Tin song ngữ

  1. Tin tức song ngữ Anh-Việt
  2. Khoa học - Công nghệ
  3. Khoa học - Nghiên cứu
  4. Robot phân tử, tự thực bào và bình nguyên vật lý đạt giải Nobel năm 2016

Robot phân tử, tự thực bào và bình nguyên vật lý đạt giải Nobel năm 2016

Mức trung cấp

Molecular machines, self-eating cells and flatlands physics take Nobel prizes

The annual Nobel Prizes are awarded to scientists who have groundbreaking researches. Many of these findings have been studied as a foundation for the change of people and the world. 

We will know about autophagy relating to cells in our body, it can help us sustain our lives and understand the processes leading to different types of illnesses. Whether we can imagine a robot that can rotate up to 12 million per second, and are composed of molecules, not metal components as we often see it. And there are many other interesting things from these researches. 

CEP introduces this article as a part of the English topic: "Major findings for the future world" on Timeline Learning platform.

The Nobel Prizes, which recognize exceptional work across a range of disciplines, are being announced this month, and we now know the winners of the prizes in three fields of science: physics, chemistry and medicine. Here's what you need to know about the advancements in each area that led to the award of some of the world's most prestigious prizes.


Awarded to: David J. Thouless, University of Washington; F. Duncan M. Haldane, Princeton University; J. Michael Kosterlitz, Brown University (United States)

The behavior of matter at the molecular level follows a set of rules proscribed by the discipline of physics – up to a point. When said matter is subjected to extreme conditions like very hot or cold temperatures, intense pressure or a super-thin state, things begin to get a bit bizarre and are better described by the mind-stretching world of quantum physics. It's exactly these strange states of matter in which the three winners of the Nobel Prize in Physics specialized.

In decoding what happens to matter when it's basically tortured, all three researchers turned to topology to help them.

"Topology describes the properties that remain intact when an object is stretched, twisted or deformed, but not if it is torn apart," said the the Royal Swedish Academy of Sciences (RSAS) in Stockholm, which awards the prizes each year. "Topologically, a sphere and a bowl belong to the same category, because a spherical lump of clay can be transformed into a bowl."

In the world of topology, the changes that would make a ball of clay into a bowl happen along a set course, in which things proceed according to clearly defined mathematical steps.

By applying these steps to what happens to matter when it's in a two-dimensional state known as the flatlands, or when it is supercooled (under a discipline known as condensed matter physics), the researchers were able to flip previous quantum physics assumptions on their heads and open the door to experimentation with entirely new strange states of matter.

As one example, Thouless and Kosterlitz changed what was believed to be happening to matter in the flatlands under temperature fluctuations. The previous belief was that in such a state, there was no atomic order. Without order, there could be no orderly transitions in the phases of matter. By applying topological concepts to the problem however, the pair realized that phase transitions were indeed possible – only not in the way water turns to ice, by reorganizing its molecular structure. In the flatlands, they discovered that the secret to phase change was in tiny vortices which, at low temperatures formed tight pairs but at high temperatures spun off in the material away from each other.

"Topological insulators, topological superconductors and topological metals are now being talked about," said the RSAS. "These are examples of areas which, over the last decade, have defined frontline research in condensed matter physics, not least because of the hope that topological materials will be useful for new generations of electronics and superconductors, or in future quantum computers. Current research is now revealing the secrets of matter in the exotic flatlands discovered by this year's Nobel Laureates."


Winner: Yoshinori Ohsumi, Tokyo Institute of Technology (Japan)

Human cells have a very important housekeeping function whereby spent cellular material is broken down into substances that can be used for energy. This process is known as autophagy, which comes from the Greek words "auto," meaning "self," and "phagein" meaning to eat. The waste material is disassembled in a part of our cells known as the lysosome where it's deposited by cellular bodies known as autophagosomes.

An illustration of the inside of a cell, showing the lysosomes at the bottom

In the late 1980s a biochemist named Yoshinori Ohsumi decided to look at the way in which cellular waste was handled in yeast cells to try to shed light on the relatively poorly understood process of autophagy. He created mutated yeast cells that lacked the enzymes necessary to break down cellular waste. He then activated autophagy by starving the cells. By his reasoning, the process should have caused autophagosomes to accumulate in the cells' vacuoles, the equivalent of human lysosomes. Sure enough, that's exactly what happened.

Further research on his part, involving the study of thousands of yeast mutants, eventually led him to unravel the autophagy process in greater detail, including working out which genes were essential for the process. Moving on from there, he identified the proteins encoded by those genes and he figured out how they affected autophagy. "The results showed that autophagy is controlled by a cascade of proteins and protein complexes, each regulating a distinct stage of autophagosome initiation and formation," said the RSAS.

Since then, we've discovered that autophagy is critical in battling bacteria and viruses, that it contributes to the development and differentiation processes in embryos and that it plays a role in aging. When the process goes wrong, it's been linked to Parkinson's disease, type 2 diabetes and cancer.

"Autophagy has been known for over 50 years but its fundamental importance in physiology and medicine was only recognized after Yoshinori Ohsumi's paradigm-shifting research in the 1990's," said the RSAS. "For his discoveries, he is awarded this year's Nobel Prize in physiology or medicine."


Awarded to: Jean-Pierre Sauvage, University of Strasbourg (France); Sir J. Fraser Stoddart, Northwestern University (USA); Bernard L. Feringa, University of Groningen (Netherlands)

In terms of development, the molecular motor is at the same stage as the electric motor was in the 1830s, when scientists displayed various spinning cranks and wheels, unaware that they would lead to electric trains, washing machines, fans and food processors. Molecular machines will most likely be used in the development of things such as new materials, sensors and energy storage systems.

That's what the RSAS had to say about the awarding of the Nobel Prize in Chemistry to three researchers who've pushed the world of micro-machinery steadily forward since the early 1980s.

The journey toward machines that are made from molecules rather than steel began in earnest in 1983 with Jean-Pierre Sauvage. Working in the field of photochemistry, Sauvage discovered that he had come upon two molecules that were linked around a copper ion. Removing the copper ion kept the molecules linked, forming the start of a chain known as a catenane. While molecular chains are nothing new, what was important here is that the molecules were linked mechanically – one ring around another – rather than by sharing electrons in their outer shells, forming the covalent bonds that typically join them together.

In 1991, Fraser Stoddart figured out how to thread a molecular ring onto a molecular axel. He did this by creating a ring with no electrons and a rod that was electron rich. When placed in solution, the electron-poor ring threaded itself onto the electron-rich axle through the power of attraction, forming what is known as a rotaxane.

Ben Feringa came along in 1999 and leaped the field of molecular machinery forward by building the first molecular motor with molecules moving in the same direction, rather than spinning randomly in opposite directions as they tend to do. He did so using pulses of UV light that activated molecular rotor blades that had chemical ratchets built in that kept them spinning in one direction. Feringa's research group has now gotten the motor to turn at 12 million revolutions per second and even built a molecular car that uses the motors as wheels.

An illustration showing how Ben Feringa's molecular motor works

Since these discoveries laid the groundwork for molecular machines, other researchers have continued to advance the science of the super small. According to the RSAS, one of the more notable breakthroughs happened when a molecular robot that can grab and assemble amino acids was built using a rotaxane. Stoddart has since built a molecular elevator, molecular muscle and a molecule-based computer chip that could one day revolutionize computing the way the internal combustion engine revolutionized transportation.

While these awards wrap up the Nobel Prizes in scientific fields, there are still more to be awarded across other disciplines. The famed Nobel Peace Prize will be bestowed on October 7, with the Nobel Memorial Prize in Economic Science and the Nobel Prize in Literature announced on October 10 and 13 respectively. Since its launch in 1901, 874 individuals and 26 organizations have been awarded the Nobel Prize.


Robot phân tử, tự thực bào và bình nguyên vật lý đạt giải Nobel

Giải thưởng Nobel hàng năm trao cho các nhà khoa học có những công trình nghiên đột phá và nhiều nghiên cứu trong số chúng đã làm nền tảng cho sự thay đổi con người, thay đổi thế giới. 

Chúng ta sẽ biết được cơ thể chúng ta có cơ chế tự thực bào như thế trong các tế bào để giúp chúng ta duy trì sự sống và để hiểu hơn về quy trình dẫn đến các loại bệnh tật. Chúng ta liệu có thể tưởng tượng có một loại robot nào đó có thể có tốc độ quay lên tới 12 triệu vòng mỗi giây và được cấu tạo từ các phân tử chứ không là các thành phần kim loại như thường thấy. Và còn nhiều điều thú  vị từ các công trình nghiên cứu đó. 

Bài viết được CEP đăng lại như là một phần trong chủ đề tiếng Anh: "Những nghiên cứu thay đổi thế giới" trên hệ thống Timeline Learning

Các giải Nobel này công nhận công trình đặc biệt qua một loạt các ngành và sẽ được công bố trong tháng này; bây giờ chúng ta đã biết những người chiến thắng giải thưởng trong ba lĩnh vực khoa học: vật lý, hóa học và y học. Dưới đây là những gì bạn cần biết về sự tiến bộ trong mỗi lĩnh vực mà đã dẫn đến phần thưởng của một trong số các giải thưởng uy tín nhất thế giới.

Vật lý

Giải thưởng trao cho: David J. Thouless, Đại học Washington; F. Duncan M. Haldane, Đại học Princeton; J. Michael Kosterlitz, Đại học Brown (Hoa Kỳ).

Tác động của vật chất ở cấp độ phân tử đẫn đến một danh sách các nguyên tắc không thể vượt qua trong ngành vật lý ở một chừng mực nào đó. Khi vật chất được đề cập ở trên phải chịu những điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp, áp lực cường độ cao hoặc một trạng thái siêu nhỏ thì mọi thứ bắt đầu có dấu hiệu lạ thường và được mô tả tốt hơn khi mở rộng nghiên cứu về vật lý lượng tử. Đó chính xác là những trạng thái kỳ lạ của vật chất mà ba người chiến thắng giải Nobel chuyên ngành Vật lý đã tập trung nghiên cứu.

Trong lúc giải mã những gì xảy ra với vật chất khi cơ bản nó phải chịu những điều kiện khắc nghiệt như thế, cả ba nhà nghiên cứu đã chuyển sang cấu trúc hình học không gian để giúp đỡ họ hiểu rõ hơn.

"Cấu trúc hình học không gian mô tả các thuộc tính mà vẫn còn nguyên vẹn khi một đối tượng bị kéo dài, bị xoắn lại hoặc bị biến dạng nhưng không như thế nữa nếu nó bị đứt ra", Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển (RSAS) tại Stockholm - nơi trao các giải thưởng hàng năm cho biết. "Theo cấu trúc không gian, một hình cầu và một cái bát thì nó sẽ nằm chung một loại, bởi vì một khối u hình cầu bằng đất sét có thể được chuyển đổi thành một cái bát."

Trong thế giới hình học không gian, những thay đổi sẽ làm một cục đất sét thành một cái bát khi xảy ra cùng một quá trình đã được thiết lập, trong đó mọi thứ đều tiến hành theo các bước toán học được xác định rõ ràng.

Bằng cách áp dụng các bước này vào những gì xảy ra với vật chất khi nó nằm trong một trạng thái hai chiều được gọi là các bình nguyên (một vùng đất đai rộng lớn với địa hình tương đối thấp) hoặc khi nó siêu lạnh (chuyên ngành gọi là vật lý chất rắn), các nhà nghiên cứu đã có thể lật lại các giả định vật lý lượng tử trước đây trong suy nghĩ của họ và bắt đầu thử nghiệm với các trạng thái hoàn toàn mới và kì lạ của vật chất.

Ví dụ, Thouless và Kosterlitz đã thay đổi những gì được cho là sẽ xảy ra với vật chất trong các bình nguyên dưới sự dao động nhiệt độ. Niềm tin trước đó là ở trong tình trạng như vậy, không có trật tự nguyên tử. Nếu không có trật tự, có thể sẽ không có sự chuyển tiếp có trật tự trong các giai đoạn của vật chất. Tuy nhiên, bằng cách áp dụng các khái niệm không gian cho vấn đề này, hai nhà nghiên cứu này đã nhận ra rằng giai đoạn chuyển tiếp này thật sự có thể - chỉ không theo cách nước hóa thành băng, bằng cách tổ chức lại cấu trúc phân tử của nó. Trong vùng đất bằng phẳng, họ phát hiện ra rằng bí quyết để dần thay đổi là trong các mõm xoáy nhỏ xíu đó, ở nhiệt độ thấp tạo thành các cặp mõm xoáy chặt chẽ nhưng ở nhiệt độ cao thì chúng tách ra trong vật liệu cách xa nhau.

RSAS cho biết: "Chất cách điện không gian, chất siêu dẫn không gian và kim loại không gian đang được nói đến trong nghiên cứu. Đây là những ví dụ về các lĩnh vực trong thập kỷ qua đã xác định nghiên cứu tiên phong trong vật lý chất rắn, nhất là vì hy vọng rằng chất liệu không gian sẽ hữu ích cho các thế hệ điện tử và các chất siêu dẫn mới hoặc trong các tính toán lượng tử trong tương lai. Nghiên cứu hiện tại bây giờ mới tiết lộ những bí mật của vật chất trong các bình nguyên kỳ lạ được phát hiện bởi người đoạt giải Nobel năm nay."

Y học

Người đoạt giải: Yoshinori Ohsumi, Viện công nghệ Tokyo (Nhật Bản)

Tế bào con người có một chức năng tự duy trì trong cơ thể rất quan trọng nhờ đó chất liệu tế bào khi mà chúng được chia thành những chất có thể được sử dụng cho việc duy trì năng lượng. Quá trình này được gọi là autophagy (quá trị tự thực bào) mà xuất phát từ tiếng Hy Lạp "auto", có nghĩa là "tự", và "phagein" có nghĩa là ăn. Các chất thải được tách rời trong một phần của các tế bào của chúng ta được gọi là lysosome (bào quan); ở đó, bào quan được lắng đọng bởi các cơ quan tế bào được gọi là autophagosomes (các túi tự thực).

An illustration of the inside of a cell, showing the lysosomes at the bottom

Trong những năm cuối thập niên 1980, một nhà sinh học tên là Yoshinori Ohsumi quyết định xem xét cách thức mà chất thải tế bào đã được xử lý trong các tế bào nấm men để cố gắng làm sáng tỏ quá trình tương đối ít được biết đến của autophagy. Ông tạo ra đột biến tế bào nấm men mà thiếu các enzyme cần thiết để phá vỡ các chất thải tế bào. Sau đó ông kích hoạt autophagy bằng cách bỏ đói các tế bào. Theo suy luận của ông, quá trình này đã tạo ra autophagosomes (Các túi vận chuyển vật chất tới lysosome) tích tụ trong không bào của tế bào, tương đương với lysosome của con người. Chắc chắn, điều này đã giải thích chính xác những gì đã xảy ra.

Nghiên cứu thêm về phần của mình liên quan đến việc nghiên cứu hàng ngàn đột biến nấm men, cuối cùng đã giúp ông làm sáng tỏ quá trình autophagy chi tiết hơn, bao gồm cả việc phát triển gen rất cần thiết cho quá trình này. Tiếp tục từ đó, ông đã xác định các protein được mã hóa bởi các gen đó và ông đã tìm ra cách chúng ảnh hưởng đến autophagy. RSAS cho biết: "Kết quả cho thấy autophagy được điều khiển bởi một chuỗi các protein và protein phức hợp , mỗi protein sẽ điều hòa một giai đoạn riêng biệt của sự bắt đầu và hình thành autophagosome,".

Kể từ đó, chúng tôi đã phát hiện ra rằng autophagy (quá trị tự thực bào) rất quan trọng để chống lại vi khuẩn và vi rút, nó đóng góp cho quá trình phát triển và biệt hóa trong phôi và nó đóng một vai trò trong quá trình lão hóa. Khi quá trình đi sai, nó liên quan đến bệnh Parkinson, tiểu đường loại 2 và bệnh ung thư.

RSAS nói: "Autophagy đã được biết đến trên 50 năm nhưng tầm quan trọng cơ bản của nó trong sinh lý học và y học thì chỉ mới được công nhận sau khi nghiên cứu mô hình chuyển dịch của Yoshinori Ohsumi trong thập niên 1990. Ông được trao giải Nobel vào năm nay trong lĩnh vực y sinh học hay y học cho những khám phá của mình."

Hóa học

Trao cho: Jean-Pierre Sauvage, Đại học Strasbourg (Pháp); Sir J. Fraser Stoddart, Đại học Northwestern (Mỹ); Bernard L. Feringa, Đại học Groningen (Hà Lan)

Trong các điều kiện phát triển, động cơ phân tử ở một giai đoạn tương tự cũng giống như động cơ điện vào thập niên 1830, khi các nhà khoa học tiết lộ tay quay và bánh quay sợ thì họ không biết rằng chúng sẽ trở thành tàu điện, máy giặt, quạt và chế biến thực phẩm. Các động cơ phân tử hầu hết sẽ được sử dụng trong sự phát triển của vật như chất liệu mới, cảm biến và các hệ thống lưu trữ năng lượng.

Đó là những gì mà RSAS phải công nhận về việc trao giải Nobel Hóa học dành cho ba nhà nghiên cứu, những người đã nâng thế giới vi máy móc lên một tầm cao mới cách bền vững kể từ đầu thập niên 1980.

Cuộc hành trình về những chiếc máy được làm từ các phân tử hơn là thép đã bắt đầu một cách nghiêm túc vào năm 1983 với Jean-Pierre Sauvage. Làm việc trong lĩnh vực quang hoá học, Sauvage đã phát hiện ra rằng ông đã nghiên cứu hai phân tử được liên kết xung quanh một ion đồng. Loại bỏ các ion đồng giữ lại các phân tử liên kết, hình thành sự khởi đầu của một chuỗi được biết đến như một catenane (một trong hai động cơ đơn vị mang những ưu điểm hình học). Trong khi các chuỗi phân tử thì không có gì mới, điều quan trọng ở đây là các phân tử được liên kết cơ học - chỉ có một vòng xung quanh nữa thôi - chứ không phải là bằng cách chia sẻ các electron ở lớp vỏ bên ngoài, tạo nên các liên kết cộng hóa trị mà chúng thường kết nối chúng với nhau.

Trong năm 1991, Fraser Stoddart đã tìm ra cách để kết nối một vòng phân tử lên một trục phân tử. Ông đã làm điều này bằng cách tạo ra một vòng tròn không có electron và một trục giàu electron. Khi được đặt trong dung dịch, các vòng điện tử nghèo luồng chính nó vào các trục giàu electron thông qua lực hấp dẫn, tạo thành những gì được biết đến là một rotaxane.

Ben Feringa tham gia nghiên cứu vào năm 1999 và đã nhảy vào nghiên cứu lĩnh vực động cơ phân tử ở mức xa hơn bằng cách xây dựng các động cơ phân tử đầu tiên với các phân tử chuyển động theo cùng một hướng chứ không phải là quay ngẫu nhiên trong hướng ngược lại vì chúng có xu hướng làm như vậy. Ông cũng sử dụng các xung ánh sáng tia cực tím kích hoạt cánh quạt phân tử có bánh cóc hóa học được xây dựng trong đó, giữ các phân tử quay theo một hướng. Nhóm nghiên cứu Feringa bây giờ đã nhận được động cơ để chuyển 12 triệu vòng mỗi giây và thậm chí xây dựng một chiếc xe phân tử có sử dụng các động cơ như bánh xe.

An illustration showing how Ben Feringa's molecular motor works

Từ khi các phát hiện này đặt nền móng cho các máy phân tử, các nhà nghiên cứu khác đã tiếp tục tiến về khoa học của các thứ siêu nhỏ. Theo RSAS, một trong những bước đột phá đáng chú ý đã xảy ra khi một robot phân tử có thể lấy và lắp ráp các axit amin được xây dựng bằng một rotaxane. Kể từ khi Stoddart xây dựng một thang phân tử, cơ phân tử và một con chip máy tính phân tử; một ngày nào đó, điều này có thể cải cách hoạt động của máy tính, cách mà động cơ đốt trong đã từng cải cách trong ngành vận tải.

Trong khi các giải thưởng này trao cho các giải Nobel trong lĩnh vực khoa học thì vẫn còn nhiều giải thưởng khác được trao ở các lĩnh vực khác. Giải thưởng Hòa bình Nobel nổi tiếng sẽ được trao vào ngày 7 tháng 10 với giải Nobel trong khoa học kinh tế và giải Nobel Văn học công bố vào ngày 10 và 13 tương ứng. Kể từ khi ra mắt vào năm 1901, 874 cá nhân và 26 tổ chức đã được trao giải Nobel.


Dịch bởi: hongnhung

bài viết đặc sắc trong tháng 03/2017

4 giá trị cốt lõi trong chương trình học tiếng Anh tại trung tâm Anh ngữ CEP

Đây là những giá trị quan trọng nhất và cũng là những điều tâm huyết nhất mà chúng tôi, những người nhìn giáo dục như một quá trình tự học hỏi, tự thay đổi và hoàn thiện bản thân trước…

Có thể bạn quan tâm

Tin cùng chuyên mục