Quant carboni fòssil podem consumir sense fer pujar més de 1,5 K la temperatura global mitjana postindustrial?

Aquesta és la pregunta que volen respondre Robin D. Lamboll i els altres autors d’un article publicat a la revista Nature Climate Change. El concepte que hi ha darrera de la qüestió rep el nom de pressupost romanent de carboni (RCB en l’acrònim anglès), i es defineix com la quantitat neta de CO₂ que la humanitat pot emetre encara sense excedir un determinat nivell d’escalfament global. Habitualment aquest límit se situa en 1,5 K, entesa com la diferència entre la temperatura global mitjana del pic d’escalfament i la temperatura de l’època preindustrial. Així ho entén l’Acord de París del 2015, que utilitza l’RCB com a indicador de la consecució dels objectius globals de mitigació del canvi climàtic antropogènica a través de l’acció política. El valor d’RCB és petit, és a dir que hi ha poc marge de maniobra, però aquesta petitesa fa que la incertesa en el moment de calcular-lo s’hi faci notar. Lamboll et al. avaluen en aquest article estimacions recents de l’RCB pel Panell Internacional Sobre Canvi Climàtic (IPCC), presenten dades més recents i càlculs encaminats a aconseguir unes estimacions més precises i robustes. A data de gener del 2023, l’RCB per disposar d’un 50% de probabilitat de situar l’escalfament per sota de 1,5 K seria, segons aquestes estimacions, de 250 GtCO₂, que equival a sis anys de les actuals emissions. Si hom situa l’objectiu de limitació en un escalfament de 2 K, l’RCB seria de 1200 GtCO₂ (equivalent a 28 anys amb l’actual ritme d’emissions). Pel que fa a la incertesa d’aquestes estimacions, Lamboll et al. assenyalen les emissions antropogèniques d’altres gasos d’efecte hivernacle, que podrien persistir, segons el context socioeconòmic, en una societat global que hagués fet una transició energètica més enllà de les zero emissions netes de CO₂. A aquesta incertesa s’hi suma la derivada de factors geofísics.

Lamboll et al. han estimat la mida del romanent del pressupost de carboni per evitar un pic d’escalfament total de 1,5 K

El romanent disponible de carboni

Aquesta recerca ha estat concebuda per Robin D. Lamboll (investigador de l’Imperial College London), Jarmo S. Kikstra (doctorand a l’Imperial College) i Joeri Rogelj (professor de ciència i política climàtiques de l’Imperial College). Lamboll, Zebedee R. J. Nicholls (del Climate Energy College de la University of Melbourne) i Christopher J. Smith (investigador de la University of Leeds) escrigueren i executaren el codi per a la recopilació de dades. Lamboll, Edward Byers (investigador de l’International Institute for Applied Systems Analysis), Kikstra i Rogelj analitzaren les dades. La recerca es finançà amb programes europeus.

Lamboll trameté l’article el 5 d’agost. La revisió fou a càrrec de Nadine Mengis, Antti-Ilari Partanen i Benjamin Sanderson. L’article fou acceptat el 20 de setembre i publicat el 30 d’octubre.

En el càlcul de l’RCB hom té en compte l’efecte d’altres factors antropogènics diferents de les emissions de CO₂. La finalitat de l’RCB és disposar d’un element per jutjar la velocitat necessària del procés de descarbonització per assolir l’objectiu de no depassar els 1,5 K d’escalfament en relació al nivell preindustrial. Hom pot repartir l’RCB de manera equitativa entre les nacions signatàries de l’Acord de París. El problema és que aquest repartiment es fa sobre un RCB que ja és prou baix i per tant massa susceptible de veure’s afectat per les incerteses del procés d’estimació.

El Sisè Report de l’IPCC desglossà l’RCB en un component de CO₂ i en un component per altres factors. En el càlcul participaven:
- l’augment de temperatura per unitat de carboni emès (TCRE).
- l’escalfament històric (és a dir el nivell assolit d’escalfament antropogènic per damunt de la temperatura mitjana preindustrial).
- l’acció de mecanismes de retroalimentació del sistema terrestre (ESF).
- l’escalfament històric i recent degut a factors diferents de les emissions de CO₂.
- les temperatures industrials, que l’IPCC manega amb una precisió de 0,2 K.

L’RCB es pot entendre com les emissions netes acumulades de CO₂ prèvies a l’assoliment de l’estadi de les zero emissions. En tots els escenaris contemplats, les emissions antropogèniques de CO₂ serien les úniques en arribar a un valor de zero, mentre que altres gasos d’efecte hivernacle encara tindrien emissions netes i passarien a protagonitzar l’escalfament addicional. Ara bé, aquests escenaris contemplen que després d’assolir les zero emissions de CO₂ hom passaria a una captació antropogènica neta de CO₂ atmosfèric, de manera que aquest factor contrarestés o cancel·lés l’efecte d’altres gasos d’efecte hivernacle.

Lamboll et al. actualitzen les estimacions de RCB per al 2022 i la situen en 250 GtCO₂ si hom vol assolir una probabilitat del 50% de limitar l’escalfament a 1,5 K. Ara bé, per disposar d’una probabilitat del 83% ja fem tard (-170 GtCO₂). Si ens conformen amb una probabilitat del 17% l’RCB puja a 840 GtCO₂.

Per limitar l’escalfament a 2 K amb una probabilitat del 90% l’RCB hauria de ser de 500 GtCO₂. Per valorar aquestes xifres cal recordar que només en el 2022 les emissiona antropogèniques netes de CO₂ foren de 40 GtCO₂, de manera que ja només tindríem 12 anys per disposar d’una probabilitat del 90% de limitar el pic d’escalfaments a 2 K.

Dit d’una altra manera, si l’objectiu de les zero emissions s’assoleix en el 2035 tindríem un 50% de probabilitat que el pic d’escalfament fos inferior a 1,5 K. Si l’objectiu no s’assoleix fins el 2050 hi hauria un 90% de probabilitat que el pic d’escalfament fos inferior a 2 K, però si ens hem d’esperar al 2070 aquesta probabilitat es reduiria al 66%.

Lligams:

- Assessing the size and uncertainty of remaining carbon budgets. Robin D. Lamboll, Zebedee R. J. Nicholls, Christopher J. Smith, Jarmo S. Kikstra, Edward Byers, Joeri Rogelj. Nature Climate Change (2023).

El mercat laboral femení: Claudia Goldin, Premi Nobel d'Economia 2023

La Reial Acadèmia Sueca de Ciències ha anunciat avui la concessió del Premi Sveriges Riksbank en Ciències Econòmiques en Memòria d'Alfred Nobel a Claudia Goldin "per haver fet avançar la nostra comprensió dels resultats de les dones en el mercat laboral".

Claudia Goldin

Claudia Goldin (*NY, 1946) es doctorà a la University of Chicago el 1972. És professora a la Harvard University.

Les dones en el mercat de treball

Com a historiadora econòmica Claudia Goldin ha treballat sobre dos segles d’arxius en referència a les diferències de gènere en el mercat laboral dels Estats Units. La participació de la dona en el mercat laboral segueix en aquests dos-cents anys d’història americana una forma d’U. Així doncs, en la transició d’una societat agrària a una d’industrial, a començament del segle XIX hi ha una caiguda en la participació laboral de les dones casades. Amb la terciarització de l’economia a principi del segle XX es registra un augment en la participació laboral de les dones casades. Aquest augment s’acompanya d’una evolució de les normes socials sobre la responsabilitat de la dona a la llar. Des de llavors creix el nivell educatiu de les dones, i ja a principi del segle XXI en molts països de renda alta el nivell educatiu mitjà de les dones supera substancialment la mitjana masculina. Goldin & Katz (2002) han assenyalat particularment el rol de la píndola anticonceptiva en aquesta transformació, de forma que la planificació familiar s’associà a una planificació de la carrera laboral.

Pel que fa als ingressos laborals, Goldin ha seguit l’evolució de la diferència de paga entre homes i dones, que es mantingué durant força temps. Goldin ho atribueix a decisions educatives fetes en la joventut, sovint basades en l’experiència de les generacions prèvies de mares i àvies. Bertrand et al. (2010) assenyalen que actualment es manté una diferència de paga en una mateixa ocupació del sector financer o corporatiu entre homes i dones sense fills, d’una banda, i entre dones que són mares de l’altra: una diferència que arrenca en gran mesura des del moment del naixement del fill primogènit.

Lligams:

- Pàgina web de Claudia Goldin a Harvard.

- Understanding the Gender Gap: An Economic History of American Women. Claudia Goldin. Oxford: Oxford University Press (1990).

- The Power of the Pill: Oral Contraceptives and Women's Career and Marriage Decisions. Claudia Goldin, Lawrence F. Katz. Journal of Political Economy 110: 730-770 (2002).

- The Quiet Revolution That Transformed Women's Employment, Education, and Family. Claudia Goldin. American Economic Review 96: 1-21 (2006).

- Dynamics of the Gender Gap for Young Professionals in the Financial and Corporate Sectors. Marianne Bertrand, Claudia Goldin, Lawrence F. Katz. American Economic Journal: Applied Economics 2: 228-255 (2010).

- The Cost of Workplace Flexibility for High-Powered Professionals. Claudia Goldin, Lawrence F. Katz. Annals of the American Academy of Political and Social Science 638: 45–67 (2011).

- A Grand Gender Convergence: Its Last Chapter. Claudia Goldin. American Economic Review 104: 1091-1119 (2014).

La síntesi de punts quàntics: Bawendi, Brus, Ekimov (Premi Nobel de Química 2023)

Nanotecnologia: La Reial Acadèmia Sueca de Ciències ha anunciat avui la concessió del Premi Nobel de Química a Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus i Alexei I. Ekimov "per la descoberta i síntesi de punt quàntics". Els punts quàntics o taques quàntiques són partícules cristal·lines semiconductores d’uns pocs nanòmetres de diàmetre. Aquesta mida (1 nm = 10^-9 m) fa que efectes mecànics quàntics alterin les propietats òptiques i electròniques d’un semiconductor clàssic. Bawendi, Brus i Ekimov es repartiran a parts iguals els 11 milions de kronor sueques.

Electromicrografia de transmissió per agranatge de resolució atòmica que ens mostra una taca quàntica d’arseniür d’indi i de gal·li (InGaAs) dins d’un bloc d’arseniür de gal·li

Moungi G. Bawendi

Moungi Gabriel Bawendi (*París, 15.3.1961) es doctorà a la University of Chicago el 1988 amb una tesi sobre bandes calentes de H₃⁺ supervisada per Takeshi Oka. És professor al Massachusetts Institute of Technology (MIT) des del 1996.

Louis E. Brus

Louis E. Brus (*Cleveland, 1943) es doctorà a la Columbia University el 1969. El 1973 començà a fer recerca a AT&T Bell Laboratories, desenvolupant en el 1983 nanocristalls semiconductors col·loidals. És professor de química a la Columbia University des del 1996.

Alexei I. Ekimov

Алексей Иванович Екимов (*28.2.1945) es doctorà a Ioffe Physical-Technical Institute de Sankt Petersburg amb una tesi sobre física de semiconductors. El 1975 rebé el Premi Estatal de la Unió Soviètica de Ciència i Enginyeria pels seus treballs sobre orientació de l’espín electrònic en semiconductors. Des del 1999 fou cap científic de Nanocrystals Technology Inc., amb seu a NYC.

Punts quàntics

Els punts quàntics es troben a cavall del món molecular i del món macroscòpic. El món macroscòpic, al capdavall, és integrat per molècules, i l’estructura molecular de cada cos macroscòpic determina les seves propietats químiques. Un punt quàntic també és un agregat de molècules, però d’una mida prou petita com perquè aquesta mida n’afecti les propietats a través d’efectes quàntics.

La mecànica quàntica introduí aviat el problema de la partícula en una capsa. Quan una partícula es troba confinada en un espai de mida comparable a la longitud d’ona que porta associada (segons el principi de de Broglie), les energies de la funció d’ona permeten estats que depenen críticament de l’invers del quadrat de la mida de l’espai.

Quan la mida de la ‘capsa’ depassa de llarg la longitud d’ona associada a la partícula, la mecànica quàntica no desapareix sinó que és la que explica la traducció de l’estructura electrònica de les molècules en les propietats macroscòpiques de la matèria. Els cossos metàl·lics poden entendre’s com un conjunt de nuclis atòmics immersos en un ‘gas’ integrat per electrons lliures. Segons el metall o aliatge, hom pot determinar com a fonamental la calor específica. Ara bé, si una làmina metàl·lica és prou prima (10 nm) i la temperatura ambiental és prou baixa (de l’ordre d’uns pocs kelvin) la calor específica pot variar d’acord amb el gruix de la làmina i apartar-se del valor propi del metall originari.

A final dels anys 1970, el grup d’Ekimov, de l’Institut Òptic Estatal de l’URSS S.I. Vavilov, aconseguí la creació de partícules cristalls de clorur de coure dins d’una matriu de vidre de silicat prou petits com per exhibir fenòmens quàntics (Ekimov et al., 1980). Així el color verd del vidre originari patia modificacions dependents d’aquests efectes quàntics. El vidre de silicat originari contenia clorur de coure per damunt del límit de solubilitat de la matriu gràcies a un tractament tèrmic. A una temperatura de 4,2 K, Ekimov et al. observaven línies d’excitons anàlogues a les observades en làmines fines de clorur de coure, però amb una formes que variaven d’acord amb el tractament tèrmic rebut pel vidre en el moment de la seva formació. En l’interior del vidre es formaven cristalls de CuCl: la mida mitjana d’aquests cristalls depenia del règim de temperatura sota el qual s’havia format el vidre (Golubkov et al., 1981). Els efectes quàntics sobre les propietats semiconductores eren observables perquè la mida dels cristalls era de l’ordre de nanòmetres o de desenes de nanòmetres (Ekimov & Onushchenko, 1981).

En els anys 1980, el grup de Brus aconseguí demostrar efectes quàntics dependents de mida en nanopartícules que suraven en un medi líquid. Els punts quàntics col·loidals de Brus, a diferència dels punts quàntics immersos en vidre d’Ekimov, sí podien ésser objecte de processament ulterior. Rossetti et al. (1983) mostraren com la mida de cristal·lits de sulfur de cadmi (CdS) en solució aquosa influïa d’acord amb un efecte quàntic de mida sobre els espectres de ressonància de Raman i els espectres electrònics. Els efectes quàntics, detectables en cristalls frescos de 4-5 nm, s’esvaïen l’endemà quan recristal·litzaven a una mida superior (12,5 nm).

El 1993, el grup de Bawendi introduí un mètode per a la producció química de punts quàntics d’alta qualitat (Murray et al., 1993). La síntesi d’aquests punts quàntics comença amb la injecció i piròlisi immediata de reactius organometàl·lics en un solvent coordinador calent. En resulta una supersaturació abrupta de manera que el moment de nucleació dels cristalls queda ben definit. El reescalfament de la solució a la temperatura adient produeix un creixements i anellament que estabilitza la dispersió col·loidal. Un procés de precipitació diferencial permet separar cristalls de mides diferents. Amb una sola ronda de creixement, Murray et al. produïen nanocristal·lits de sulfur, seleniür i tel·luriür de cadmi de 1,2 a 11,5 nm. Els efectes quàntics es difuminaven en nanocristalls de mides superiors a 2 nm.

La introducció de punts quàntics en la tecnologia dels díodes emissors de llum ha donat lloc a la tecnologia QLED, utilitzada en pantalles d’ordinadors i televisors. Làmpades QLED són també utilitzades en histologia. Els punts quàntics poden jugar en el futur un paper en desenvolupament d’electrònica flexible, de nanosensors, de cèl·lules solars ultrafines, d’encriptació, etc.

Lligams:

- Pàgina de Louis E. Brus al web del Department of Chemistry de la Columbia University.

- Exciton light absorption by CuCl microcrystals in glass matrix. A.I. Ekimov, A.A. Onuschenko, V.A. Tsekhomskii. Sov. Glass Phys. Chem 6: 511-512 (1980).

- Quantum size effect in three-dimensional microscopic semiconductor crystals. A. I. Ekimov, A. A. Onushchenko. JETP Lett+ 34: 345-349 (1981).

- Quantum Size Effects in the Redox Potentials, Resonance Raman-Spectra, and Electronic-Spectra of Cds Crystallites in Aqueous-Solution. R. Rossetti, S. Nakahara, L. E. Brus. J. Chem. Phys. 79: 1086-1088 (1983).

- Electron–electron and electron‐hole interactions in small semiconductor crystallites: The size dependence of the lowest excited electronic state. L. E. Brus. J. Chem. Phys. 80: 4403-4409 (1984).

- Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites. C. B. Murray, D. J. Norris, M. G. Bawendi. J. Am. Chem. Soc. 115: 8706-8715 (1993).

Polsos de llum d'attosegons de durada: Agostini, Krausz, L'Huillier (Premi Nobel de Física, 2023)

Fotònica: La Reial Acadèmia Sueca de Ciències ha anunciat avui la concessió del Premi Nobel de Física a Pierre Agostini, Ferenc Krausz i Anne L'Huillier "per mètodes experimentals que generen polsos de llum d'attosegons per a l'estudi de la dinàmica d'electrons en la matèria. Un attosegon (10^-18) és l’escala de temps pròpia de la metrologia ultraràpida. Els tres guardonats es repartiran a parts iguales els 11 milions de kronor sueques.

Làser Nd:YAG (de granat d’itri i alumini dopat d’impureses de neodimi). La llum verda que s’observa és del primer harmònic, amb una longitud d’ona de 532 nm.

Pierre Agostini

Pierre Agostini (*Tunis, 23.07.1941) es doctorà a la Universitat d’Ais-Marselha el 1968. És professor emèrit de The Ohio State University, amb seu a Columbus.

Ferenc Krausz

Krausz Ferenc (*Mór, 17.05.1962) es doctorà a la Universitat de Tecnologia de Viena el 1991. És director de l’Institut Max Planck d’Òptica Quàntica, amb seu a Garching. És també professor a la Ludwig-Maximilians-Universität München.

Anne L'Huillier

Anne Genevieve L’Huiller Wahlström (*Paris, 16.08.1958) es doctorà a la Universitat Pierre i Marie Curie de París el 1986 amb una tesi sobre ionització multifotònica i multielectrònica. És professora a la Universitat de Lund.

La dinàmica electrònica de la matèria a l’escala d’attosegons

En la matèria els processos de moviment o de canvi d’electrons pot donar-se en escales temporals de 10^-16-10^-18 s. Per seguir experimentalment aquests processos es necessari poder crear polsos lluminosos d’una durada de l’ordre d’attosegons (10^-18 s). Ara bé, mentre que la unitat atòmica intrínseca de temps és d’uns 24 attosegons, l’escala temporal d’un pols òptic monocíclic és de 1000 attosegons (=1 femtosegon). De tota manera el desenvolupament de tecnologia làser permeté arribar a polsos lluminosos de 6000 attosegons amb els quals ja resultava possible seguir els estats de transició de reaccions químiques, o el que és el mateix seguir el moviment d’àtoms en molècules.

Agostini et al. (1979) observaren experimentalment el procés d’ionització per damunt de llindar (ATI) en constatar com era possible que un àtom de xenó absorbessin més de sis fotons.

L’Huiller et al. (1983) aconseguiren la producció d’ions amb càrregues múltiples (Xe²⁺, Xe⁺) a partir de gasos nobles com el criptó (Kr) o el xenó (Xe) a través de processos d’absorció multifotònica amb un puls làser de 50 picosegons (=50 milions d’attosegons) amb un rang d’intensitat de 1,064 W·cm^-2…

En el 1987 el grup d’Anne L’Huiller a Paris-Saclay descobrí que la transmissió de llum d’un làser infraroig Nd:YAG a través d’un gas noble genera nombrosos harmònics diferents de llum. Si un làser resulta de l’amplificació de llum a través d’una emissió estimulada de radiació, aquests harmònics presenten longituds d’ona que es corresponen a múltiples de la freqüència de la llum làser originària (1064 nm). Així, el cas de l’argó (Ar) arriben a generar-se harmònics fins al 33, el qual té una longitud d’ona de 32,2 nm. Aquests harmònics resulten de la interacció de la llum làser amb els àtoms del gas noble, que comporta l’excitació d’electrons d’aquests àtoms, traduïda eventualment en l’emissió de llum. El més interessant és que a partir del cinquè harmònica la caiguda d’intensitat cau més lentament com més alt és l’harmònic. En el cas del Xe, apareix un continu de radiació a longituds d’ona inferior a 350 nm (Ferray et al., 1988).

L’Huillier et al. (1991) presentaren un càlcul de la generació harmònica en xenó exposat a un fort camp làser, d’acord amb el qual predeien que la generació d’alts harmònics era un efecte degut a un sol electró.

Lewenstein et al. (1994) presentaren una teoria quàntica completa de la generació d’alts harmònics.

Schins et al. (1994) observaren com un plasma de gal·li generat per làser induïa transicions d’Auger en argó.

Antoine et al. (1996) demostraren experimentalment que els harmònics d’alt ordre generats per un àtom sotmès a un camp làser intens formaven trens de polsos ultrabreus corresponents a trajectòries diferents d’electrons que són tunnelats cap enfora de l’àtom i s’hi recombinen. Una selecció adient de trajectòries permetia aconseguir un tren de polsos d’attosegons de durada.

Nisoli et al. (1997) aconseguiren comprimir polsos d’alta energia de 20 femtosegons en fer-lo passar per fibres plenes de criptó, de manera que obtenien polsos de 20 μJ i de 4,5 femtosegons de durada.

En el 2001, el grup de Pierre Agostini aconseguí la producció de sèries de polsos consecutius de llum cadascun dels quals tenia una durada de 250 attosegons (0,25 femtosegons) (Paul et al., 2001).

En el 2001, el grup de Ferenc Krausz aconseguí aïllar en un sistema atòmic polsos de llum d’una durada de 650 attosegons (Hentschel et al., 2001).

La física d’attosegons ha permès estudiar processos de dinàmica electrònica de la matèria. Schultze et al. (2010) aconseguiren mesurar un retard de 21 ± 5 attosegons en la fotoemissió d’electrons procedents d’orbitals 2p d’àtoms de neó comparat amb la d’electrons de l’orbital 2s dels mateixos àtoms: naixia així l’espectroscòpia fotoelectrònica.

El repte actual és aprofitar-la per a finalitats pràctiques com ara el diagnòstic mèdic.

Lligams:

- Pàgina web del grup de recerca Attoworld.

- Free-Free Transitions Following Six-Photon Ionization of Xenon Atoms. P. Agostini, F. Fabre, G. Mainfray, G. Petite, N. K. Rahman. Phys. Rev. Lett. 42: 1127 (1979).

- Multiply charged ions induced by multiphoton absorption processes in rare-gas atoms at 1.064μm. A. L'Huillier, L. A. Lompre, G. Mainfray, C. Manus. J. Phys. B: Atom. Mol. Phys. 16 1363 (1983).

- Multiple-harmonic conversion of 1064 nm radiation in rare gases. M. Ferray, A. L'Huillier, X. F. Li, L. A. Lompre, G. Mainfray, C. Manus. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys 21: L31 (1988).

- Higher-order harmonic generation in xenon at 1064 nm: The role of phase matching. A. L’Huillier, K. J. Schafer, K. C. Kulander. Phys. Rev. Lett. 66: 2200 (1991).

- Theory of high-harmonic generation by low-frequency laser fields. M. Lewenstein, Ph. Balcou, M. Yu. Ivanov, Anne L’Huillier, P. B. Corkum. Phys. Rev. A 49: 2117 (1994).

- Observation of Laser-Assisted Auger Decay in Argon. J. M. Schins, P. Breger, P. Agostini, R. C. Constantinescu, H. G. Muller, G. Grillon, A. Antonetti, A. Mysyrowicz. Phys. Rev. Lett. 73: 2180 (1994).

- Attosecond Pulse Trains Using High–Order Harmonics. Philippe Antoine, Anne L'Huillier, Maciej Lewenstein. Phys. Rev. Lett. 77: 1234 (1996).

- Compression of high-energy laser pulses below 5 fs. M. Nisoli, S. De Silvestri, O. Svelto, R. Szipöcs, K. Ferencz, Ch. Spielmann, S. Sartania, F. Krausz. Opt. Lett. 22: 522-524 (1997).

- Observation of a Train of Attosecond Pulses from High Harmonic Generation. P. M. Paul, E. S. Toma, P. Breger, G. Mullot, F. Auge, P. Balcou, H. G. Muller, P. Agostini. Science 292: 1689-1692 (2001).

- Attosecond metrology. M. Hentschel, R. Kienberger, Ch. Spielmann, G. A. Reider, N. Milosevic, T. Brabec, P. Corkum, U. Heinzmann, M. Drescher, F. Krausz. Nature 414: 509-513 (2001).

Nucleòsids modificats per a l'ARNm de síntesi: Katalin Karikó & Drew Weissman, Premi Nobel de Medicina, 2023

L'Assemblea Nobel del Karolinska Institutet ha anunciat avui la decisió de guardonar amb el Premi Nobel de Fisiologia o Medicina Katalin Karikó i Drew Weissman "per descobertes en relació a la modificació de bases nucleosídiques que permeteren el desenvolupament de vaccins d'ARN missatger efectius contra la covid-19". Recordem que aquests vaccins, si bé es basen en l'ARNm del gen S del coronavirus SARS-CoV-2, són constituïts per nucleòsids modificats diferents de la guanosina, adenina, citosina o uracil.

Molècules d’ARN missatger amb nucleòsids modificats (modRNA) són més eficients en la transferència d’informació que les d’ARN missatger nadiu (mRNA), i no desencadenen els mecanismes de protecció cel·lular que poden conduir a l’apoptosi

Katalin Karikó

Karikó Katalin (*Szolnok, 17.1.1955) es doctorà a la Universitat de Szeged el 1982. Fou investigadora postdoctoral a l'Acadèmia Hongaresa de Ciències de Szeged entre 1982 i 1985. Després investigà a la Temple University de Philadelphia i a la University of Health Science de Bethesda. Fou professora ajudant de la University of Pennsylvania entre 1989 i 2013. És vicepresidenta de BioNTech RNA Pharmaceuticals. Des del 2021 és professora a la Universitat de Szeged i a la Perelman School of Medicine de UPenn.

Drew Weissman

Drew Weissman (*Lexington, 1959) es doctorà en medicina a la Boston University el 1987. Va fer pràctica clínica a Beth Israel Deaconess Medical Center de la Harvard Medical School i recerca als National Institutes of Health. El 1997 establí un grup de recerca propi a la Perelman School of Medicine. És professor en recerca sobre vaccins i director del Penn Institute for RNA Innovations.

Modificacions de nucleòsids en la tecnologia de vaccins d'ARNm

Els avenços en immunologia van permetre esclarir la base biològica dels vaccins, alhora que la vaccinologia fou un dels puntals del coneixement bàsic i aplicat sobre el sistema immunitari. L'isolament dels agents etiològics de malalties infeccioses servia per a la fabricació de vaccins atenuats o inactivats. El coneixement de l'estructura molecular de virus i altres patògens obria la porta a fabricar vaccins a partir dels components immunològicament més rellevants. Amb les tècniques d’enginyeria genètica resultava possible sintetitzar en el laboratori proteïnes antigèniques de la coberta viral. També hom podia introduir parts rellevants del genoma víric en un vector adient.

Ara bé, tant la fabricació de vaccins atenuats o inactivats, com la de vectors vaccinals basats en l’enginyeria genètica requereix l’ús de cultius cel·lulars a escala industrial. Per això, ja des dels anys 1970 hom treballà en el desenvolupament de plataformes de síntesi de molècules antigèniques independent de cultiu cel·lular. D’una banda es treballava en la síntesi de pèptids (fragments proteics). D’altra banda, en els anys 1980 s’introduïren mètodes de transcripció in vitro, amb els quals es podia sintetitzar àcid ribonucleic (ARN) a partir de fragments d’àcid desoxiribonucleic d’origen biològic, és a dir una forma d’ARN missatger (ARNm) anàloga a la que es genera dins del nucli cel·lular.

L’aplicació directa d’ARNm sintètic com a molècula immunogènica era poc o gens viable, per la inestabilitat de l’ARN i la difícil penetració en teixits i cèl·lules. Hom assajà sistemes lipídics (micel·les de fosfolípids) per encapsular molècules d’ARN i afavorir-ne la farmacocinètica. Però fins i tot en aquest cas l’administració d’ARN exogen provocava reaccions inflamatòries en animals d’experimentació.

Aquests obstacles no feren a la bioquímica Katalin Karikó de desistir en aquesta línia de recerca, que impulsava des del seu grup a la UPenn. Inicià una col·laboració amb el metge especialitzat en immunologia Drew Weissman, que treballava en cèl·lules dendrítiques. Com que les cèl·lules dendrítiques són les presentadores professionals d’antígens a limfòcits, la clau era trobar formes efectives per fer-hi arribar les molècules d’ARNm de síntesi.

En cultius de cèl·lules dendrítiques, l’exposició a ARNm de síntesi desencadena una resposta de tipus inflamatori. En canvi, quan aquests cultius cel·lulars són exposats a ARNm d’origen cel·lular no hi ha la mateixa resposta. Aquesta activació diferencial de cèl·lules dendrítiques podia ser favorable, però calia determinar les causes subjacents a aquesta diferència.

En principi l’ARNm biològic i l’ARNm sintètic són polímers construïts a partir de ribonucleòtids caracteritzats per la seva base nitrogenada. Essencialment, trobem ribonucleòtids d’adenina (A), uracil (U), guanosina (G) i citosina (C). Ara bé, l’ARN biològic pot patir modificacions post-transcripcionals que afectin aquestes bases per les quals no passa l’ARN de síntesi. Karikó & Weissman realitzaren la síntesi d’ARNm amb nucleòsids modificats com m5C (citosina metilada en posició 5), m6A (adenina metilada en posició 6), m5U (uracil metilat en posició 5), s2U o ψ (pseudouridina), i comprovaren que l’ARNm resultant no provocava una resposta pro-inflamatòria en cèl·lules dendrítiques (Karikó et al., 2005).

Les molècules d’ARNm sintètic que havien incorporat el nucleòsid ψ per comptes d’U presentaven tant en models cel·lulars íntegres com en lisats cel·lulars una major capacitat d’ésser traduïdes a proteïna, una major estabilitat biològica i una menor immunogenicitat (Karikó et al., 2008). La raó d’aquesta diferència era que l’ARNm amb ψ no activava la PKR (una protein-cinasa dependent d’ARN). L’activació de la PKR per ARNm de síntesi sense nucleòsids modificats condueix a la inhibició de la maquinària traduccional dels ribosomes (Anderson et al., 2010).

La introducció de pseudouridina i d’altres nucleòsids modificats obria la porta a aplicacions terapèutiques de l’ARNm sintètic. Hom assajà vaccins basats en aquesta tecnologia des de principi de la dècada passada contra el virus Zika i el MERS-CoV. En declarar-se la pandèmia de covid-19 el març del 2020, hom aconseguí en nou mesos l’aprovació de vaccins d’ARNm modificat basats en la seqüència del gen S del virus causant, el SARS-CoV-2. Aquests vaccins, amb una eficàcia del 95% sobre les formes greus de la covid-19, contribuïren a superar la fase aguda de la pandèmia en qüestió de poc més d’un any.

Però la tecnologia d’ARNm modificat de síntesi també té altres aplicacions potencials en matèria de teràpia molecular contra el càncer o contra malalties rares.

Lligams:

- Pàgina web de Katalin Kariko a la Perelman School of Medicine U Penn.

- Pàgina web de Drew Weissman a la Perelman School of Medicine U Penn.

- Suppression of RNA Recognition by Toll-like Receptors: The impact of nucleoside modification and the evolutionary origin of RNA.. K. Karikó, M. Buckstein, H. Ni, D. Weissman. Immunity 23: 165–175 (2005).

- Incorporation of pseudouridine into mRNA yields superior nonimmunogenic vector with increased translational capacity and biological stability. K. Karikó, H. Muramatsu, F.A. Welsh, J. Ludwig, H. Kato, S. Akira, D. Weissman. Mol. Ther. 16: 1833–1840 (2008).

- Incorporation of pseudouridine into mRNA enhances translation by diminishing PKR activation. B.R. Anderson, H. Muramatsu, S.R. Nallagatla, P.C. Bevilacqua, L.H. Sansing, D. Weissman, K. Karikó. Nucleic Acids Res. 38: 5884–5892 (2010).

L’impacte en mortalitat de les mutacions mitocondrials heteroplàsmiques deletèries

Més enllà del genoma contingut en el nucli cel·lular hi ha el genoma dels orgànuls citoplasmàtics coneguts com a mitocondris. El genoma mitocondrial conté alguns gens importants que, en cas de mutació deletèria, poden conduir a malalties relacionades amb l’envelliment cel·lular. Hi ha una diferència substancial amb les mutacions de gens nuclears: en una cèl·lula poden haver-hi de milers a desenes de milers de còpies d’ADN mitocondrial. Així, sovint les mutacions mitocondrials poden existir en estat d’heteroplàsmia, és a dir que siguin presents únicament en una fracció de les còpies. Dan Eytan Arking, co-director de mecanismes biològics del Johns Hopkins University Older Americans Independence Center, ha coordinat una recerca sobre mutacions mitocondrials heteroplàsmiques deletèries en 194.871 participants del UK Biobank. En un article publicat ahir a Nature Communications, amb Yun Soo Hong i Stephanie L. Battle com a primeres autores, mostren com aquest tipus de mutacions s’associen amb un 50% d’augment de risc de mortalitat. A través de la caracterització funcional de variants mononucleotídiques (SNVs), han construït un índex MSSm que s’associa amb mortalitat general, prevalència i incidència de càncer i mortalitat per càncer. L’associació és especialment robusta amb la leucèmia. Hong et al. pensen que les SNVs mitocondrials heteroplàsmiques podrien ésser un marcador de pronòstic en la leucèmia.

El cercle exterior registra totes les posicions heteroplàsmiques sinònimes o que afecten regions no-codificants del genoma circular mitocondrial. El segon cercle registra totes les SNVs heteroplàsmiques no-sinònimes. El tercer cercle registra les posicions sense heteroplàsmia. El cercle interior conté anotacions gèniques.

El genoma mitocondrial

Els mitocondris no són tan sols els orgànuls cel·lulars responsables de la major part de la producció energètica sinó que participen en l’homeostasi del calci, l’apoptosi (mort cel·lular programada), l’oxidació d’àcids grassos o la generació de metabòlits intermedis. Cada cèl·lula conté milers de mitocondris, cadascun dels quals conté una o més còpies d’un cromosoma circular. El cromosoma mitocondrial no té histones que el pleguin protectivament com els cromosomes nuclears; el sistema de reparació d’ADN és més limitat; i es troba més exposat a espècies reactives d’oxigen (els mitocondris són els principals responsables de la respiració oxigènica cèl·lular): tot plegat afavoreix l’adquisició de mutacions. Com que cada cèl·lula conté milers o desenes de milers de còpies d’ADN mitocondrial, el més habitual és que aquestes mutacions n’afectin tan sols una fracció: es diu llavors que són mutacions en heteroplàsmia.

Històricament, les mutacions en ADN mitocondrials només podien detectar-se en homoplàsmia o en una alta freqüència heteroplàsmica, però les noves tècniques permeten també observar-les en molt baixa freqüència heteroplàsmica. Estudis de seqüenciació genòmica indiquen baixos nivells d’heteroplàsmia en un 40-50% de les mostres. El 30% de les heteroplàsmies observades són heretades (d’herència materna, ja que l’embrió rep exclusivament mitocondris de l’òvul). La manifestació d’aquestes mutacions heteroplàsmiques es concentra en teixits amb alts requeriments energètics. Alhora, la disfunció mitocondrial té un impacte en la disminució de la longevitat, augment de la incidència de càncer i de malalties degeneratives.

Hong et al. han desenvolupat MitoHPC, un conjunt d’eines bioinformàtiques que mesuren variants mononucleotídiques (SNVs) d’ADN mitocondrial en grans bases de dades de seqüenciació genòmica, com l’UK Biobank. MitoHPC construeix una seqüència mitocondrial consens per a cada individu de la base de dades. En una primera ronda identifica al·lels principals, que definiran la seqüència consens; i en la segona els al·lels minoritaris.

UK Biobank és una gran cohort d’homes i dones recrutats entre el 2006 i el 2010 quan tenien entre 40 i 69 anys, de la qual hom disposa d’informació clínica i material biològic. Hong et al. treballen sobre 194.781 individus de UK Biobank.

Un total de 74.639 SNVs heteroplàsmics

Hong et al. han identificat en aquests 194.781 individus, un total de 74.369 SNVs heteroplàsmiques amb una fracció al·lèlica igual o superior al 5%. De fet, el 30,5% dels individus analitzats tenen almenys una heteroplàsmia. Les 74.369 SNVs es corresponen a 11.602 al·lels, que afecten 10.161 posicions mitocondrials (el 61,8% del genoma mitocondrial, excloent-hi les regions homopolimèriques poliC). Dels 11.602 al·lels heteroplàsmics, n’hi ha 4.257 que es detecten únicament en un individu; tan sols 1.305 al·lels es troben en 10 o més individus.

Hong et al. consideren homoplàsmics els al·lels amb una freqüència superior al 95% en les seqüències d’un individu. En total identifiquen 4.540.598 SNVs homoplàsmiques, corresponents a 7.929 posicions úniques (de les quals 6.586 poden presentar un al·lel heteroplàsmic). Hi ha 385 individus sense cap variant homoplàsmica. De les 14.285 variants úniques trobades, el 49,3% poden ésser heteroplàsmiques o homoplàsmiques; el 31,9% únicament heteroplàsmiques; i el 18,8% únicament homoplàsmiques.

Entre les mutacions mitocondrials heteroplàsmiques detectades la ratio entre transicions i transversions és de 28,7 a 1.

Entre els individus analitzats hi ha 28 parelles de bessons homozigòtics, 760 parelles mare-fill i 3.657 parelles de germans de pare i mare. Això fa que Hong et al. puguin deduir que el 30% de les heteroplàsmies observades siguin heretades; la resta han estat adquirides individualment és a dir que són producte de mutacions somàtiques.

Amb l’edat augmenta el nombre de SNVs mitocondrials heteroplàsmiques. L’estatus de fumador també l’augmenta. En canvi, no hi ha diferències entre sexes.

L’impacte d’heteroplàsmies mitocondrials en mortalitat i morbiditat

Els individus que presenten 4 o més heteroplàsmies tenen un 50% (amb un interval de confiança del 95% que va de 14% a 98%) més de risc de mortalitat que els individus sense cap heteroplàsmia.

No totes les heteroplàsmies tenen el mateix impacte sobre el risc de mortalitat. Les heteroplàsmies sinònimes (que no alteren el proteoma mitocondrial) no hi tenen un impacte significatiu. Les heteroplàsmies no-sinònimes sí que el tenen, i bo i més aquelles que introdueixen un codó stop que atura la síntesi proteica.

Quan l’heteroplàsmia afecta una posició conservadora de l’ADN mitocondrial l’associació amb el risc de mortalitat es fa més alt.

Hong et al. han construït una escala MSS per avaluar l’heteroplàsmia mitocondrial que han validat amb cohorts del TOPMed consortium: ARIC, MESA, FHS, WHI. L’escala MSS no recull però l’associació amb la mortalitat quan s’aplica a la població negra del UK Biobank.

L’escala MSS s’associa especialment amb el risc de mortalitat per neoplàsies, per malalties digestives i per causes externes. L’associació és especialment elevada amb la mortalitat per càncer de pulmó, càncer de mama, limfoma i leucèmia. L’escala MSS s’associa amb una major incidència de càncer de pulmó, limfoma i leucèmia, explicable pel fet que la disfunció mitocondrial és força rellevant en aquestes neoplàsies. És significatiu que l’escala MSS s’associï amb la bronquitis, la neutropènia, la trombocitopènia o l’anèmia aplàstica.

Lligams:

- Deleterious heteroplasmic mitochondrial mutations are associated with an increased risk of overall and cancer-specific mortality. Yun Soo Hong, Stephanie L. Battle, Wen Shi, Daniela Puiu, Vamsee Pillalamarri, Jiaqi Xie, Nathan Pankratz, Nicole J. Lake, Monkol Lek, Jerome I. Rotter, Stephen S. Rich, Charles Kooperberg, Alex P. Reiner, Paul L. Auer, Nancy Heard-Costa, Chunyu Liu, Meng Lai, Joanne M. Murabito, Daniel Levy, Megan L. Grove, Alvaro Alonso, Richard Gibbs, Shannon Dugan-Perez, Lukasz P. Gondek, Eliseo Guallar, Dan E. Arking. Nature Communications 14: 6113 (2023)