In direzione ostinata contro i pregiudizi: Gertrude Elion

Negli anni Quaranta una donna in un laboratorio era una rarità, ma Gertrude Elion aveva ben in chiaro quale era la strada che voleva percorrere: trovare un farmaco contro il cancro. I suoi studi le sono valsi il premio Nobel nel 1988

“Mi chiedono spesso se il premio Nobel sia sempre stato l’obiettivo della mia vita e io rispondo che sarebbe stata una follia. Nessuno dovrebbe puntare al premio Nobel, altrimenti se non lo raggiungi significa che la tua vita è stata sprecata. Quello a cui ambivo era far stare meglio le persone, e questa soddisfazione è molto maggiore di quella che ti può dare qualsiasi premio”. Lo diceva Gertrude Elion in età avanzata, quando il riconoscimento dell’Accademia Reale di Stoccolma le era già stato conferito, pensando però alle tantissime persone che erano state meglio (e moltissime continuano a farlo) grazie alle sue scoperte: i malati di leucemia che vengono curati con la mercaptopurina, i trapiantati che prendono l’azatioprina per bloccare il rigetto degli organi, i malati di artrite reumatoide che la usano come parte della terapia. Ma lo studio di nuovi metodi per produrre nuovi medicinali messo a punto dalla Elion, i suoi colleghi al Burroughs Wellcome e da due intere generazioni di chimici, biochimici, farmacologi e biologi che lei ha formato ha prodotto anche l’acicloguanosina (aciclovir) usata per le infezioni da herpes (HSV, che provoca malattie come il fuoco di Sant’Antonio e la varicella), la pirimetamina impiegata contro la malaria e, in casi particolari, la toxoplasmosi. E pensare che quando cercava senza successo un impiego come chimica, all’inizio degli anni Quaranta del Novecento, si sentiva ripetere lo stesso ritornello: “ha le qualifiche giuste, ma non abbiamo mai avuto una donna in laboratorio e questo potrebbe essere una distrazione”. Leggi tutto “In direzione ostinata contro i pregiudizi: Gertrude Elion”

Nobel per la Chimica 2016 alle macchine molecolari

Ricordate il film Viaggio allucinante, in cui un’equipe veniva miniaturizzata per andare a rimuovere un embolo direttamente dentro al corpo del paziente? Si tratta di uno scenario da fantascienza (non a caso era coinvolto Isaac Asimov) che però potrebbe non essere più così lontano. Gli scienziati non hanno inventato un sistema per miniaturizzare loro stessi e una navicella, ma hanno scoperto come poter costruire macchine molecolari, capaci di operare su scala micrometrica e nanometrica. È per «la progettazione e la sintesi di macchine molecolari» che Jean-Paul Sauvage, Fraser Stoddard e Bernard Faringa hanno ricevuto il Nobel per la Chimica 2016.

Nel 1983 il francese Jean-Paul Sauvage è il primo scienziato a riuscire a unire due molecole di forma circolare come due anelli di una catena. È la prima volta che due molecole sono legate tra loro da un legame meccanico e non da un legame chimico. Nella struttura studiata da Sauvage, e chiamata catenano, infatti non ci sono legami chimici, e le molecole hanno una relativa liberta l’una rispetto all’altra. Questa libertà è una caratteristica fondamentale se si vuole che i macchinari possano svolgere una funzione. Il lato sorprendente di questa scoperta è stato riuscire a “chiudere” uno degli anelli sull’altro evitando che si formassero legami covalenti.

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Nobel per la Fisica 2016 agli strani mondi di Flatlandia

Racconta Edwin A. Abbott di Flatlandia, uno strano luogo a due sole dimensioni, dove alcune abitudini del nostro mondo in 3D diventano assurde e altri fenomeni, per noi strani, emergono. Il libro, pubblicato nel 1884 in Gran Bretagna, è diventato un classico della divulgazione matematica e ha fatto riflettere generazioni di studenti. Fuor di metafora letteraria, qualcosa di analogo deve essere successo all’inizio degli anni Settanta del Novecento, quando Michael Kosterlitz and David Thouless, due dei Nobel di quest’anno, hanno dimostrato che, nonostante quello che si pensasse all’epoca, in strati sottili di materia al limite della pura bidimensionalità, fenomeni di superconduttività e superfluidità erano possibili. Per questo motivo, assieme a F. Duncan M. Haldane, l’Accademia delle Scienze di Stoccolma ha deciso di assegnar loro il Premio Nobel per la Fisica 2016 per «per le loro scoperte teoriche sulle transizioni di fase topologiche e sulle fasi topologiche della materia».

La fisica di queste flatlandie è molto diversa da quella che possiamo vedere attorno noi: anche se la materia che costituisce uno di questi sottilissimi strati è in realtà un insieme di milioni di atomi (il comportamento di ognuno dei quali può essere spiegato con la fisica quantistica), essi presentano proprietà completamente, come quelle che vengono descritte usando la parola ‘super’. Nel caso della superconduttività, si fa riferimento a una proprietà dei materiali che presentano resistenza nulla al passaggio di corrente elettrica, mentre per superfluidità si intende uno stato della materia che non presenta viscosità (per cui, per esempio, un vortice può continuare indefinitamente a ruotare).

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La banalità del genio: John Bardeen e la scoperta del transistor

Che cosa significa essere considerato un genio della scienza? La vita normale dell’unico scienziato che ha vinto due volte il Nobel per la Fisica e che proprio sessant’anni fa andava a ritirare quello per la scoperta del transistor

Nell’immaginario collettivo, specialmente nelle sue declinazioni più popolari, l’immagine dello scienziato geniale è quella di un uomo eccentrico, dalla vita interessante e straordinaria. Ci vengono alla mente la storia tragica di Alan Turing (raccontata anche in un bel libro a fumetti di qualche anno fa), la malattia mentale di John Nash, il sarcasmo tagliente espresso dalla voce sintetica di Stephen Hawking (visto anche al cinema ne La teoria del Tutto). Storie che, non a caso, sono diventate altrettanti film per il grande pubblico. Se guardiamo più indietro, troviamo l’eccentrica vita di Richard Feynman che suonava i bonghi in aula o quella di Albert Einstein, uno che faceva le boccacce ed è diventato suo malgrado un’icona del Novecento, una vera rockstar.

Raramente ricordiamo personaggi poco conosciuti, ma di sicuro talento. Come John Bardeen, fisico americano che sessant’anni fa, nel 1956, andava a ritirare a Stoccolma il premio Nobel per la Fisica per la scoperta del transistor, un componente elettronico miniaturizzabile che ha permesso la nascita dell’elettronica di consumo. In Svezia, caso unico nella Fisica, torna anche nel 1972 per un secondo premio per la spiegazione della superconduttività. Ricordato come un grande appassionato di golf e un padre amorevole, ha avuto una vita lineare, senza grandi sussulti, quasi noiosa, che difficilmente arriverà sul grande schermo. Eppure, i due premi Nobel sono lì a ricordare a tutti il suo ruolo nel rivoluzionare le nostre vite.

 

Chi è John Bardeen?

John Bardeen nasce il 23 maggio del 1908 a Madison, nel Wisconsin, in un famiglia in cui la scienza era di casa. Suo padre, Charles Russell è il primo preside della Medical School dell’Università del Wisconsin, e lo incoraggia allo studio, in particolare della matematica, per la quale dimostra fin da subito un grande talento. Potrebbe diplomarsi anche prima, ma è nel 1923, a quindici anni, che entra all’università, scegliendo la facoltà di ingegneria. Se la prende relativamente comoda, interrompendo gli studi per oltre un anno per lavorare a Chicago. Si laurea con un anno in ritardo rispetto alla norma, nel 1928, ma comunque a soli vent’anni.

Negli anni Trenta non sa ancora quale sia la strada che vuole davvero prendere. Lavora per qualche tempo a Pittsburgh (Pennsylvania), alla Gulf Oil, una delle principali aziende petrolifere americane, studiando come effettuare al meglio i prospetti geologici per individuare potenziali giacimenti. Poi studia a Princeton, dove approfondisce la matematica e la fisica, e scrive una tesi di dottorato su problemi di fisica della stato solido. Dal New Jersey passa a Harvard per qualche anno, ma la Seconda Guerra mondiale lo vede richiamato dalla marina per lavorare al Naval Ordnance Laboratory di Washington D.C., ma il lavoro non gli piace molto.

 

Che cosa ha scoperto?

È con il finire della guerra che la vita di Bardeen prende una direzione intellettuale chiara e definitiva. Ha bisogno di un lavoro per mantenere la famiglia che tra il 1939 e il 1944 si è allargata con l’arrivo di tre figli: James, William ed Elizabeth avuti dalla moglie Jane Maxwell sposata nel ’38 e che gli starà sempre a fianco. Così, dal 1945 lavora ai Bell Laboratories, il ramo di ricerca e sviluppo dell’omonima compagnia telefonica americana, alla ricerca di un’alternativa efficace agli amplificatori di segnale in uso allora, basati sui tubi a vuoto. Il gruppo di lavoro è formato, oltre che da Bardeen, che si prende in carico la parte più teorica del progetto, da Walter H. Brattain, che si occupa della effettiva costruzione dei prototipi, e William B. Shockley, il più giovane (è del 1910), ma anche il responsabile del progetto.

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Marvin Kelly nel 1928 con in mano un tubo a vuoto ai Bell Laboratories con William Wilson. Kelly sarà presidente dei Bell Labs dal 1951 al 1959 (Immagine: History of Engineering and Technology)

Per la compagnia telefonica, il progetto è essenziale allo sviluppo dell’attività. L’amplificazione del segnale, infatti, è un nodo cruciale dello sviluppo della rete telefonica e della qualità delle comunicazioni: l’aumento del voltaggio del segnale – di questo si tratta – permette infatti di mettere in movimento le membrane degli altoparlanti. Ma i tubi a vuoto impiegati negli anni Quaranta hanno dei limiti: sono fragili, si surriscaldano molto e quindi hanno bisogno di molto spazio per un’adeguata ventilazione. La fisica dello stato solido è il pane di Bardeen, che crede che un risultato sia a portata di mano. Già alla fine del 1947, infatti, i tre presentano il primo prototipo funzionante di transistor.

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Replica del transistor presentato nel ’47-’48 da Bardeen, Brattain e Shockley (Immagine: Wikimedia Commons)

Come funziona il transistor?

La storia dei transistor è molto variegata, e nel corso dei decenni ne sono stati realizzati di diversi tipi. Quello realizzato da Shockley, Brattain e Bardeen è costituito da un blocchetto di germanio, un semiconduttore, e due contatti estremamente vicini costituiti da due lamine d’oro attaccate a un triangolo di plastica pressato contro il germanio da una molla. Senza addentrarsi nei dettagli (che si possono comunque trovare in questo video di Veritasium), l’aspetto fondamentale che Bardeen comprende è che, affinché l’apparato funzioni, il germanio non deve essere puro, ma presentare uno strato esterno, estremamente sottile, in cui c’è una carenza di elettroni (semiconduttore di tipo p) e uno sottostante in cui c’è abbondanza di elettroni (semiconduttore di tipo n). Oggi questa situazione si ottiene attraverso un “drogaggio” diverso delle due aree del semiconduttore che si impiega.

 

Lo schema del primo transistor ideato da Bardeen con Shockley e Brattain (Immagine: Stanford University)

Un segnale elettrico con un basso voltaggio (o bassa corrente) in ingresso, cioè tra base ed emettitore, può essere amplificato a piacimento e messo a disposizione in uscita attraverso la cosiddetta corrente di collettore. L’immagine seguente fornisce lo schema elettrico di un transistor a doppia giunzione, diverso da quello originariamente progetto dal gruppo di Brattain, ma con le stesse caratteristiche di fondo.

 

Schema di funzionamento di un transistor a doppia giunzione (Immagine: hsc.csu.edu.au)

Quello che hanno ottenuto i tre ricercatori è un componente elettronico che ha due diverse funzioni. La prima, quella desiderata dall’azienda telefonica, è di amplificare il segnale in ingresso. La seconda è quella di funzionare come un vero e proprio interruttore, come un rubinetto per l’acqua. Il transistor, cioè, può assumere due stati: aperto/chiuso, acceso/spento, o 1/0. È su questo tipo di elementi che oggi, all’interno dei nostri computer, dei nostri smartphone e in mille altri tipi di apparecchi elettronici immagazziniamo ed elaboriamo l’informazione.

Dopo il transistor e fino a oggi

La scoperta realizzata ai Bell Laboratories è straordinaria, ma Bardeen non si trova del tutto a proprio agio a lavorare sotto, di fatto, la direzione di Shockley. Lo trova troppo autoritario e geloso del potere che deriva dalla sua posizione. Visto il carattere schivo, però, non ne esce uno scontro, ma all’inizio degli anni Cinquanta, Bardeen cerca lavoro altrove. E lo trova a Urbana, sede della Università dell’Illinois, che con la sua acquisizione pensa di poter costruire un gruppo di ricerca di primo piano nel campo della fisica della superconduttività. Non si muove più e il premio Nobel del 1956 non fa altro che confermare la buona idea dell’Università di assumerlo.

Già ai Bell Laboratories, Bardeen aveva cominciato la propria personale ricerca di una teoria della superconduttività, un fenomeno scoperto nel 1911 da Heike Kamerling Onnes che non può essere spiegato con la fisica classica. Onnes aveva notato che, al di sotto una determinata temperatura, alcuni materiali hanno resistenza elettrica nulla ed espellono i campi magnetici presenti al loro interno. Nel 1957, Bardeen, con due colleghi più giovani, Leon Cooper e Robert Schrieffer riuscirono a spiegare il fenomeno formulando quella che è diventata nota come teoria BCS dalle iniziale dei tre scienziati. La scoperta vale per i tre il premio Nobel per la Fisica nel 1972: Bardeen diventa l’unico scienziato a vincerlo due volte in Fisica.

In True Genius. The Life and Science of John Bardeen, la biografia più completa pubblicata nel 2002, a quarant’anni da quel momento e a dieci dalla sua scomparsa, le due autrici, le storiche della scienza Lillian Hoddeson e Vicki Daitch, non esitano fin dal titolo a usare la parola ‘genio’. Lo stesso fanno diversi intervistati nel breve documentario intitolato Spark of Genius che l’Università dell’Illinois realizza nel 2010. Non v’è dubbio che il lavoro di Bardeen sul funzionamento del transistor è stata determinante per la storia dello sviluppo tecnologico e sociale che stiamo vivendo ancora oggi. Forse meno evidente, ma la scoperta che ha portato al secondo Nobel è un punto essenziale dello sviluppo della fisica del secondo Novecento. Eppure, nella recensione del libro che Dwarka Bose pubblica nel 2003 su Current Science, si percepisce il disagio nell’accostamento di ‘genio’ e ‘Bardeen’. Sembra che anche il fisico di origine indiana, che aveva conosciuto Bardeen in un suo viaggio nel subcontinente asiatico e della cui intelligenza rimane affascinato, abbia lo stesso bias di cui si è detto all’inizio e si immagini i geni della scienza come degli eroi romantici dalla vita straordinaria e travagliata. Invece, Bardeen ha mostrato come anche in una vita semplice e tranquilla, in cui il massimo brivido può sembrare la partita a golf del fine settimana, si può sviluppare una mente brillante, capace di incidere un solco profondo nella storia.

Per approfondire

Articolo sulla storia del transistor su Review of Modern Physycs con la spiegazione del funzionamento del transistor di Bardeen, Brattain e Shockley.

Materiale didattico sul transistor (con attività) realizzato dalla Università del New South Wales (Australia).

Video: How Does A Transistor Work? di Veritasium, canale YouTube dedicato alla scienza e alla tecnologia.

La trascrizione del lezione che Bardeen ha tenuto alla cerimonia per il Nobel per la Fisica del 1956.

La trascrizione del lezione che Bardeen ha tenuto alla cerimonia per il Nobel per la Fisica del 1972.

Immagine banner: phys.bspu.unibel.by

Immagine box in home:  LSI and the Computer History Museum

[Da Aula di Scienze]

I meccanismi di riparazione del DNA vincono il Nobel per la Chimica 2015

Tomas Lindahl, Aziz Sancar e Paul Modrich hanno scoperto gli «attrezzi» che le cellule usano per correggere gli errori nella duplicazione del DNA, aprendo

Uno svedese, un americano e un turco: sono i tre vincitori del premio Nobel per la Chimica del 2015 per «aver scoperto e mappato a livello molecolare come le cellule riparano il DNA danneggiato e preservano l’informazione genetica». I loro studi hanno avuto importanza fondamentale sulla nostra conoscenza dei meccanismi cellulari che sono coinvolti nella duplicazione del DNA. Ma hanno anche aperto la strada per comprendere come nasce il cancro e come poter intervenire con delle possibili cure.

Le cellule sono la base costituente di ogni essere vivente e dentro a ognuna di esse si trova il DNA che, con una metafora fin troppo nota, è una sorta di ricetta di come sono fatti e come funzionano i corpi degli esseri viventi. Ogni giorno, però, l’integrità dell’informazione genetica contenuta nel DNA è minacciata da cambiamenti spontanei che possono portare a malfunzionamenti della cellula e, in ultima analisi, a stati patologici. Un esempio possono essere gli effetti dei raggi ultravioletti che provengono dal sole: se l’esposizione è eccessiva e prolungata, essi possono alterare il DNA delle cellule che costituiscono la nostra pelle e dare origine al melanoma, il cancro della pelle.

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La divisione cellulare e dove possono intervenire errori di duplicazione. La didascalia inferiore: “Quando le cellule si dividono, tutti i cromosomi vengono copiati. Il meccanismo di duplicazione del DNA srotola la doppia elica del DNA e forma due nuovi filamenti, usando quelli vecchi come modelli. Anche in questo caso, l’adenina si lega alla timina, mentre la guanina con la citosina” (Immagine: Nobel Foundation)

Leggi tutto sull’Aula di Scienze Zanichelli.

Tutti i premi Nobel in un’infografica

In testa gli Usa con il 200% dei premi rispetto alla Gran Bretagna, al secondo posto. L’Italia ormai periferica

Da Wired.it:

In testa gli Usa con il 200% dei premi rispetto alla Gran Bretagna, al secondo posto. L’Italia ormai periferica

Giorni di annunci per i premi Nobel. Lunedì il premio per la Fisiologia o la Medicina è andato all’individuazione dei “neuroni GPS“. Martedì, il premio per la Fisica è andato agli scopritori dei LED. E mercoledì il premio per la Chimica ha visto trionfare gli scopritori della microscopia a fluorescenza. In totale: 3 americani, 3 giapponesi, un tedesco e due norvegesi. Ma com’è andata dal 1901, anno in cui i Nobel si sono assegnati per la prima volta? Lo potete vedere in questa infografica elaborata da Reuters.

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Degli 876 premi assegnati tra 1901 e 2013, 254 sono andati agli Stati Uniti: più del doppio di quelli andati al secondo in classifica, il Regno Unito, che supera di una sola unità la Germania. Nel grafico di Reuters, l’Italia rientra nella categoria “altri”, ma siamo andati a vedere nel dettaglio com’è andata per i nostri connazionali in questi 112 anni.

Solo due le donne italiane (Rita Levi-Montalcini e Grazia Deledda). Il dettaglio per disciplina:

Chimica: Giulio Natta (1963)

Fisica: Guglielmo Marconi (1909), Enrico Fermi (1938), Emilio Segrè (1959), Carlo Rubbia (1984), Roberto Giacconi (2002)

Medicina o Fisiologia: Camillo Golgi (1906), Daniel Bovet (1957), Salvatore Luria (1969), Renato Dulbecco (1986), Rita Levi-Montalcini (1986), Mario Capecchi (2007)

Economia: Franco Modigliani (1985)

Letteratura: Giosuè Carducci (1906), Grazia Deledda (1926), Luigi Pirandello (1934), Salvatore Quasimodo (1959), Eugenio Montale (1975), Dario Fo (1997)

Pace: Ernesto Teodoro Moneta (1907).

Nobel per la Chimica alla microscopia a fluorescenza

Da Aula di Scienze:

Per quest’anno, il comitato che assegna i premi Nobel per la Chimica ha deciso di premiare una capacità tipica della scienza: quella di andare oltre i limiti che sembrano invalicabili. Lo hanno fatto i tre premiato di quest’anno, il tedesco Stefan W. Hell e gli americani Eric Betzig e William E. Moerner, che hanno messo a punto due diversi metodi per guardare nella scala nano, inventando la microscopia a fluorescenza.

La storia comincia nel 1873, quando Ernst Abbe stipula quello che diviene noto sotto il nome di “principio di Abbe”, cioè che la risoluzione massima di un microscopio ottico non può essere meno di 0,2 micrometri. Lo stabilisce la legge fisica secondo la quale la massima risoluzione di un microscopio è pare alla metà della lunghezza d’onda della luce. I sistemi ottici che raggiungono questo limite teorico si dicono “diffraction limited”, ovvero “limitati dalla sola diffrazione”: un limite che non può essere superato. L’immagine qui sotto mostra dove si ferma la risoluzione dei microscopi ottici individuata da Ernst Abbe: tra la scala dei mitocondri e quella dei virus.

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Illustrazione Nobel Foundation

Un limite superato due volte
Nel 2000 Stefan W. Hell, che lavora al Max Planck Institute di Gottinga e al Centro tedesco per la ricerca sul cancro di Heidelberg (entrambi in Germania) utilizza per la prima volta due raggi laser per illuminare del campione da visualizzare. Il primo raggio serviva a stimolare la fluorescenza delle molecole, mentre il secondo serviva a cancellare tutte le fluorescenze che non fossero nella scala nanometrica. Scannerizzando il campione nanometro per nanometro, il sistema messo a punto da Hell e noto come Stimulated Emission Depletion (STED), migliora la risoluzione massima prevista dal principio di Abbe.

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Illustrazione del funzionamento della STED microscopy (Immagine: Nobel Foundation)

Una strada diversa è stata percorsa sei anni dopo da Eric Betzig dell’Howard Hughes Medical Institute di Ashburn (Virginia, USA) e William E. Moerner della Stanford University (USA). Lavorando separatamente hanno messo a punto una tecnica nota come single-molecule microscopy, microscopia a singola molecola, che si basa sulla possibilità di accendere e spegnere la fluorescenza di singole molecole. I ricercatori possono così realizzare diverse immagini dello stesso campione, rendendo fluorescente solo alcune molecole di volta in volta. Sovrapponendo le immagini così raccolte, si realizza una sorta di super-immagine molto densa di informazioni e una risoluzione a livello nano.

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Illustrazione del funzionamento della single-molecule microscopy (Immagine: Nobel Foundation)

Una grande rivoluzione microscopica
Superare il limite imposto dal principio di Abbe ha permesso di guardare ai processi biologici con un dettaglio mai visto prima. Esistevano già microscopi con una risoluzione superiore, come quelli a scansione e quelli elettronici, ma non permettevano di vedere i processi biologici mentre si stavano svolgendo. La microscopia a fluorescenza sviluppata sulle scoperte di Betzig, Moerner e Hell ha permesso di guardare le sinapsi dei neuroni mentre si stanno generando, oppure di tracciare il comportamento di singole molecole coinvolte nei processi di malattie come quella di Parkinson, di Alzheimer o di Huntington. O ancora, ha permesso di seguire singole proteine all’interno di uova fertilizzate mentre si stanno dividendo. La microscopia a fluorescenza ha davvero messo davanti agli occhi dei ricercatori qualcosa di mai visto prima.