Üheksa ametit ...?

Californias sündinud W. E Moernerile (62) sobilike asesõnade pole lihtne ülesanne. Doktorikraadi füüsikas saanud mees on töötanud IBMi Almadeni uurimiskeskus optiliste andmekandjate ja polümeeride kallal, pidanud biokeemia ja keemia professori ametit ning pälvis Nobeli keemiapreemia avastuste eest, mida peavad mõned õigupoolest füüsikapreemia vääriliseks.

Mees ise end sellest häirida ei lase. „Muidugi pead sa mingit teemat läbi löömiseks süviti ja väga hästi valdama, kuid teiste erialadega kursis olemine tuleb kasuks. Tänapäeval näeme suurt osa kõige põnevamatest ja kiirematest arengutest aset leidmas just erinevate valdkondade piirialadel. Seetõttu ei tahaks ma ennast pidada ei puhtaks füüsikuks ega keemikuks,“ selgitas 1998. aastast Stanfordi ülikoolis professori ametit pidanud Moerner.

Inseneri stipendiumi saanuna elektriinseneri erialal õppima asunud Moerner lõpetas 1975. aastal Washingtoni ülikooli kolmekordse bakalaureusekraadiga. Mees omandas kiitusega ka matemaatika ja füüsika eriala. „Ma nautisin neid kõiki. Etteruttavalt polnud see üldse nii raske, kui see väliselt paista võib. Ühe kursuse ainepunkte sai kasutada mitmel pool,“ märkis professor.

Eriala valikul ei saanud kõrvale jätta ka kodu rolli. „Mu mõlemad vanemad julgustasid mind reaalteadusi ja matemaatikat õppima. Oma isa mõjul õppisin ma armastama asjade parandamist ja sealt edasi nende tööpõhimõtte välja selgitamist, mis laienes edasi maailma toimimispõhimõtetele. /.../ See (huvi) on teaduse tegemise puhul väga oluline,“ laiendas Moerner.

Molekuli näopilt
Paralleelselt doktoriõppe lõpetamisega asus Moerner tööle San Joses asuvas IBM'i Almadeni uurimiskeskuses. Muu hulgas uuris ta võimalusi talletada andmeühikuid ehk bitte valikulise valguse neeldumise abil.

Kuigi igal elemendil ja molekulil on oma kindel sõrmejälg, neelates ja kiirates vaid kindlate lainepikkustega valgust, võib neeldumisspekter erinevatel põhjustel laieneda. Näiteks on gaasis aatomite liikumisenergia ja suund veidi erinev, mistõttu laieneb spekter Doppleri efekti tõttu või leidub materjalides lisandeid, mille tõttu pole keskkond kõigi aatomite ja molekulide jaoks kõikjal täpselt samasugune.

Lisaks saab neeldumisspektrisse sälgata auke, millel on oma loomulik laius. Molekulid teevad näiteks kitsa laserkiirega valgustamise tõttu läbi fotokeemilise muundumise. Taoline auk ehk jälg lihtsamas lähenduses 1 või 0 esindavast lainepikkusest võib mõningal juhul kaduda alles siis, kui molekul selle soojendamise mõjul oma esialgse olekule taastab. „Sälkamisel on Eestis sügavad juured. Tartus tegeleti sellega juba 1970. aastatel Karl Rebase juhtimisel. Märkimisväärne koolkond tegutses ka Peterburis,“ märkis Moerner. (Tasub märkida, et sälkamisele keskenduv rahvusvaheline konverentside seeria, mis mehe Tartusse tõi, algatati Eestis).

Järgneva kümnendi keskpaigaks oli suureks küsimuseks, kui kaugele optiliste andmekandjatega minna annab. Sirgjooneliseks vastuseks oleks ühe biti ühe molekuli abil talletamine. Ent valdav enamik toonastest katsetest hõlmasid miljoneid molekule. Moerner tsiteerib siinkohal kvantmehaanika üheks isaks loetavat Ervin Schrödingeri: „Alustuseks on õiglane öelda, et me ei tee üksikute molekulide rohkem katseid, kui me saame loomaaias ihtüosaurust kasvatada“.

„1980. aastatel peeti ühe molekuli neeldumisspektri registreerimist veel üsna võimatuks. Kui me seda koos 1989. aastal koos Lothar Kadoriga teha suutsime, nähti seda omaette saavutusena. Ilmselt ei osanud keegi toona päris täpselt ette kujutada, milliseid uusi uksi see meie jaoks avama hakkab. Igal juhul tekitas see kogukonnas äärmiselt palju elevust,“ meenutas professor. Moerneril ja ta kolleegidel läks korda registreerida p-terfenüüli kristallidesse viidud pentatseeni molekulide poolt neelatud valgust. Süsteem kujutas suurepärast mudelit, mille abil kasutatud lahendust lihvida ja täiustada.

Aasta hiljem suutis Michel Orrit registreerida juba üksikute molekulide poolt kiiratavat valgust. „Enamik aukude sälkamisega tegelenud inimestest läksid sellega kaasa ja asusid uurima üksikute molekulide fluorestsentsi. /.../ Neist osa, ka Michel hakkasid mõtlema üksikute molekulide spektri registreerimisele toatemperatuuril,“ lisas professor. Moerneri ambitsioonidele ja huvidele hakkas IBM kitsaks jääma.

Kui see on roheline või vingerdab...
Aastal 1995 asus Moerner tööle San Diegos asuvas California ülikoolis, kus hakkas tegema tihedamat koostööd biokeemikute ja bioloogidega. Lahendamist vajavad probleemid nõudsid teistsugust meelelaadi. „Madalatemperatuuriline spektroskoopia oli ilus, kuid selle rakendused olid küllaltki spetsiifilised. Meid ümbritseva maailma temperatuur pole kaks kraadi Kelvini (-271 C°) järgi. Seega lõi üksikute molekulide toatemperatuuril nägemine lõi viljaka pinnase tervete uute teadussuundade tekkimiseks,“ sõnas Moerner.

„Näiteks leidub rakkudes väga palju spetsialiseerunud masinavärke, mis moodustavad sidemeid, ehitavad objekte... Iga taolist masinat tasub uurida – võlu on tuntav. Mõnes mõttes võib öelda, et bioloogia tõukab tagant uute põnevate asjade avastamist,“ mõtiskles professor.

Nobeli preemia vääriliseks kuulutatud tööni sillutasid teed rohelised helenduvad proteiinid (GFP), mida nähti esimest korda 1960. aastate alguses meduusides. Järgnenud kümnenditel leiti, et need ahelduvad tänu tugevale kovalentsele sidemele erinevate valkude külge, mis jääksid muidu nähtamatuks. (2008. aastal sai GFP esmakordselt isoleerinud Osamu Shimomura, helenduvate valkude kasutusvõimalusi demonstreerinud Martin Caflie ja helendumise põhjuseid uurinud Roger Tsien Nobeli keemiapreemia).

Moernerit ja tema kolleege huvitas 1990. aastate keskpaigas üks selle mutantidest (EYFP) – muutuste tõttu andis see helendudes välja hoopis kollast valgust. „Kõigepealt tahtsime minu laboris töötanud Rob Dicksoniga tõestada, et suudame seda üldse näha. Ent nagu tavaks, kohe algasid üllatused. Valk võis tükk aega valgust kiirata, siis selle mõneks ajaks lõpetada ja siis uuesti kiirgama hakata. Veelgi enam, näitasime, et saime molekulide plinkimist valgusega kontrollida. Ja seda kõike toatemperatuuril,“ meenutas Moerner.

Järgnenud kümnendil suutsid teadlased sünteesida üha paremate omadustega helenduvaid valke, millega molekule pildile püüda. Muideks, fluorestseeruvate molekulide täiustamises on kaasa löönud ka eestlased. Näiteks aastal 2005 ilmus ajakirjas Journal of Physical Chemistry B Moerneri töörühma järjekordne töö, mille autorite hulgast võib leida ka Koit Mauringu, Tartu ülikooli füüsika instituudi vanemteaduri.

Moerneri ja ta kaaslaste avastustest hakkasid samal kasu lõikama teised töörühmad. Teiste seas samuti eelmisel aastal Nobeli preemia pälvinud Eric Betzig, kes suutis nende abil viimaks difraktsiooni poolt seatavast piirist mööda hiilida, kasutades helenduvaid molekule justkui lambikestena, mille abil heita valgust nähtava valguse lainepikkusest oluliselt väiksemate struktuuridele. (Tavaliste optiliste mikroskoopidega ei saa uurida struktuure, mille läbimõõt on nendelt peegelduva valguse lainepikkusest kaks korda väiksem). Olulist rolli mängis lisaks Betzigi ja ta kolleegide võimekus määrata helenduvate molekulide asukohta paari nanomeetri täpsusega ja panna korraga helenduma vaid üksikud molekulid. (Loe Betzigi tööst siit).

Ülikõrge lahutusvõimega mikroskoopia meetodite arendamist võib võrrelda Tallinna linnaga, mis kunagi valmis ei saa. „Siin on veel palju ära teha, muu hulgas valkude kontrollimise osas. Samuti jätkame kuvaeksperimentide tegemist, kasutades korraga mitmeid markereid. /.../ Täiendavaid võimalusi ja rakendusi pakub helenduvate molekulide asukoha määramine kolmemõõtmelises ruumis. /.../ Ja otseloomulikult annab seda kõike optimeerida, kuna eksperimentides on sinu käsutuses ainult loetud arv valgusosakesi,“ loetles Moerner.

Teadus ei põhine usul
Moerner märgib, et võrreldes Nobeli preemia võitmisele eelnenud ajaga on tema graafik muutunud mõnevõrra tihedamaks. Ta saab rohkem kutseid avalikele esinemistele ja välismaistele konverentsidele. Lisaks tunnetab Moerner, et kuigi ta on jäänud sisimas samaks inimeseks, kuulatakse teda rohkem ja võetakse tõsisemalt. „Nii et pean olema hoolikas, mida ma täpselt ütlen. Samas naudin ma seda kõike. Ma tahan ja tunnen isegi kohustusena teadusmaailma tegemistest rääkida. Preemiaga kaasneb teatav vastutus,“ mõtiskles nobelist.

Professor nendib, et maailmas on veel palju ära teha. Paljud inimesed ei usalda teadust. „Heaks näiteks on vaktsiinid ning väidetav seos autismi ja vaktsineerimise vahel, mis tulenes ühest kahetsusväärsest tööst, mille järeldusi on tänaseks mitmeid kordi ümber lükatud. Kuid selle mõju on näiteks Californias vaktsineerimisest loobumisest tingitud leetripuhangute näol endiselt tuntav. Inimesed võiksid mõista, et teadus ei põhine usul, vaid tugineb eksperimentidel, tõenäosustel ja keerukate probleemide hoolikal uurimisel,“ laiendas Moerner.

„Me ei saa seejuures inimestele öelda, et nad pole targad. Probleem on üldises kommunikatsioonis, mis on tekitanud segadust ka näiteks geneetiliselt muundatud organismide ja üleilmse soojenemise puhul. Nõnda näemegi, et otsuste langetamist ei juhi paljudel juhtudel teadus,“ lisas nobelist.