Антибиотик от ИИ, искусственные эмбрионы и сверхмощный компьютер. ТОП-9 научных открытий 2023 года, которые могут изменить нашу жизнь. Что интересного узнала наука в этом году? «Новая-Европа» задала эти вопросы нескольким ученым из разных областей науки. Виктория Доронина, ассистент кафедры науки факультета образования Манчестерского городского университета (Manchester Metropolitan University)
1. Проведена первая успешная пересадка криоконсервированной почки
— У органов срок жизни вне тела при охлаждении короткий: у почки — около 12 часов, у легкого и сердца — еще меньше. Если в течение этого времени не удалось подобрать совместимого реципиента или возникли трудности с транспортировкой, они просто утилизируются. Как сохранить донорский орган, который не был востребован сию минуту, но, возможно, для него найдется реципиент спустя месяц или даже год?
До сих пор всё упиралось в хранение донорского органа. В условиях низких температур организм приостанавливает все свои химические и биологические процессы, впадает в анабиоз. Однако при экстремальном охлаждении возникают проблемы с сохранением жизнеспособности клетки. Во время замораживания и размораживания внутри клеток образуется лед, и его кристаллы, словно ножи, пронзают ткани и повреждают их. Нужен способ заморозить ткань, но так, чтобы избежать образования кристаллов льда.
Сегодня наиболее перспективной технологией криоконсервации считается витрификация (стеклование): происходит очень быстрое замораживание ткани, в результате получают не лед, а твердое вещество, похожее на стекло.
Этот метод позволяет сохранять с помощью низких температур (криоконсервировать) и впоследствии пересаживать донорские органы, имеющие простую структуру, — это в первую очередь роговица и кожа. Успешно прошли эксперименты по трансплантации яичников и ампутированных пальцев. Но в более сложно устроенных органах, таких как почки с их разветвленной капиллярной сетью, труднее добиться равномерного впитывания защищающего от образования льда вещества — криопротектора, а процессы замораживания и оттаивания требуют больше времени и могут идти неравномерно, что в итоге приведет к повреждению органа. И если процессы витрификации уже отлажены, то проблему с оттаиванием органа надо было как-то решать.
Исследователи из Университета Миннесоты (США) использовали для этой цели процесс нагревания, но очень быстрый, чтобы избежать раскристаллизации (расстеклования), которая делает ткань нежизнеспособной. Перед тем как начать витрификацию, они наполнили почки защитной жидкостью и наночастицами оксида железа, стремительно охладили их, чтобы избежать образования кристаллов льда, и поместили в криоустановки.
Спустя сто дней исследователи применили новую технологию для восстановления криоконсервированной почки методом нанонагревания. Их поместили в переменное магнитное поле, которое заставляло наночастицы колебаться и генерировать тепло. Таким образом ученым удалось добиться быстрого и равномерного оттаивания.
В итоге впервые удалось заморозить почки на сто дней, а затем провести успешную их трансплантацию. Пересаженные почки производили мочу, хотя и гораздо медленней, чем нормальная почка.
Пока это только эксперименты на крысах, но ученые оптимистично заявляют, что в самое ближайшее время смогут начать испытания на человеческих органах. Впереди еще долгий путь, но первый шаг в направлении создания банка донорских органов, которые могут храниться десятками лет, сделан.
2. Искусственный интеллект создал антибиотик
— На мой взгляд, новостью номер один стало создание нового антибиотика против бактерии Acinetobacter baumannii. Это грамотрицательный патоген, который часто проявляет множественную лекарственную устойчивость, что делает его особенно опасным в больничных условиях.
Открытие нового антибиотика — в принципе, дело хлопотное, дорогостоящее и, главное, очень долгое. По некоторым оценкам, на создание такого препарата может уйти до 10–15 лет. Но всё меняется, когда в дело вступает машинное обучение, которое позволяет очень быстро проанализировать химическое пространство.
Ученые собрали тысячи уже имеющихся антибактериальных веществ, которые замедляют рост А. baumanii, и «скормили» их ИИ. Через полтора часа ИИ выдал 6680 новых химических соединений. 240 были опробованы в лаборатории на бактериях, из них отобрали девять кандидатов, среди которых один, названный впоследствии бауцином, сильно замедлял рост А. baumanii. Он работал в мышах и подавлял рост бактерий, выделенных у пациентов. Следующий этап — это клинические испытания, и, если они будут успешными, бауцин может появится в арсенале врачей в 2030-м.
Особенно интересной чертой бауцина является то, что он подавляет только рост А. baumanii, в то время как большинство антибиотиков действуют на широкий спектр микробов.
Это отличная черта, поскольку она уменьшает вероятность распространения устойчивости к антибиотикам на другие бактерии.
3. Созданы чернила из бактерий для 3D-принтера
— Сегодня на 3D-принтере можно напечатать что угодно — от безделушки или торта до деталей космических ракет, домов и человеческих органов. Принцип печати для всех этих объектов общий: последовательное, слой за слоем, наложение материала, который принимает заданную форму. Областей применения изделий, напечатанных на 3D-принтере, становится всё больше, а вместе с ними и требований. Одно из главных — к исходному материалу, который часто называют чернилами.
Материал для 3D-принтинга должен обладать двумя диаметрально противоположными качествами: быть жидким, но в процессе печатания под воздействием разных факторов затвердевать и сохранять прочность.
Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) предложили использовать в качестве чернил гидрогели с живыми бактериями Sporosarcina pasteurii. Эти бактерии были выбраны, поскольку они способны индуцировать биогенный карбонат кальция, который и обеспечивает прочность изделия. Прелесть таких «живых чернил» в том, что по окончании процесса печати они минерализируются и в течение нескольких дней окончательно затвердевают.
Поскольку Sporosarcina pasteurii не представляют биоопасности, гидрогели на их основе можно использовать в медицинской сфере. Впрочем, ученые полагают, что их открытие можно применять и при реставрации мраморных скульптур. Но, пожалуй, самая захватывающая перспектива у «живых чернил» — это возможность печати коралловых рифов для восстановления поврежденных морских экосистем.
Александр Кукалев кандидат биологических наук, постоянный научный сотрудник Берлинского института системной биологии при Центре молекулярной медицины имени Макса Дельбрюка
4. Ученые выделили РНК умерших животных
— Извлечение РНК (одноцепочечной копии участка ДНК) из останков вымерших животных — процесс тонкий и долгое время считавшийся невозможным, поскольку РНК, в отличие от ДНК, легко мутирует и быстро разрушается. Тем интереснее, мне кажется, работа, проведенная исследовательской группой из Шведского центра палеогенетики, сумевшей извлечь РНК сумчатого волка, вымершего почти столетие назад.
РНК уже успешно выделяли из мумифицированных останков человека (примерно пятитысячелетней давности) или из уже исчезнувших видов животных. В последнем случае использовали образцы, извлеченные из вечной мерзлоты, зато им было аж 15 тысяч лет.
Теперь же для исследования взяли образец ткани сумчатого волка, который долгое время хранился при комнатной температуре. То есть в условиях, кардинально отличающихся от тех, в которых были получены предыдущие исследуемые образцы. И это принципиальный момент: несмотря на низкую стабильность молекул РНК, современные технологии секвенирования нуклеиновых кислот позволяют получить достаточно полную картину активности генов в тканях вымерших животных. А значит, мы можем узнать о них намного больше, чем ранее.
Перед нами открываются новые возможности для изучения экспонатов методами палеогеномики, благо существующие сегодня коллекции музеев естественной истории Лондона, Берлина и Нью-Йорка огромны и превосходят всякое воображение.
5. Созданы первые искусственные человеческие эмбрионы из стволовых клеток
— Почему беременность завершилась неудачей и произошел выкидыш? Для некоторых женщин это вопрос вопросов, и ученые полны решимости найти на него ответ. В этом им должны помочь исследования человеческих эмбрионов на самых ранних стадиях.
В большинстве стран существует строгое юридическое ограничение на подобные эксперименты: культивировать человеческие эмбрионы в лаборатории разрешено до возраста 14 дней. Дальше остается лишь наблюдать развитие плода у беременных либо изучать эмбрион, полученный в результате потери беременности.
В научных целях ученые Кембриджского университета и Калифорнийского технологического института создали человеческие эмбрионы, но без участия сперматозоидов и яйцеклетки. Каждая модель была выращена из одной эмбриональной стволовой клетки до стадии гаструляции — это очень ранний этап зародышевого развития эмбриона.
У него еще нет бьющегося сердца, кишечника или зачатков мозга, но уже имеются примордиальные клетки, которые являются клетками-предшественниками яйцеклеток и сперматозоидов.
В прошлом году эта же команда сумела создать подобные эмбрионы, но на животных моделях. У мышиных эмбрионов развились и мозг, и бьющееся сердце, и основа туловища. В общем, они были почти идентичны эмбрионам, полученным естественным путем, но только почти. После их имплантации в утробу самкам беременность у тех так и не наступила.
В начале этого года китайские исследователи создали такие же эмбрионы из стволовых клеток обезьяны, а полученный зародыш имплантировали в матку взрослых самок. У некоторых из них в первые дни начали развиваться признаки беременности, но всё закончилось ничем.
Пока нет ясности и с человеческими эмбрионами: непонятно, обладают ли они потенциалом для последующего развития. Как нет и правовых оснований для подобных исследований.
Руководитель исследования, профессор Магдалена Жерницка-Гетц из Кембриджского университета и Калифорнийского технологического института, отметила, что ученые смогут создавать модели, подобные человеческим эмбрионам, но имплантация их в матку является незаконной.
И хотя развитие искусственных эмбрионов почти наверняка пойдет не так, как естественных, эта работа всё же даст дополнительную информацию об этих процессах и, возможно, позволит найти причину сбоя, который ведет к потере беременности. Кроме того, существенная ценность таких исследований — это возможность их применения для клинических тестов и апробирования возможных лекарств.
Данила Воронов, научный сотрудник Института эволюционной биологии Макса Планка
6. Создано имплантируемое устройство для синтеза инсулина и контроля уровня глюкозы в крови
— Уровень глюкозы — решающий показатель для людей, страдающих диабетом. У здорового человека его контролирует инсулин, который регулирует обменные процессы и следит за балансом глюкозы. При сахарном диабете первого типа самостоятельная выработка инсулина нарушается, и пациентам необходимо вводить его постоянно, чтобы поддерживать нужный уровень глюкозы.
Сейчас у пациентов есть инсулиновые помпы — электронные устройства, которые крепятся непосредственно на теле и имитируют работу поджелудочной железы. Пациент должен лишь настроить нужную дозу и позаботиться о зарядке, так как устройство работает на электропитании.
Безусловно, это несколько ограничивает удобство и мобильность и не является абсолютно безопасным. Будущее развитие биоэлектронных имплантатов зависит от наличия надежного и самодостаточного вживляемого электрогенератора, решили исследователи из Цюрихского технологического института и подошли к задаче с другой стороны.
Известно, что в организме циркулируют жидкости, которые содержат множество высокоэнергетических метаболитов. Почему бы какую-либо из них не использовать в качестве маленькой внутренней электростанции?
Наиболее многообещающим субстратом ученые посчитали глюкозу, содержащуюся в крови.
В итоге был создан чип, который контролирует этот показатель. При повышении уровня глюкозы устройство начинает вырабатывать электричество, за счет которого и функционирует. Сам чип представляет собой небольшую трехмерную матрицу с запрограммированными в ней человеческими клетками. Когда уровень сахара в крови повышается, чип включается в работу: альгинат, которым обернут чип, впитывает и пропускает через себя глюкозу, расщепляя ее на отдельные компоненты, в том числе на протоны, которые позволяют генерировать электрический ток. Ток, в свою очередь, вместе с искусственными клетками запускает процесс синтеза и секреции инсулина. Фактически воссоздана метаболическая система гомеостаза глюкозы. Причем, когда ее уровень возвращается в норму, устройство перестает функционировать, передавая контроль за сахаром организму.
Исследования инсулина и его роли в диабете первого типа уже привели к нескольким Нобелевским премиям. Возможно, это исследование не только позволит контролировать это заболевание, но и приблизит человечество к лекарству от диабета.
7. Создан робот-рука для 3D-печати на внутренних органах
— Еще одно устройство, которое, на мой взгляд, заслуживает внимания, относится к области биопринтинга. Эта технология предполагает 3D-печать тканей, кровеносных сосудов и даже органов на основе биоматериала. В качестве биоматериала используются клетки, которые культивируют до получения их в нужном количестве, а затем «заливают» в 3D-принтер. На выходе получается ткань, которую можно использовать для реконструкции поврежденных органов. Если говорить упрощенно, своеобразный органический пластырь.
С одной стороны, получение такого «пластыря» из собственных клеток существенно снижает вероятность отторжения. С другой — для его имплантации необходимо проведение операции, подчас довольно обширной, а это всегда дополнительные риски, что что-то пойдет не так: разовьется инфекция или орган «встанет» не совсем туда, куда надо.
И вот эту проблему решили исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия), разработавшие роботизированную руку. Она представляет собой гибкую и маневренную трубку, которую, как эндоскоп, вводят в тело, чтобы доставить биоматериал. На конце трубка оснащена очень маленьким подвижным приборчиком, который и является печатающим устройством. Управляет им врач, который через монитор контролирует перемещения робота и следит, чтобы биоматериал был доставлен точно по назначению, после чего запускает процесс биопечати — наращивания ткани. Таким образом можно лечить повреждения на стенке, например, желудка или кишечника.
Исследователи уже опробовали робота, и весьма успешно, внутри искусственной толстой кишки и на свиных почках.
Это устройство также может выполнять функцию электрического скальпеля и применяться для удаления опухоли в том же толстом кишечнике. В эксперименте робот буквально выжигает злокачественные клетки, а остающийся после них «мусор» может выйти естественным путем в процессе перистальтики кишечника.
Исследователи предполагают, что уже лет через семь этот робот войдет в практику. Надеюсь, так и будет.
Научный сотрудник Имперского колледжа Лондона, (анонимно)
8. Телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил в протопланетном газовом диске углеродное соединение
— Космический телескоп «Джеймс Уэбб», запущенный в космос в 2022 году, продолжает проливать свет на тайны возникновения Вселенной, нашей планеты и жизни на ней. В прошлом году он это делал буквально, отправляя завораживающие изображения удаленных областей нашей Вселенной. Благодаря этому ученые смогли увидеть звезды, которые находятся на расстоянии миллионов и даже миллиардов световых лет.
В июне уже этого года NASA сообщило о новой находке — обнаружении углеродного соединения, метил-катиона, являющегося потенциальным кирпичиком для формирования более сложных органических молекул.
Углерод является основой биологической жизни на Земле: он образуется вследствие ядерного синтеза в недрах звезд-гигантов и в результате взрыва звезды — это явление известно как «сверхновая звезда» — попадает в межзвездное пространство.
Вот почему к этому элементу приковано пристальное внимание ученых: он может подсказать, как развивалась жизнь на нашей планете и как она может развиваться в других частях Вселенной.
Свидетельства наличия молекул метил-катиона были обнаружены в молодой звезде под названием d203-506. Это небольшой красный карлик, расположенный в туманности Ориона, которая находится довольно близко от Земли — на расстоянии каких-то 1350 световых лет. Ничто по космическим меркам! Звезда окружена газовым протопланетным облаком и подвергается постоянному воздействию мощного ультрафиолетового излучения, испускаемого более массивными звездами-соседями. Этот результат оказался довольно неожиданным, так как обычно интенсивное УФ-излучение разрушает сложные органические молекулы. Ученые предполагают, что в данном случае оно, возможно, наоборот, запускает химические реакции, в результате которых образуется сначала метил-катион, а затем — и более сложные углеродные соединения.
При этом проплид — газопылевой диск, окружающий звезду, — отличается молекулярным составом от других протопланетных дисков. Например, в нем отсутствуют молекулы воды. По словам ведущего автора исследования Оливье Берне из Французского национального центра научных исследований в Тулузе, это еще одно доказательство того, что ультрафиолетовое излучение может играть решающую роль в химических процессах, идущих на ранних стадиях зарождения жизни.
9. IBM представила первый квантовый компьютер с более чем 1000 кубитами
— В далеком 1965 году соучредитель компании Intel Гордон Мур сформулировал тезис, который впоследствии получил название «закона Мура», а именно: количество транзисторов на микрочипе удваивается примерно каждые два года, то есть скорость и возможности наших компьютеров будут расти. Действительно, по мере того как транзисторы в интегральных схемах становятся всё более эффективными, компьютеры становятся всё меньше и быстрее. Но недалек тот день, когда вычислительная мощность традиционных компьютеров достигнет своих пределов, поскольку объем данных постоянно увеличивается. По оценкам экспертов, это произойдет уже в этом десятилетии. Одним из решений проблемы может стать создание квантового компьютера, основанного вместо классических бинарных алгоритмов на процессах квантовой природы и использующего вместо байтов так называемые кубиты.
Кубиты — это наименьшая единица в квантовом компьютере, аналог бита в обычном. Разница между битом и кубитом в том, что бит может принимать лишь два состояния — 1 или 0, а кубит может принимать оба эти состояния одновременно. Это фундаментальный принцип квантовой механики. И именно это свойство квантовых компьютеров открывает невиданные возможности для обработки информации. Проще говоря, при меньшем числе элементов производительность квантового компьютера может быть в тысячи и миллионы раз выше производительности классического компьютера.
Но есть проблема: квантовые компьютеры — довольно неустойчивая система, которая может выдавать ошибку. Причем чем сложнее задача, тем больше кубитов для ее решения требуется. А чем больше кубитов, тем быстрее накапливаются ошибки.
Новый чип Condor, который представила IBM в конце текущего года, имеет 1121 сверхпроводящий кубит, все они расположены в виде пчелиных сот. Благодаря такой конфигурации каждый кубит теперь связан с шестью соседними кубитами вместо двух-трех в предыдущих конфигурациях, что позволяет применять более совершенные алгоритмы коррекции ошибок.
Добившись превосходства в мощности, компания планирует переключиться на решение другой важной задачи — исправление ошибок. Пока для обеспечения безошибочной работы квантового компьютера требуется платформа из миллиона физических кубитов. По своим масштабам это сопоставимо с атомной электростанцией и огромным стадионом криогенного оборудования. Компания надеется научить компьютер исправлять ошибки, не увеличивая количество физических кубитов, а используя более производительные алгоритмы коррекции.
https://novayagazeta.eu/
