniej historii przyznawania Nagrody Nobla jej przyjęcia odmówiło sześciu kandydatów, w tym cztery osoby zrobiły to z obawy przed represjami ze strony władz. Do tej pory odnotowano niemal pięćdziesiąt sytuacji, kiedy nagroda w którejś z dziedzin nie została przyznana w danym roku. Pierwotnie (zgodnie z wolą fundatora) wyróżnienie przyznawane było za odkrycia dokonane w tym samym roku, teraz jednak nagrody przyznawane są z pewnym opóźnieniem, by mieć pewność, że dane odkrycie przetrwa próbę czasu.

Polacy otrzymali to wyróżnienie dziewięciokrotnie: w 1903 r. (Maria Skłodowska-Curie, fizyka), 1905 r. (Henryk Sienkiewicz, literatura), 1911 r. (Maria Skłodowska-Curie, chemia), 1924 r. (Władysław Reymont, literatura), 1980 r. (Czesław Miłosz, literatura), 1993 r. (Lech Wałęsa, działania na rzecz pokoju), 1995 r. (Józef Rotblat, działania na rzecz pokoju), 1996 r. (Wisława Szymborska, literatura) i 2019 r. (Olga Tokarczuk, literatura).

Tegorocznemu rozdaniu nagród towarzyszył polski akcent – John Joseph Hopfield ma polskie korzenie, jego ojciec urodził się w Płocku.