Serge Haroche

IMG_4704” by Bengt Nyman (CC BY 2.0)

David J. Wineland

IMG_4730” by Bengt Nyman (CC BY 2.0)

 

Likt The Hobbit-fanatikerna campar utanför biograferna för att försäkra sig om en biljett till premiären, hänger jag på låset till Aula Magna-byggnaden på Stockholms Universitet kl. 7.20 för att försäkra mig om att komma in och lyssna på Nobel-pristagarnas föreläsningar som började 9.00. Jag är frusen, trött och hungrig, men jag är inte beredd för att offra min köplats för att gå och värma mig inne på pressbyrån med en varm kopp kaffe. NEJ, nyfikenheten för att få reda på mer om Haroches fotonfälla, Winelands jonfälla, och om Lefkowitz och Kobilkas kartläggning om G-proteinkopplade receptorer, övertar övertar  mitt förnuft.

 

Vi är ett tiotal personer som är allra tidigast ute vid sjutiden. En av dem är tyska utbytesstudenten Merle som studerar svenska och matematik vid Stockholms Universitet under en termin. För henne är fysikföreläsningen den mest intressanta, eftersom det är hennes huvudämne i Tyskland. När jag frågar henne vad det är som får henne att komma hit så tidigt en helgmorgon svarar hon att det är en självklarhet att man ska ta chansen att lyssna på Nobelföreläsningarna när hon är i Stockholm. Hon tillägger, ”…jag vill veta vad som är viktigt i nutidens forskning, och även om jag inte förstår allt så vill jag få en bättre förståelse för forskningens framtid”.

 

När det samlas mer folk utanför aulan, får jag en bättre känsla över vilken typ av människor som kommer för att lyssna på Nobel-pristagarna. Bland kemi-professorer, fysiker, forskare och ingenjörsstudenter inser jag ganska snabbt att det inte är läge att ta fram matte 3c boken för att plugga inför nationella, om mitt mål är att smälta in i mängden. Jag börjar samtala med japanska utbytestudenten Ryosuke Shimizu, som studerar för närvarande kemiteknik vid KTH. Precis som Merle,så är han här för fysikföreläsningen och hoppas att han kommer att få inspiration och motivation till hans egna forskning. En äldre man framför mig skrattar hjärtligt över mina svårigheter att stava Ryosuke Shimizus namn. Han heter Thomas Michel, professor vid Harvard school of Medicine och har rest ända från Boston för att komma och fira Nobelpristagarna, främst kemipristagarna då han gjorde sina graduate studies i kemi för Robert J. Lefkowitz. Michel tillägger att firandet fortsätter med middag på Fotografiska. Han ser mycket fram emot att höra sin goda vän tala, då denne har slitit många år med sin forskning, och Michel ser själv fram emot att delta i de arrangerade aktiviteterna i samband med Nobel-firandet.

Robert J. Lefkowitz

IMG_4716” by Bengt Nyman (CC BY 2.0)

Brian K. Kobilka

IMG_4765” by Bengt Nyman (CC BY 2.0)

Äntligen börjar föreläsningarna och först ut är fysikföreläsningen. Serge Haroche börjar och sedan är det David J. Winelands tur. De är båda belönade för sina insatser inom kvantfysiken, läran om materians och energins beteende på mikroskopisk nivå. Deras upptäckter har gjort det möjligt att utföra experiment som man förr inte trodde var möjligt på grund ut av kvantfysikens paradoxer, nämligen att en enskild kvantpartikel uppträder enligt helt andra fysiska lagar än flera ihopklumpade partiklar. En enskild partikel kan inta flera kvanttillstånd, dvs superposition. Superposition innebär att samma partikel kan inta två platser samtidigt, vilket går emot vår intuition som är präglad av den klassiska mekaniken, som gäller vid makroskopisk nivå. Till exempel, det är omöjligt för en morot att befinna sig på två platser samtidigt, men om det skulle ha varit en ”kvantmorot” (minsta beståndsdelen av en morot) så hade den kunnat vara det, eftersom en kvantpartikel följer andra fysiska lagar. Frågan är hur stor en ”kvantmorot” måste vara innan det blir en morot? Med andra ord, var går gränsen för när man ska börja applicera lagarna från kvantfysik till de klassiska fysiklagarna?

Schrödinger kritiserade de tankeexperiment som utfördes av bl.a Einstein och Bohr. Han menade att dessa ledde till absurda konsekvenser, då de flesta tankeexperiment utgick från att man experimenterade med endast en elektron eller atom, när man inte experimenterade med sådana små beståndsdelar i verkligheten.  Dessa tankeexperiment skulle leda till absurda konsekvenser, vilket han visade genom ett egna tankeexperiment, ”Schrödingers katt” (se förra nummrets Nobelartikel för mer info om Schrödingers katt).

 

Det som Serge Haroche och David J Wineland har lyckats göra är att isolera en enskild partikel utan att den förlorar dess kvantegenskaper. På detta sätt kan man alltså utföra tankeexperimenten i praktiken! Haroche tillägger lite skämtsamt att man inte kanske kan göra det på Schrödingers katt, utan lite mer trovärdigt på Schrödingers kattungar. Väldigt små kattungar, lite större än en elektron. Det han menar att man inte kan göra experiment med för stora kvantpartiklar ännu.

Som jag nämnde i förra nummret av VRGDT, så har Haroches och Winelands metoder många likheter. Båda modellerna är fällor, men de har fängslat två olika saker: Haroches modell fångar ljusfotoner och mäter och styr dem genom att skicka in atomer i fällan, medan Wineland fångar atomer, joner, och skickar in ljusstrålar,laser, för att mäta och styra dem.

Winelands jonfälla

 

 

Haroches fotonfälla

En av de stora möjligheterna med denna upptäckt är att det kan vara nyckel till en ny datorrevoultion: kvantdatorn. Dagens dator kan en bit antingen vara 0 eller 1, men med den nya kvanttekniken kan en kvantbit vara 0 och 1 på samma gång.  Alltså, n bits kan anta n*1 värden, medans n kvantbits kan anta 2^n värden, 0 och 1. Det är en enormt kraftigare dator, som skulle kunna göra komplicerade uträkningar väldigt snabbt. Forskare förutspår att kvantdatorn skulle ha samma genomslag som när den klassiska datorn kom ut.

 

Näst ut är kemipristagarna,Robert J. Lefkowitz och Brian K Koblika som har hittat receptorerna som kopplar ihop våra sinnesuttryck till proteiner i våra celler.Förr har man inte vetat hur cellerna kommunicerade med varandra för att kunna samarbeta. Receptorerna aktiveras av tex adrenalin, smak, ljus, temperatur etc. Ett exempel är hur hela kroppen samarbetar vid flykt responsen. Adrenalinet är hormonet som triggar igång cellen via receptorn. Hela kroppen samverkar vid denna reflex: pulsen ökar, blodet går från magsmältningssystemet till musklerna, pupillerna blir större för bättre syn etc. Det som man har använt denna upptäckt är för att rikta in läkemedel på specifika celler, vilket har minskar biverkningar avsevärt.

Receptorn består av 7 helixar som ser ut som stavar och sitter innbäddad i cellväggen. Receptorns funktion är att kommunicera mellan hormonet,som aldrig går in i cellen, och cellen, för att aktivera rätt G-protein. Nedan ser ni en sammanfattning hur receptorn för hormon-protein dialogen vidare.

1. Hormonet binds till receptorn

2. Hormonet får receptorn att ändra form. Ändrad form leder till att det får plats G-proteiner i andra ändan av receptorn.
3. G-proteinet binds till receptorn, i ”fickorna” som har skapats tack vare hormonet.
4. G-proteinet lämnar receptorn för att utföra sina uppgifter. Så länge hormonet sitter kvar i receptorn, kan nya G-proteiner bindas till receptorn.
4. G-proteinet lämnar receptorn för att utföra sina uppgifter. Så länge hormonet sitter kvar i receptorn, kan nya G-proteiner bindas till receptorn.

Man har vetat att receptorerna har funnits sedan slutet av 1800-talet, men man har inte kunnat hitta dem förräns nu, då receptorerna ligger inbäddade i cellväggen och det finns endast ett fåtal i varje cell. Lefkowitz kunde lokalisera receptorerna genom att göra ett hormon radioaktivt, vilket gjorde att hormonets väg kunde följas till receptorns gömställe! Det man även upptäckte var att det fanns en hel familj av receptorer, där alla tar upp olika hormoner. Alla receptorer ser i princip likadana ut, men som visat ovan, ska hormonet in i en ”ficka”, vilket medför att receptorer har möjlighet att ta upp olika hormoner. Adrenalin skulle till exempel inte få plats i samma receptor som dopamin, då dopamin och adrenalin har olika utseende och storlek.

Lefkowitz hade hittat receptorn, men visste inte hur kristall-strukturen såg ut. Det tog Kobilka över 20 år att få fram receptorn i kristallform. Kristaller har en väldigt regelbunden och ordnad struktur, och proteiner måste vara så stilla som rörligt som möjligt för att kunna kristalliseras. G-protein kopplade receptorer innehåller oregelbundna pusselbitar som sitter ihop på ett mycket speciellt sätt, och de är dessutom mycket rörliga, vilket gör det svårt för forskarna att få fram receptorn i kristallform. Men efter över 2 årtionden lyckades Kobilka få fram kristallen av en G-protein kopplad receptor. Strukturen hjälpte forskarna att lösa mysteriumet om receptorernas funktion, men Kobilkas kreativa metoder att få fram kristaller har också gjort det möjligt att ta fram kristaller av andra komplexa proteiner.

Nobelpristagarna ger en detaljerad inblick av deras hårda och långa arbete till deras upptäckt. Med mina gymnasium-kunskaper i kemi och fysik är det svårt att hänga med på allt de säger, då de visar upp avancerade Matlab-diagram, foton på 2D-kristaller och 3D simulationer av G-protein-kopplade receptorer. Plötsligt känns matte 3 nationella som en baggis. Men det är inte bara avancerat fackspråk man får höra. Man kan inte låta bli att le när man hela tiden får höra torra skämt om Schrödingers katt eller internskämt om forskarnas projekt då endast Nobelpristagarnas vänner och kolleger på parkett tycks förstå skämten.

 

När jag går ut ur Aula Magna, är det helt annorlunda från när jag kom dit på morgonen. Solen skiner, folk är ute på campuset och snön gnistrar. Även fast jag är långt ifrån att bli kvantfysiker eller kemist, så har jag fått med det som tyskan Merle hoppades få med sig hem efter denna dag. Även fast jag inte förstod allt, så har jag fått en ökad förståelse för vad som händer i nutida forskning, och vad som blir viktigt i framtiden.

 

termer att förstå om man vill veta mer om Nobelpristagarnas upptäckter:

superposition- en kvantpartikel i superposition kan befinna sig i flera energitillstånd och platser samtidigt.

kvantmekanisk sammanflätning- om två eller flera kvantpartiklar kan känna av varandras egenskaper trots att de inte har fysisk kontakt med varandra.

Rydbergs atom- atomen som användes i Haroches  fälla. Atomen har fått sitt namn efter svenska fyskern Johannes Rydberg. Atomen har blivit extremt exciterad, vilket får elektronen att hoppa ut till högre energitillstånd, vilket för elektronen längre ifrån lärnan. Denna atom har en radie på 125 nanometer vilket är tusenfalt större en än vanlig atom. En megastor atom alltså.

G-protein- triggar kemiska reaktioner i cellen som påstartar cellens metabolism.

alpha-receptor- första typen av receptor som svarar på adrenalin. simulerar blodcellerna

beta-receptor- andra typen av receptor som svarar på adrenalin,simulerar hjärtat. (notera att betablockerare är medicin som skyddar hjärtat från adrenalin, för att skydda mot stress. Som namnet antyder, blockar läkemedlet beta-receptorn, vilket gör att dialogen mellan hormon och cell är avbruten)

 

Nanna Olsson
nann.olss-2014@live.vrg.se

Samtliga bilder som inte är CC licenserade  tillhör Nanna Olsson. Samtliga  animeringar och instruktioner är skapade av Nanna Olsson  och tillstånd har givits att använda dessa i den här artikeln.