Термоядерная энергия, новая физика и таблетки от ковида. Десять научных прорывов года

Это имеет решающее значение для понимания того, как действуют болезни, для разработки новых лекарств, или выявления организмов, которые могут помочь нам бороться, к примеру, с загрязнением планеты и изменением климата.

В середине ХХ века ученые определяли их структуру при помощи рентгеноструктурной кристаллографии — рентгеновских лучей и того, как они «рикошетят» от атомов. Это достаточно точный метод, однако очень длительный и затратный. На один белок может уходить несколько лет работы и сотни тысяч доларов — на расшифровку всех белков ученым потребовались бы сотни лет и миллиарды долларов.

Компьютерные моделирования структуры белка разрабатывались достаточно давно, однако за почти 50 лет технология так и не достигла какого-то большого прорыва. До недавних пор.

В середине лета британская компания DeepMind, занимающаяся искусственным интеллектом, заявила, что сумела расшифровать структуру 350 тыс. белков. Более того — компания уверена, что вскоре обнародует структуру практически всех известных науке белков.

Это произошло благодаря успехам в разработке AlphaFold и RoseTTAFold — алгоритмов машинного обучения, которые научились предсказывать структуру белка. Компания использовала их для предсказания формы почти каждого белка в организме человека (около 20 тыс.), а также сотни тысяч других белков, обнаруженных в 20 наиболее широко изученных организмах, среди которых есть дрожжи, фрукты, мухи и мыши.

В будущем ученые планируют выяснить, как именно белки взаимодействуют между собой. На самом деле, эта работа уже началась — к примеру, в октябре DeepMind представила описание 4433 белковых комплексов, а уже через месяц алгоритм RoseTTAFold добавил в список еще 912 групп белков.

Алгоритмы имеют открытый код, благодаря чему доступ к ним имеют ученые со всего мира. К примеру, исследователи используют AlphaFold2 для моделирования мутаций в спайковом белке штамма Омикрон.

«Бурный рост достижений этого года, основанных на искусственном интеллекте, предлагает по-новому взглянуть на танец жизни — это навсегда изменит биологию и медицину», — пишут редакторы Science.

2. Ядерную ДНК извлекли из пещерного грунта

Изучение ДНК в окаменелостях трансформировало изучение эволюции человека и животных. Сейчас мы намного лучше понимаем эволюцию, размножение, вымирание и карту передвижений многих видов — от насекомых до мамонтов.

Однако с людьми все сложнее — их кости попадаются реже, а достаточно качественные — это и вовсе уникальная находка. Из-за этого до сих пор им удалось восстановить лишь 23 ядерных генома древних людей, 18 из которых принадлежат неандертальцам.

Однако относительно новый потенциальный источник ДНК может стать революцией для эволюционных генетиков — грунт старых пещер, в котором могли сохраниться следы древних экосистем — кровь, частички волос, кожи или экскрементов. Ученые выяснили, что они могут сохраняться в земле на протяжении тысячелетий. Это представляет значительное научное достижение: возможность идентифицировать древние человеческие популяции без останков костей.

Весной 2021 года исследователям впервые удалось добыть ядерную ДНК человека из грунта в пещере Эстатуас в Испании, благодаря чему они выяснили генетическую идентичность и пол людей, живших там от 80 тыс. до 113 тыс. лет назад. Летом из грунтов пещеры Сацурблия в Грузии ученые выделили ядерную ДНК доселе неизвестного вида неандертальцев, а также бизона и уже вымершего вида волков.

Методы выделения ядерной ДНК из древних почв продолжает совершенствоваться — однако нет никаких сомнений, что вскоре мы сможем узнать намного больше об эволюции людей и животных на Земле.

3. Термоядерный синтез меняет нашу энергетику

Солнце и мириады других звезд — это естественные термоядерные реакторы, которые питают нашу Вселенную. Уже около века ученые со всего мира пытаются перенести эту реакцию на Землю, чтобы избавить население от энергетических проблем. Проблема в том, что это достаточно сложный процесс, который не так просто воспроизвести не на звезде. Эта область так долго стояла на месте, что в научном мире уже давно гуляет шутка про то, что до создания рабочего термоядерного реактора осталось 30 лет — и так будет всегда.

Насколько реально сделать так, чтобы шутка перестала быть актуальной — говорить пока рано, ведь для запуска полноценного термоядерного реактора нам нужно сразу несколько научных прорывов в сфере инженерии и материаловедения. Однако ученые действительно надеются расширить технологию уже в ближайшие десятилетия благодаря последним открытия, подробнее о которых вы можете прочитать в нашем большом материале о термоядерной энергетике и ее перспективах.

4. Таблетки от COVID-19

Как мы уже писали выше, разработка вакцин от коронавируса была одним из важнейших достижений ученых в прошлом году. Однако борьба продолжается и не ограничивается одними уколами.

Таблетки должны стать новым оружием человечества против COVID-19. Они помогут предотвратить тяжелые симптомы болезни или смерть от нее, если их принять на ранней стадии заражения.

Первые таблетки от ковида — молнупиравир — были разработаны фармацевтической компанией Merck и Ridgeback Biotherapeutics (Merck & Co). Производитель заявил, что их препарат показал 50%-ю эффективность. Однако затем в Merck & Co провели дополнительные исследования и отметили, что их таблетки на самом деле менее эффективны. Тем не менее, некоторые европейские страны уже одобрили их применение.

Чуть позднее свой препарат представила и Pfizer — и здесь все выглядит намного успешнее. Согласно последним данным, прием таблеток в течение трех дней после появления симптомов, уменьшает вероятность госпитализации на 89%.

Тем не менее, ученые отмечают, что появление таблеток от ковида не означает, что отпадет необходимость вакцинации. Особенно если учитывать, что вирус постоянно мутирует. Однако многие специалисты уверены, что новые формы лекарств имеют шанс переломить ход пандемии.

5. Психоделики против ПТСР

Традиционные фармацевтические препараты обычно просто притупляют симптомы посттравматического стрессового расстройства (ПТСР), а потому исследователи находятся в активном поиске альтернатив.

Психоделические препараты долгое время считались опасными наркотиками. Однако в последнее время все больше исследований меняют это восприятие, ведь на самом деле психоделики могут помочь миллионам людей с тревожностью, депрессией и другими психическими расстройствами.

В апреле ученые разработали и начали тестировать антидепрессант на основе псилоцибина — вещества, входящего в состав галлюциногенных грибов. Препарат интересен тем, что не вызывает никаких галлюцинаций или чего-то подобного.

Большое исследование, проведенное в мае этого года, показало, что МДМА (или экстази) значительно снижает симптомы пациентов с ПТСР. Спустя два месяца лечения 67% тех, кто принимал препарат, избавились от симптомов — в группе, принимавшей плацебо, таких было только 32%. К результатам пока что нужно относиться с осторожностью, однако это хороший знак.

Комбинация экстази и разговорной терапии позволяет мозгу обрабатывать болезненные воспоминания и исцеляться. Однако ученые предупреждают, что МДМА без терапии не будет автоматически вызывать положительные эффекты — здесь важно работать со специалистом.

Уже к 2023 году терапия ПТСР с помощью МДМА может получить одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США.

6. Моноклональные антитела против инфекций

Моноклональные антитела, которые синтезируют в лабораториях, уже какое-то время активно применяются для лечения рака и аутоиммунных заболеваний. Однако инфекционные заболевания до сих пор оставались непокоренной вершиной.

В этом году все изменилось благодаря пандемии коронавируса. Поскольку ковид возник относительно недавно, а лекарств от него не было, некоторых больных пытались лечить при помощи моноклональных антител. Параллельно с этим начались исследования лечения ВИЧ, малярии, гриппа, вируса Зика, цитомегаловируса и респираторно-синцитиального вируса.

Чтобы создать моноклональные антитела, ученые выделяют самые сильные антитела у лабораторных животных и людей, после чего «размножают» их.

До сих пор эти лекартсва были труднодоступными и дорогими, однако и здесь ситуация начинает потихоньку меняться. Благодаря последним достижениям в моделировании организма животных и рентгеновской кристаллографии исследователи могут проверять и создавать большее количество антител, что удешевляет стоимость их разработки; Science и вовсе надеется, что совсем скоро моноклональные антитела могут стать стандартным оружием в арсенале инфекционных заболеваний.

7. Что внутри Марса?

«Внутренности» каменистой планеты, как и свет от звезды, — своего рода машина времени. Изучив ее кору, мантию и ядро мы можем проследить за эволюцией планеты и понять ее историю. До сих пор у нас было лишь две таких капсулы времени, причем одна — с достаточно большой натяжкой: Земля и Луна.

Миссия InSight позволила ученым добавить еще одну планетарную машину времени в коллекцию и изучить ядро Марса. Посадочный модуль приземлился на Красную планету в 2018 году, и поначалу холодный брат Земли был не особо приветливым: ударный зонд HP3 — один из основных научных инструментов — сломался, а солнечные панели, питающие аппарат, постоянно засыпало песком.

Однако в этом году InSight зафиксировал три самых мощных на сегодня марсотрясения магнитуой 4,1 и 4,2 балла, а общее количество подобных событий перевалило за 1000. Геологи используют их как радар, таким образом рассчитывая толщину его коры, размер мантии, плотность ядра и другие характеристики внутренней части Марса.

Это важно не только для удовлетворения нашей любознательности — благодаря таким вот ключам мы потенциально можем восстановить всю историю Солнечной системы.

8. Стандартная модель сломана?

Стандартная модель — одна из лучших научных теорий человечества, которая совсем недавно выдержала экстремальную проверку длиной в 16 лет. Последние изменения в нее внесли еще в 1970-х годах, однако ученые понимают, что она все равно остается неполной. Что-то в этом мире мы упускаем и до сих пор не до конца понимаем, как работает физика.

Согласно Стандартной модели, обычно взаимодействие элементарных частиц объясняется тремя силами — электромагнетизм, а также сильное и слабое ядерное взаимодействие. Она не учитывает ни возможное влияние гравитации, ни темной материи — загадочного компонента Вселенной, о котором мы пока что практически ничего не знаем.

Весной физики из Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми провели эксперимент Muon g-2, о котором мы рассказывали в подробностях вот здесь. В результате ученые получили намек на новую физику — без преувеличения, великое открытие, которое сможет указать на ошибку или, скорее, неточность Стандартной модели, которая до сих пор оставалась непоколебимой.

Больше о том, как работает Стандартная модель, элементарные частицы, что это за исторический эксперимент Muon g-2 и что может измениться после него — читайте в нашем большом разборе.

9. Редактирование генов… во имя медицины, конечно же!

Редактирование генома является одним из видов генной инженерии, котора позволяет ученым вносить изменения в ДНК, что приводит к изменению физических характеристик, а также может уменьшить риск заболеваний. Ученые используют для этого разные технологии.

CRISPR — это мощный инструмент для редактирования генов, позволяющий исследователям легко изменять последовательности ДНК и функцию генов в течении дней, а не недель или месяцев. В 2017 году американские ученые впервые успешно отредактировали геном эмбриона человека ради исправления мутации, применив технологию CRISPR/Cas9. Это была первая большая клиническая победа этого метода. В 2020-м медикам впервые удалось использовать CRISPR для исправления мутации непосредственно в организме пациента.

Также этот метод применили, чтобы вылечить двух пациенток от бета-талассемии и серповидноклеточной анемии — у них взяли стволовые клетки крови, отредактировали их геном, размножили и вернули обратно в организм.

Редактирование генома и метод CRISPR может совершить революцию в медицине, считают в Science. Подробнее об этом мы рассказывали в нашем материале.

10. Эмбрионы без родителей

Изучение эмбрионов чрезвычайно важно для изучения развития плода, а также лучшего понимания возможных проблем, с которыми могут столкнуться матери во время беременности. Однако изучать настоящие эмбрионы не просто — и если в случае с животными все ограничивается тем, что развитие плода скрыто стенками матки, то в случае с людьми все еще сложнее: существовавшее десятилетиями правило 14 дней очень ограничивало ученых в их возможностях для изучения эмбрионов. В этом году его официально отменили — подробнее о правиле 14 дней вы можете прочитать в этом материале.

Альтернативным решением может стать выращивание эмбрионов «в пробирке» — однако сейчас исследователям не так легко поддерживать из жизнь без тела матери из-за дороговизны необходимых технологий.

В марте израильские ученые из Института имени Вейцмана сумели продлить жизни мышиных эмбрионов до 11 дней вместо обычных 3−4 — у них даже выросли лапы и некоторые органы, что позволило эмбриологам наконец увидеть, как они формируются и развиваются.

Сразу несколько команд ученых также смогли создать копию бластоцисты человека — одной из первых стадий развития эмбриона, состоящий из нескольких сотен клеток.