Від імунної рівноваги до квантових чипів і "розумних" матеріалів. За що дали Нобеля-2025 з фізики, медицини та хімії

"ДС" розібралася, за що присудили головні наукові премії і яку користь для людства несуть відкриття вчених.

Хімія: розробка металоорганічних каркасів

Нобелівська премія з хімії 2025 року присуджена Сусуму Кінагаві (Кіотський університет, Японія), Річарду Робсону (Мельбурнський університет, Австралія) і Омару Ягі (Каліфорнійський університет у Берклі, США) за розробку металоорганічних каркасів – нових пористих матеріалів, які можуть утримувати, фільтрувати та зберігати різні хімічні речовини.

Науковці створили новий тип молекулярних конструкцій із великими порожнинами, через які можуть проходити гази та інші речовини. Ці каркасні матеріали, відомі як металоорганічні структури, відкривають шлях до інноваційних застосувань — від вилучення води з повітря у пустелях і захоплення вуглекислого газу до зберігання токсичних газів і каталізу хімічних реакцій.

"Металоорганічні каркаси мають колосальний потенціал, відкриваючи небачені можливості для створення матеріалів із новими, на замовлення сформованими функціями", — зазначив голова Нобелівського комітету з хімії Гайнер Лінке.

Перші кроки у цьому напрямку зробив Річард Робсон у 1989 році, коли поєднав позитивно заряджені йони міді з чотириарматою органічною молекулою. Отримана структура нагадувала кристал, подібний до діаманта, наповнений численними порожнинами. Втім, цей каркас був нестійким. Вирішальні прориви зробили Сусуму Кітаґава та Омар Ягі, які незалежно один від одного між 1992 і 2003 роками розробили стабільніші та функціональніші версії таких матеріалів.

Кітаґава довів, що гази можуть вільно проникати у структури MOF і виходити з них, а також передбачив їхню гнучкість. Ягі створив надзвичайно стабільний MOF і показав, що його можна цілеспрямовано змінювати, надаючи потрібних властивостей.

Після цих відкриттів хіміки по всьому світу синтезували десятки тисяч різновидів MOF. Вони можуть допомогти у розв’язанні найгостріших проблем людства — очищенні води від PFAS, розкладанні залишків лікарських речовин у довкіллі, уловлюванні вуглекислого газу чи зборі вологи з пустельного повітря.

Загальна сума премії, яка становить 11 мільйонів шведських крон (або 1,16 млн доларів), буде поділена порівну між лауреатами.

Фізика: квантове тунелювання та квантування енергії

Королівська шведська академія наук присудила Нобелівську премію з фізики 2025 року Джону Кларку, Мішелю Г. Деворе та Джону М. Мартінісу "за відкриття макроскопічного квантового тунелювання та квантування енергії в електричному колі".

У 1984 і 1985 роках Джон Кларк, Мішель Деворе та Джон Мартініс провели серію експериментів з електронною схемою, побудованою з надпровідників — компонентів, які можуть проводити струм без електричного опору. Ці експерименти довели, що дивовижні явища квантової механіки можна спостерігати не лише у світі атомів, а й у системах, достатньо великих, щоб утримати їх у руці. У своїх дослідженнях вони створили надпровідне електричне коло, яке здатне "проходити крізь стіну" — переходити з одного стану в інший завдяки явищу квантового тунелювання.

Удосконалюючи та вимірюючи всі різні властивості своєї схеми, вони змогли контролювати та досліджувати явища, що виникали під час проходження струму через неї. Разом заряджені частинки, що рухалися через надпровідник, утворювали систему, яка поводилася так, ніби це була одна частинка, що заповнювала всю схему. Ця макроскопічна система, схожа на частинку, спочатку перебуває в стані, в якому струм тече без напруги. Система застрягла в цьому стані, ніби за бар'єром, який вона не може перетнути. В експерименті система демонструє свою квантову природу, виходячи зі стану нульової напруги за допомогою тунелювання. Зміна стану системи виявляється за появою напруги.

Лауреати також змогли продемонструвати, що система поводиться так, як передбачала квантова механіка. Тобто вона квантована — поглинає або випромінює лише певну кількість енергії, як це передбачає квантова теорія.

Це відкриття демонструє, що квантові ефекти можна контролювати у макроскопічних системах, і воно відкриває шлях до наступного покоління квантових технологій — зокрема квантових комп’ютерів, датчиків і засобів шифрування.

"Їхні експерименти перенесли квантову фізику з мікроскопічного рівня в світ, який ми можемо бачити та торкатися. Це надзвичайно важливий крок у розвитку сучасної науки", — зазначили у Нобелівському комітеті з фізики.

Джон Кларк — професор, фахівець із надпровідності та квантових вимірювань. Мішель Г. Деворе — професор Єльського університету, відомий своїми роботами у сфері квантових електричних ланцюгів. Джон М. Мартініс — професор Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі, один із піонерів створення квантових процесорів. Вони також поділять премію на трьох.

Медицина: за відкриття механізмів, що стримують імунну систему

Лауреатами Нобелівської премії з фізіології або медицини цьогоріч стали Мері Е. Бранкоу, Фред Ремсделл та Шімон Сакаґучі. Вони відзначені "за відкриття механізмів периферійної імунної толерантності, які запобігають атаці імунної системи на власні тканини організму".

Імунна система людини — це потужний захисний механізм, здатний знищувати бактерії, віруси й навіть клітини пухлин. Але без належного контролю вона може почати атакувати власні органи, викликаючи аутоімунні захворювання, такі як діабет 1 типу, ревматоїдний артрит або розсіяний склероз. Відкриття цьогорічних лауреатів пояснило, як організм стримує власний імунний захист, підтримуючи баланс між активністю і толерантністю.

Шімон Сакаґучі ще у 1995 році вперше ідентифікував регуляторні Т-клітини (Treg) — особливий тип клітин, які "вимикають" надмірно активні імунні реакції. У 2001 році Мері Е. Бранкоу і Фред Ремсделл відкрили ген FOXP3, який керує розвитком цих регуляторних клітин. Вони працювали з певним штамом мишей, схильних до аутоімунних хвороб, і з’ясували, що мутації у гені FOXP3 призводять до тяжкого імунного синдрому IPEX у людей. Через два роки Сакаґучі пов’язав ці відкриття, довівши, що саме ген FOXP3 контролює формування клітин, які він описав раніше.

Коли цей ген пошкоджено, імунна система втрачає контроль і починає атакувати власне тіло. Разом ці відкриття показали, як тіло підтримує імунну рівновагу, і заклали основу для нової галузі досліджень — терапії на основі регуляторних Т-клітин, відкривши нові можливості для лікування: роботи лауреатів уже вплинули на розробку інноваційних методів лікування раку, аутоімунних і запальних хвороб, а також сприяли розвитку підходів, що можуть підвищити успішність трансплантацій. Сучасні імунотерапії спрямовані на те, щоб відновлювати або тимчасово вимикати імунну толерантність — залежно від потреби організму.

"Їхні відкриття мали вирішальне значення для нашого розуміння того, як функціонує імунна система і чому не всі ми хворіємо на тяжкі аутоімунні захворювання", — зазначила голова Нобелівського комітету Олле Кемпе. Ці вчені також поділять грошову винагороду на трьох.

Нобелівські премії вручаються з 1901 року. Премії з фізики та хімії присуджує Королівська шведська академія наук, а премію з фізіології або медицини — Каролінський інститут у Стокгольмі. У своєму заповіті 1895 року Альфред Нобель визначив п’ять напрямів, у яких щороку мають вручатися нагороди: фізика, хімія, фізіологія або медицина, література та внесок у справу миру. З 1969 року також присуджується Премія Шведського центрального банку з економічних наук пам’яті Альфреда Нобеля. Право висувати кандидатів мають науковці, попередні лауреати, члени академій наук, національних асамблей, урядів та міжнародних організацій.