Keemia- ning füsioloogia- ja meditsiinipreemiast

Nobeli teaduspreemiatest kirjutades on tavaks käsitleda neid eraldi, erialade kaudu. Käesoleval aastal on kiusatus võtta kahe eriala – keemia ning füsioloogia ja meditsiini – laureaadid ja nende teadussaavutused vaatluse alla ühekorraga.

Põhjuseks on seejuures kaks asjaolu. Esiteks mängivad mõlema preemia puhul olulist rolli ühed ja samad ülilihtsad vee molekulid, mille mõnede omaduste kirjeldamine peaks olema jõukohane igale koolijütsile. Ning vee molekuli valemi üleskirjutamine võiks tänapäeval olla isegi kirjaoskuse mõõdupuuks.

Teiseks põhjuseks on laureaatide erialad. Mõlemad keemiapreemia laureaadid, Peter Agre (Baltimore, USA) ja Roderick MacKinnon (New York, USA), on erialalt meditsiinidoktorid. Meditsiinipreemia laureaatidest üks – Paul Lauterbur (Urbana, USA) – on keemik, ja teine – Peter Mansfield (Nottingham, Inglismaa) – lenduripaberitega füüsik. Selline paradoksaalne laureaatide erialahariduse ning preemiavaldkondade ristvastavus iseloomustab kõige paremini trendi tänapäeva teaduses, kus avastusi tehakse erinevaid erialasid siduvates puutepunktides. 2003. aasta Nobeli teaduspreemiate omistamine näitab ilmekalt, kui suurt rolli tänapäeva meditsiini arengus omavad edusammud keemias ja füüsikas, ning seda, kuidas mitme eriala omandamine võib resulteeruda uutes avastustes.

Kanalid veele ja ioonidele

Rootsi Kuninglik Teaduste Akadeemia otsustas anda Nobeli keemiapreemia avastustele, mis on seotud vee molekulide ja mitmesuguste ioonide liikumisega rakumembraani kanalites. Vee molekulid on looduses ühed enamlevinud, sealhulgas moodustavad nad elusorganismide kogukaalust 50–99 protsenti. Täiskasvanud inimese kogukaalust kaks kolmandikku annab vesi, millest lõviosa on seotud organismi umbes 1011 rakuga. Vesi on transpordikeskkonnaks, mille abil mitmesugused ained, millistest olulise osa moodustavad ka soolad, liiguvad rakkude vahel, tagades kogu organismi tõrgeteta funktsioneerimise. Nii näiteks töötlevad inimese neerud ööpäevas läbi umbes paarsada liitrit vesilahust, millest ainult umbes 0,5 protsenti eemaldatakse organismist kui mittevajalik, seda siis uriini näol. Sama oluline on vee ja soolade transport ning tasakaal mis tahes teistes rakkudes, olles otsustava tähtsusega kõigi elundite ja närvisüsteemi töös.

Peter Agre teeneks on selliste rakumembraani proteiinide isoleerimine, mille abil moodustuvad vee molekule läbi laskvad kanalid, kus ioonide liikumine on ühtlasi blokeeritud. Agre näitas elegantse eksperimendi kaudu nende proteiinide funktsioneerimise efektiivsust. Ta on ka taoliste proteiinide ristiisaks, nimetades nad akvaporiinideks. Inimorganismis teatakse olevat üksteist erinevat akvaporiinilaadset proteiini, mõnedes taimedes on neid mitmeid kordi enam. Akvaporiinid on paljudel juhtudel seotud organismi konkreetsete talitlusfunktsioonidega, nad on see n-ö molekulaarne baas, mis võimaldab aru saada füsioloogilistest protsessidest ning neid meditsiiniliselt mõjutada.

Lisaks vee molekulidele on närvisüsteemi ja lihaste funktsioneerimisel ülioluline roll ioonidel. Juba 1890. aastal näitas Lätimaa mees Wilhelm Ostwald, kelle Nobeli keemiapreemia (1909) kuulsus kuldab ka Tartu Ülikooli (vt Horisont 5/ 2003), et ioonide liikumine läbi rakumembraani põhjustab kudedes elektrilisi signaale. Närviimpulsside ülekande selgitamine rakumembraani läbiva kaaliumi ja naatriumi ioonide transpordimehhanismi kaudu pälvis 1963. aastal Nobeli füsioloogia- ja meditsiinipreemia, kuid protsessi olemus molekulaarsel tasemel polnud siis veel sugugi selge. Teati üksnes, et raku tasemel peavad ioonidel olema oma kanalid. Samas näidati, et ioonkanal, mida läbivad kaaliumi ioonid, filtreerib välja naatriumi ioonid, ehkki viimased on mõõtmetelt väiksemad.

Roderick MacKinnoni teene seisneb selles, et ta selgitas välja ioonkanalite struktuuri. Selleks tuli saada kristalsel kujul piisavas koguses ioonkanalit moodustavat proteiini, mille ruumiline struktuur määrati röntgenkristallograafiliselt. Õnnestus ka selgitada, miks kaaliumi ioonide kanalit ei läbi väiksemad naatriumi ioonid.

Vesiniku aatomite tuumi kaardistades

Kui tänavuste Nobeli keemialaureaatide tööd näitavad meile, kuidas vee molekulid liiguvad rakkude vahel, siis meditsiinilaureaatide keemik Paul Lauterburi ja füüsik Peter Mansfieldi teene on niisuguse komplementaarse meetodi väljatöötamine, mis võimaldab kaardistada vee molekulide arvu ja omadusi rakkudes ning kudedes. Praktikas realiseerub see võimaluses visualiseerida siseorganeid ja kasutada saadavat informatsiooni meditsiinilises diagnostikas. Meetodiks on magnetresonantstomograafia (MRT, inglise keeles magnetic resonance imaging, MRI), mis põhineb tuumamagnetresonantsspektroskoopial (TMR), mille eest on varemgi korduvalt jagatud Nobeli preemiaid nii füüsika kui keemia alal, sealhulgas viimati möödunud aastal (vt Horisont 6/2002). Meditsiinivaldkonda nihkudes on nimetusest kõrvale heidetud side aatomituumadega, mis võiks patsiente hirmutada, kutsudes esile assotsiatsioone tuumapommiga. MRT on olnud praktilises kasutuses juba üle paarikümne aasta. Hinnatakse, et tänapäeval on maailmas käigus umbes 22 000 MRT-instrumenti, millel aasta jooksul läbiviidavate uuringute arvu hinnatakse 60 miljonile. Eestis on momendil kaks MRT-instrumenti ning aastas läbiviidavate uuringute arv on umbes 10 000.

Signaalide registreerimiseks MRT abil kasutatakse magnetvälja asetatud vesiniku aatomite tuumade omadust neelata raadiolainete energiat. MRT-instrumendi põhikomponendiks on magnet, mille poolt tekitatava magnetvälja tugevus võib ületada kümneid tuhandeid kordi maa magnetvälja tugevuse. Lisaks on see instrument reeglina ka veel nii suur, et sellesse mahub patsient koos kõigi oma vee molekulides olevate vesiniku aatomite tuumadega. Kujutiste saamiseks patsiendi erinevatest elunditest rakendatakse neile lisaks suure magneti püsimagnetväljale veel teatavaid magnetvälja gradiente ning raadiolainete impulsse, seejärel registreeritakse patsiendi vesiniku aatomite tuumade reaktsioon genereeritud ergastusele. Saadud andmete põhjal on võimalik arvuti abil konstrueerida erinevate elundite kujutisi, mis annavad asendamatut informatsiooni meditsiiniliseks diagnostikaks.

Paul Lauterbur ja Peter Mansfield on tuntud teadlased TMR-i erialal. Allakirjutanut on Paul Lauterburi tööd süsinik-13 spektrite kohta 1960. aastatest otseselt mõjutanud kitsama uurimissuuna valikul. Paul Lauterburi ja Peter Mansfieldi teeneks on magnetvälja gradientide kasutamisel põhinevate metoodikate väljaarendamine kahe- ja kolmedimensiooniliste kujutiste saamise eesmärgil.

Kuna olemasolevate teadmiste põhjal magnetväli tervist ei kahjusta, peetakse MRT-d ohutuks, võrreldes näiteks röntgenikiirgusel põhinevate meetoditega, sealhulgas kompuutertomograafiaga. MRT on osutunud eriti kasulikuks aju- ja selgroouuringutel. Viimastel aastatel on tehtud suuri edusamme multiskleroosi diagnoosimisel MRT abil, MRT-st on saanud oluline diagnostikavahend kirurgiliste operatsioonide planeerimisel, vähidiagnostikas ja mujal.

TÕNIS PEHK (1939) on Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudi asedirektor, keemiadoktor.