Ocenění Národní medaile vědy a technologie pro pracovníky MIT

Bílý dům dnes oznámil, že čtyři členové fakulty MIT patří mezi 23 špičkových světových výzkumníků, kteří obdrželi nejvyšší národní vyznamenání pro vědce a inovátory.

Angela Belcherová a Emery Brown získali Národní medaili vědy v rámci dnešního ceremoniálu v Bílém domě. Paula Hammondová '84, PhD '93, a Feng Zhang obdrželi Národní medaili za technologii a inovace.

Belcherová, profesorka biologického inženýrství a materiálového inženýrství a členka Koch Institute for Integrative Cancer Research, byla oceněna za svou práci na navrhování nových materiálů pro aplikace, včetně solárních článků, baterií a lékařského zobrazování.

Brown, profesor lékařského inženýrství a výpočetní neurovědy, byl oceněn za svou práci, která odhalila, jak anestezie ovlivňuje mozek. Brown je také členem MITova Picower Institute for Learning and Memory a Institute for Medical Engineering and Science (IMES).

Hammondová, profesorka MIT, prorektorka pro fakultu a členka Koch Institute, byla oceněna za vývoj metod pro sestavování tenkých vrstev, které lze použít pro dodávání léků, hojení ran a mnoho dalších aplikací.

Zhang, profesor neurověd na MIT a profesor mozkových a kognitivních věd a biologického inženýrství, byl oceněn za svou práci na vývoji molekulárních nástrojů, včetně systému pro úpravu genomu CRISPR, které mají potenciál diagnostikovat a léčit nemoci. Zhang je také výzkumný pracovník v McGovern Institute for Brain Research a klíčový člen Broad Institute of MIT and Harvard.

Dvě další absolventy MIT také převzali ocenění: Richard Lawrence Edwards '76, absolvent Katedry věd o Zemi, atmosféře a planetách a Katedry architektury, který je nyní profesorem na Univerzitě v Minnesotě, obdržel Národní medaili vědy za svou práci v geochemii. A Noubar Afeyan PhD '87, absolvent Katedry chemického inženýrství a současný člen MIT Corporation, převzal jednu ze dvou Národních medailí za technologii a inovace udělených organizaci. Tyto ceny získaly biotechnologické společnosti Moderna, kterou Afeyan spoluzaložil s profesorem Robertem Langerem, a Pfizer za vývoj vakcín proti Covid-19.

Letos Bílý dům udělil Národní medaili vědy 14 příjemcům a jmenoval devět jednotlivých příjemců Národní medaile za technologii a inovace, spolu s dvěma organizacemi. K dnešnímu dni získalo jedno z těchto dvou vyznamenání téměř 100 pracovníků MIT.

\"Emery Brown je na špici spolupráce Institutu mezi neurovědami, medicínou a péčí o pacienty. Jeho výzkum změnil paradigma monitorování mozku během celkové anestézie pro operaci. Jeho průkopnický přístup založený na neurálních oscilacích, na rozdíl od pouhého monitorování životních funkcí, slibuje revoluci v tom, jak jsou pacientům podávány anestetické léky,\" říká Nergis Mavalvala, děkanka MITovy Školy věd. \"Feng Zhang je jedním z předních vědců v CRISPR technologiích, které zrychlily tempo vědy a techniky, propojujíc podnikání a vědecké objevy. Tyto nové molekulární technologie mohou modifikovat genetické informace buňky, navrhovat nástroje pro dodávání těchto nástrojů do správných buněk a škálovat je pro obnovení funkce orgánů. Zhang použije tyto život měnící inovace na nemoci, jako je neurodegenerace, imunitní poruchy a stárnutí.\"

Hammondová a Belcherová jsou častými spolupracovnicemi a každá z nich významně ovlivnila oblasti nanotechnologie a nanomedicíny.

\"Angela Belcherová a Paula Hammondová přinesly do vědy a techniky obrovský přínos a jsem nadšená, že každá z nich dostala toto zasloužené uznání,\" říká Anantha Chandrakasan, děkanka Školy inženýrství a hlavní inovační a strategická ředitelka na MIT. \"Využitím procesů přírody ovlivnily Angeliny inovace oblasti od energie přes životní prostředí až po medicínu. Její neinvazivní zobrazovací systém zlepšil výsledky u pacientů diagnostikovaných s mnoha typy rakoviny. Paulin průkopnický výzkum v nanotechnologii pomohl transformovat způsoby, jak dodáváme a podáváme léky v těle - díky její technice lze terapeutika přizpůsobit a poslat přímo na specificky cílené buňky, včetně rakovinných buněk.\"

Pěstování materiálů pomocí virů

Belcherová, která se k fakultě MIT připojila v roce 2002 a působila jako vedoucí Katedry biologického inženýrství od roku 2019 do roku 2023, se o tom, že je zvažována pro Národní medaili vědy, dozvěděla v září a v polovině prosince zjistila, že ji získala.

\"Bylo to docela šokující a obrovská čest. Je čest být zvažován, a pak dostat e-mail a telefonát, že jsem ji skutečně získala, bylo ponižující,\" říká.

Belcherová, která získala bakalářský titul v kreativních studiích a doktorát z anorganické chemie na Kalifornské univerzitě v Santa Barbaře, se ve svém výzkumu zaměřila především na vývoj způsobů, jak používat biologické systémy, jako jsou viry, k pěstování materiálů.

\"Od postgraduálního studia mě fascinuje snaha pochopit, jak příroda vytváří materiály, a pak aplikovat tyto procesy, ať už přímo prostřednictvím biologických molekul, nebo prostřednictvím vývoje biologických molekul nebo biologických organismů, k výrobě materiálů, které mají technologický význam,\" říká.

Na začátku své kariéry vyvinula techniku ​​pro generování materiálů inženýrstvím virů, které se samy sestavují do nanoskalních lešení, které lze pokrýt anorganickými materiály za vzniku funkčních zařízení, jako jsou baterie, polovodiče, solární články a katalyzátory. Tento přístup umožňuje vynikající kontrolu nad elektronickými, optickými a magnetickými vlastnostmi materiálu.

Na konci 2000. let požádala tehdejší prezidentka MIT Susan Hockfieldová Belcherovou, aby se připojila k nově vytvořenému Koch Institute, jehož posláním je spojit vědce a inženýry, aby hledali nové způsoby diagnostiky a léčby rakoviny. Belcherová, která o biologii rakoviny moc nevěděla, zpočátku váhala, ale nakonec přesunula svou laboratoř do Koch Institute a aplikovala svou práci na novou výzvu.

Jeden z jejích prvních projektů, na kterém spolupracovala s Hammondovou, byla metoda použití infračerveného světla s krátkou vlnovou délkou k zobrazování rakovinných buněk. Tato technologie, kterou nakonec zkomercializovala společnost Cision Vision, se nyní používá v nemocnicích k zobrazování lymfatických uzlin během chirurgického zákroku rakoviny a pomáhá jim určit, zda se nádor rozšířil.

Belcherová se nyní zaměřuje na hledání technologií pro detekci dalších rakovin, zejména rakoviny vaječníků, která se v raných stádiích obtížně diagnostikuje, a také na vývoj vakcín proti rakovině.

Odemčení tajemství anestézie

Brown, který je na fakultě MIT od roku 2005, řekl, že byl \"přes nadšený\", když se dozvěděl, že obdrží Národní medaili vědy.

\"Jsem nesmírně nadšený a poctěn, že jsem obdržel takové ocenění, protože je to jeden z vrcholů uznání ve vědecké oblasti ve Spojených státech,\" říká.

Většina Brownovy práce se zaměřila na dosažení lepšího pochopení toho, co se děje v lidském mozku pod vlivem anestézie. Brown, vycvičený jako anesteziolog, získal titul MD na Harvard Medical School a doktorát ze statistiky na Harvard University.

Od roku 1992 je členem fakulty Harvard Medical School a praktikujícím anesteziologem v Massachusetts General Hospital. Na začátku své výzkumné kariéry pracoval na vývoji metod pro charakterizaci vlastností lidských cirkadiánních hodin. Patřilo k nim charakterizování fázové odezvové křivky hodin na světlo, přesné měření jejich vnitřního období a měření vlivu fyziologicky navržených harmonogramů na výkonnost směnných pracovníků. Později se začal zajímat o vývoj metod zpracování signálů pro charakterizaci toho, jak neurony reprezentují signály a podněty ve své souhrnné aktivitě.

Ve spolupráci s Mattem Wilsonem, profesorem neurověd na MIT, Brown navrhl algoritmy pro dekódování polohy zvířete v jeho prostředí čtením aktivity malé skupiny neuronů v mozku zvířete. Další aplikace těchto metod zahrnovaly charakterizaci učení, řízení rozhraní mozek-stroj a řízení stavů mozku, jako je lékařsky indukované kóma.

\"V té době jsem praktikoval anestezii a když jsem viděl stále více toho, co dělali neurovědci, napadlo mě, že bychom mohli použít jejich paradigmata ke studiu anestézie, a měli bychom to dělat, protože jsme to nedělali,\" říká. \"Anestézie nebyla považována za neurovědeckou subdisciplínu. Byla považována za subdisciplínu farmakologie.\"

V posledních dvou desetiletích Brownova práce odhalila, jak anestetické léky vyvolávají bezvědomí v mozku, spolu s dalšími změněnými stavy bdělosti. Anestetické léky, jako je propofol, dramaticky mění vlastní oscilace mozku. Tyto oscilace lze pozorovat pomocí elektroencefalografie (EEG). Během stavu bdělosti mají tyto oscilace obvykle vysokou frekvenci a nízkou amplitudu, ale jak se podávají anestetické léky, obvykle se posunou na nízkou frekvenci a vysokou amplitudu. Brown ve spolupráci s profesory MIT Earlem Millerem a Ilou Fiete a spolupracovníky v Massachusetts General Hospital a Boston University ukázal, že tyto změny narušují normální komunikaci mezi různými oblastmi mozku, což vede k ztrátě vědomí.

Brown také ukázal, že tyto EEG oscilace lze použít k monitorování toho, zda je pacient příliš hluboko v bezvědomí, a vyvinul systém podávání anestézie se uzavřenou smyčkou, který dokáže udržovat stav anestézie pacienta na přesně požadovaných úrovních. Brown a kolegové také vyvinuli metody pro urychlení zotavení z anestézie. Přesnější kontrola a urychlené zotavení by mohly pomoci předcházet kognitivním poruchám, které často postihují pacienty po probuzení z anestézie. Urychlení zotavení z anestézie také naznačilo způsoby, jak urychlit zotavení z kómatu.

Vytváření multifunkčních materiálů

Hammondová, která získala bakalářský titul i doktorát z chemického inženýrství na MIT, je členkou fakulty od roku 1995 a v roce 2021 byla jmenována profesorkou Institutu. Byla také příjemkyní Killian Award MIT za rok 2023-24, nejvyššího vyznamenání, které fakulta uděluje.

Na začátku své kariéry Hammondová vyvinula novou techniku ​​pro generování funkčních tenkovrstvých materiálů skládáním vrstev nabitých polymerních materiálů. Tento přístup lze použít k vytváření polymerů s vysoce kontrolovanou architekturou střídavým vystavením povrchu kladně a záporně nabitým částicím.

Zpočátku použila tuto techniku ​​vrstevnaté montáže k vytvoření ultratenkých baterií a elektrod palivových článků, než se zaměřila na biomedicínské aplikace. Aby přizpůsobila filmy pro dodávání léků, vymyslela způsoby, jak začlenit molekuly léků do vrstev filmu. Tyto molekuly se poté uvolňují, když částice dosáhnou svých cílů.

\"Začali jsme se zabývat bioaktivními materiály a tím, jak je můžeme vložit do těchto vrstev a použít to jako způsob, jak dodávat lék velmi kontrolovaným způsobem, ve správný čas a na správné místo,\" říká. \"Vrstvení používáme jako způsob, jak modifikovat povrch nanočástice tak, aby existovala velmi vysoká a selektivní afinita k rakovinným buňkám, které cílíme.\"

Pomocí této techniky vytvořila nanočástice pro dodávání léků, které jsou potaženy molekulami, které specificky cílí rakovinné buňky, se zvláštním zaměřením na rakovinu vaječníků. Tyto částice lze přizpůsobit tak, aby přenášely chemoterapeutika, jako je cisplatina, imunoterapeutické látky nebo nukleové kyseliny, jako je messenger RNA.

Ve spolupráci s kolegy z MIT také vyvinula materiály, které lze použít k podpoře hojení ran, srážení krve a regenerace tkání.

\"Zjistili jsme, že tyto vrstvy jsou velmi univerzální. Mohou pokrýt velmi širokou škálu substrátů a tyto substráty mohou být cokoli od kostního implantátu, který může být poměrně velký, až po nanočástice, které jsou 100 nanometrů,\" říká.

Navrhování molekulárních nástrojů

Zhang, který získal bakalářský titul na Harvard University v roce 2004, přispěl k vývoji několika molekulárních nástrojů pro urychlení pochopení lidských nemocí. Během postgraduálního studia na Stanfordské univerzitě, odkud získal doktorát v roce 2009, Zhang pracoval v laboratoři profesora Karla Deisserotha. Tam pracoval na proteinu zvaném channelrhodopsin, o kterém on a Deisseroth věřili, že má potenciál pro inženýrství savčích buněk, aby reagovaly na světlo.

Výsledná technika, známá jako optogenetika, se nyní široce používá v neurovědách a dalších oblastech. Inženýrstvím neuronů, aby exprimovaly světlem citlivé proteiny, jako je channelrhodopsin, mohou výzkumníci buď stimulovat, nebo umlčet elektrické impulsy buněk svícením různých vlnových délek světla na ně. To umožnilo podrobné studium rolí specifických populací neuronů v mozku a mapování nervových obvodů, které řídí celou řadu chování.

V roce 2011, asi měsíc poté, co se připojil k fakultě MIT, se Zhang zúčastnil přednášky profesora Harvard Medical School Michaela Gilmora, který studuje patogenní bakterii Enteroccocus. Vědec zmínil, že tyto bakterie se chrání před viry pomocí enzymů štěpících DNA, které jsou známé jako nukleasy, které jsou součástí obranného systému známého jako CRISPR.

\"Neměl jsem ani tušení, co je CRISPR, ale zajímaly mě nukleasy,\" řekl Zhang MIT News v roce 2016. \"Šel jsem si CRISPR vyhledat a tehdy jsem si uvědomil, že by se dalo upravit pro použití pro úpravu genomu.\"

V lednu 2013 Zhang a členové jeho laboratoře oznámili, že úspěšně použili CRISPR k úpravě genů v savčích buňkách. Systém CRISPR zahrnuje nukleasu zvanou Cas9, která může být směrována k řezání specifického genetického cíle molekulami RNA známými jako vodicí řetězce.

Od té doby vědci v oborech od medicíny po rostlinnou biologii používali CRISPR ke studiu funkce genů a k prozkoumání možnosti opravy chybných genů, které způsobují nemoci. V poslední době Zhangův tým provedl mnoho vylepšení původního systému CRISPR, například zvýšení přesnosti cílení a zabránění nechtěným řezům na nesprávných místech.

Národní medaile vědy byla zřízena v roce 1959 a je administrována pro Bílý dům Národní vědeckou nadací. Medaile oceňuje jednotlivce, kteří významně přispěli k vědě a technice.

Národní medaile za technologii a inovace byla zřízena v roce 1980 a je administrována pro Bílý dům Úřadem pro patenty a ochranné známky ministerstva obchodu USA. Ocenění oceňuje ty, kteří přinesli trvalé přínosy pro konkurenceschopnost a kvalitu života Ameriky a pomohli posílit národní technologickou pracovní sílu.