В текущем году ученые совершили несколько потрясающих открытий, некоторые из которых могут полностью перевернуть целый ряд современных научных представлений.
2021 год стал испытанием для всего человечества, больше всего проблем из-за продолжающейся эпидемии коронавируса свалилось на медицину. Однако пандемия не смогла помешать прогрессу, и текущий год все же оказался щедрым на научные открытия, которые помогли улучшить качество жизни и узнать ранее неизвестное. Представим топ-5 наиболее важных достижений человечества. Так, по версии журнала Science настоящим прорывом года стали:
1. Вакцины на основе матричной РНК
Главной научной темой в этом году, впрочем, как и в 2020 г, был коронавирус. COVID-19 продолжал преподносить неприятные сюрпризы в виде новых штаммов. С самого начала было ясно: без безопасной и эффективной вакцины пандемию не победить. Фармацевтические компании начали изучать вирус, чтобы выяснить, как он влияет на иммунную систему, чтобы дать ему достойный отпор. Так были созданы революционные вакцины от COVID-19.
Это первые РНК-вакцины в мире, созданные по уникальной технологии, над разработкой которой ученые трудились десятилетиями. Как заявили ученые, за этой технологией – будущее превентивной медицины.
Обычные — векторные — вакцины содержат ослабленный или неактивный возбудитель вируса. Вакцины на основе РНК считаются революционными, потому что основаны на новом подходе, который довели до ума после почти 20 лет исследований. Такие препараты учат клетки вырабатывать белок, который запускает иммунную реакцию в случае заражения. После введения вакцины в плечо РНК попадает в клетки вблизи места инъекции и побуждает их начать выработку того же белка, который обнаружен в возбудителе COVID-19. Иммунная система распознает этот белок и начинает вырабатывать антитела. Клетки сами по себе будут уничтожены, чтобы не производили чего не надо, но иммунная система запомнит S-белок. И в будущем, если в организм снова попадет вирус, иммунный ответ появится быстро. Одним словом. организм становится устойчив к заражению.
Прорывными информационные РНК ученые считают потому, что их легко модифицировать под любой новый штамм вируса. Более того, их можно использовать и для борьбы с инфекциями (к примеру, малярией), раком, ВИЧ и другими тяжелыми заболеваниями.
Сейчас есть две вакцины, созданные по этой технологии: Pfizer и Moderna. Причем, обе они - против коронавируса. Свой вклад в борьбу с коронавирусом внесли и российские ученые. Так, в 2021 году Министерство здравоохранения РФ зарегистрировало новое средство от коронавируса «МИР 19». Это первый в мире ингаляционный препарат, который эффективен от всех штаммов коронавируса, включая и новый "омикрон".
2. Редактирование генома
Технологию редактирования генома CRISPR–Cas9, за которую в прошлом году дали Нобелевскую премию по химии Дженнифер Дудне и Эмманюэль Шарпантье, не спешили применять на людях (не считая китайского ученого, который несколько лет назад генетически модифицировал еще не родившихся детей). Напомним, Дудна и Шарпантье обнаружили неожиданное применение системы бактериального иммунитета — молекулярного механизма, с помощью которого бактерии обнаруживают внутри себя геном паразита — бактериального вируса — и обезвреживают его. С помощью этого механизма, так называемых, «ножниц», можно разрезать в заданной точке любую молекулу ДНК. А дальше уже дело техники: «раскусив» с помощью белка-фермента определенную последовательность ДНК, клетки станут залечивать этот разрыв, а в процессе залечивания можно внести в место разрыва нужные изменения.
«Присуждение Нобелевской премии за изобретение технологии редактирования геномов Дженнифер Дудне и Эмманюэль Шарпантье было лишь вопросом времени — трудно найти за последние два десятилетия пример технологии, которая в большей степени революционизировала науки о жизни. При этом следует понимать, что технологии направленного изменения геномов живых организмов существовали и раньше: научная дисциплина «генная инженерия» насчитывает минимум полувековую историю. Однако ранние методы требовали больших усилий и времени, а успех не всегда был гарантирован. Поэтому то, что сделали Дженнифер и Эмманюэль, действительно стало этапным моментом», - цитирует Forbes профессора «Сколтеха» и университета Ратгерса (США) Константина Северинова. Ученый назвал открытие химиков прорывом в прикладной биологии и медицинской генетике.
В 2021 году ученые впервые доставили редактированный геном в человеческое тело. В частности, система CRISPR–Cas9 «отредактировала» ген, вызывающий редкое заболевание - транстиретиновый амилоидоз. Эта болезнь приводит к отложениям некорректно свернутого белка в разных человеческих органах, что может вызывать их дефектное функционирование. Генная терапия привела к тому, что ошибочный белок перестал синтезироваться. У двух пациентов, которые получили высокую дозу терапии, уровень такого белка снизился на 87%. Это стало настоящим прорывов.
CRISPR-терапия уже позволила улучшить зрение слабовидящих добровольцев и начать борьбу с наследственными заболеваниями крови. Единственное, что смущало научное сообщество – это этическая сторона вопроса, потому исследования с участием человеческих эмбрионов все еще ограничены жесткими законодательными рамками. Но в мае 2021 года Международная организация, устанавливающая руководящие принципы исследования стволовых клеток, ослабила давний запрет на выращивание человеческих эмбрионов в лаборатории на срок более 14 дней. Это послабление позволило учёным исследовать этапы эмбрионального развития, происходящие после этого времени.
Сейчас в стадии клинических испытаний находятся методики, использующие геномное редактирование для лечения некоторых форм рака легких, болезней типа мышечной дистрофии Дюшенна, а также многих лейкемий.
Что касается немедицинских применений, то здесь многие из них уже реализованы на коммерческой основе. Технология CRISPR позволила получить ряд сельскохозяйственных животных и растений, обладающих разными свойствами.
3. Курс на Марс
В этом году была досконально изучена внутренняя структура Марса. Это стало возможным благодаря марсоходу Perseverance NASA. Марсоход добрался на поверхность 18 февраля, сделав этот день особенным. Марсоход «высадил» небольшой вертолет, который собрал пробы грунта и доставил на землю.
Также на Красной планете побывали марсоход из Китая и спутник Норе из ОАЭ. До сих пор одной из главных трудностей при изучении Марса с помощью спускаемых аппаратов становилось приземление. Из-за разреженного воздуха сложно было гарантировать мягкую посадку. Из 18 зондов, которые отправлялись сюда задолго до нынешнего «похода» на Марс, восемь разбились. Потому современные миссии оснастили специальными тормозящими парашютами.
Но главным стало то, что ученые уже увереннее стали говорить об открытии новой эры в исследовании других планет.
4. Ученые «разблокировали» доисторическую ДНК
Еще в 2003 году генетики выяснили, что ДНК может сохраняться в среде обитания существа в течение тысячи лет. Ученые собирали ДНК жителей Земли, живших задолго до появления Homo Sapiens, из озер, лесов и пещер. Шесть лет назад они стали образцами для восстановления древних экологических систем. Узнать подробности и ДНК древних людей не представлялось возможным, поскольку собранные материалы содержали лишь небольшие фрагменты генетического материала. Но в этом году исследователям удалось в пещерной грязи обнаружить ДНК, которая когда-то существовала в ядре клеток человека. Эта «грязная ДНК» дала много информации о своем носителе.
В частности, в трех пещерах ученые установили генетическую идентичность и время проживания там людей. Так, в одной испанской пещере люди жили более 110 тысяч лет назад. Ядерная ДНК показала, что после ледникового периода тут поселились неандертальцы. Также здесь был обнаружен женский геном человека. Помимо этого, был найден генетический след зубра и волка.
Новая технология стала прорывной не столько потому, что пролила свет на жизнь наших предков, но еще и потому, что поможет в будущем биологам, медикам и криминалистам. В частности, биологи с помощью разработки смогут определить присутствие на данной территории тех или иных животных, не потревожив их. А криминалистам новая технология поможет найти преступников. Ну, а медики смогут найти в воздухе те или иные патогены.
5. Искусственный интеллект помог исследовать структуру белка
Ученые назвали «астрономическим» скачок в исследованиях трехмерной структуры белка, который стал возможен благодаря прогрессу в разработке искусственного интеллекта (ИИ). Поясним, в человеческом теле присутствуют сотни и сотни тысяч белков, которые выполняют жизненно важные функции. Как поясняет издание Science, белки – это «рабочие лошадки», благодаря которым сокращаются мышцы, пища превращается в энергию, кислород переносится по организму, ведется борьба с микроорганизмами – захватчиками. Белки имеют одну структуру, но после «сборки» каждая цепь складывается в уникальную и сложную трехмерную форму. Они- то и определяют, как белки будут взаимодействовать с другими молекулами и какова их роль в клетке. Если раньше белковые структуры приходилось «предсказывать» путем долгих исследований в лабораториях, то теперь специальная программа ИИ может воспроизвести тысячи. Именно это достижение престижное научное издание и считает прорывом 2021 года.
В 2021 году прогнозы искусственного интеллекта резко улучшились: они стали быстрее и надёжнее. В середине июля программа RoseTTAFold расшифровала структуры сотен белков, причём все они относятся к классу распространённых лекарственных «мишеней». Затем учёные крупнейшей британской компании, занимающейся искусственным интеллектом DeepMind, объявили, что расшифровали уже 350 000 белков, обнаруженных в человеческом теле, а это 44% всех известных человеческих белков. Ученые прогнозируют, что в самое ближайшее время база данных достигнет 100 миллионов белков всех видов.
Но у ученых впереди еще много работы, поскольку белковые структуры изгибаются, скручиваются, выполняя свою работу. Но и наука не стоит на месте, так что ИИ открывает большие перспективы, которые изменят биологию и медицину.
