Термоядерна енергія, нова фізика та пігулки від ковіду. Десять наукових проривів року

Це має вирішальне значення для розуміння того, як діють хвороби, для розроблення нових ліків, або виявлення організмів, які можуть допомогти нам боротися, наприклад, із забрудненням планети та зміною клімату.

У середині ХХ століття вчені визначали їх структуру за допомогою рентгеноструктурної кристалографії — рентгенівських променів і того, як вони «рикошетять» від атомів. Це досить точний метод, проте дуже тривалий та затратний. На один білок може йти кілька років роботи і сотні тисяч доларів — на розшифровку всіх білків ученим знадобилися б сотні років та мільярди доларів.

Комп’ютерні моделювання структури білка розроблялися досить давно, проте майже за 50 років технологія так і не досягла якогось великого прориву. Донедавна.

У середині літа британська компанія DeepMind, що займається штучним інтелектом, заявила, що зуміла розшифрувати структуру 350 тис. білків. Більше того, компанія впевнена, що незабаром оприлюднить структуру практично всіх відомих науці білків.

Це сталося завдяки успіхам у розробленні AlphaFold та RoseTTAFold — алгоритмів машинного навчання, які навчилися передбачати структуру білка. Компанія використовувала їх для передбачення форми майже кожного білка в організмі людини (близько 20 тис.), а також сотні тисяч інших білків, виявлених у 20 найбільш широко вивчених організмах, серед яких є дріжджі, фрукти, мухи та миші.

У майбутньому вчені планують з’ясувати, як саме білки взаємодіють між собою. Насправді, ця робота вже почалася — наприклад, у жовтні DeepMind представила опис 4433 білкових комплексів, а вже за місяць алгоритм RoseTTAFold додав до списку ще 912 груп білків.

Алгоритми мають відкритий код, завдяки чому доступ до них мають вчені з усього світу. Наприклад, дослідники використовують AlphaFold2 для моделювання мутацій у спайковому білку штаму Омікрон.

«Бурхливе зростання досягнень цього року, заснованих на штучному інтелекті, пропонує по-новому поглянути на танець життя — це назавжди змінить біологію і медицину», — пишуть редактори Science.

2. Ядерну ДНК витягли з печерного ґрунту

Вивчення ДНК в скам’янілостях трансформувало вивчення еволюції людини та тварин. Зараз ми набагато краще розуміємо еволюцію, розмноження, вимирання та карту пересування багатьох видів — від комах до мамонтів.

Проте з людьми все складніше — їхні кістки трапляються рідше, а досить якісні — це унікальна знахідка. Через це досі їм вдалося відновити лише 23 ядерні геноми древніх людей, 18 з яких належать неандертальцям.

Проте відносно нове потенційне джерело ДНК може стати революцією для еволюційних генетиків — ґрунт старих печер, у якому могли зберегтися сліди стародавніх екосистем — кров, частинки волосся, шкіри чи екскрементів. Вчені з’ясували, що вони можуть зберігатися у землі протягом тисячоліть. Це значне наукове досягнення: можливість ідентифікувати древні людські популяції без останків кісток.

Навесні 2021 року дослідникам вперше вдалося видобути ядерну ДНК людини з ґрунту в печері Естатуас в Іспанії, завдяки чому вони з’ясували генетичну ідентичність та стать людей, які жили там від 80 тис. до 113 тис. років тому. Влітку з ґрунтів печери Сацурблію в Грузії вчені виділили ядерну ДНК досі невідомого виду неандертальців, а також бізона та вже вимерлого виду вовків.

Методи виділення ядерної ДНК із давніх ґрунтів продовжують удосконалюватися — проте немає жодних сумнівів, що незабаром ми зможемо дізнатися набагато більше про еволюцію людей та тварин на Землі.

3. Термоядерний синтез змінює нашу енергетику

Сонце та міріади інших зірок — це природні термоядерні реактори, які живлять наш Всесвіт. Вже близько століття вчені з усього світу намагаються перенести цю реакцію на Землю, щоб позбавити населення енергетичних проблем. Проблема в тому, що це досить складний процес, який не просто відтворити не на зірці. Ця область так довго стояла на місці, що в науковому світі вже давно гуляє жарт про те, що до створення робочого термоядерного реактора залишилося 30 років, і так буде завжди.

Наскільки реально зробити так, щоб жарт перестав бути актуальним — говорити поки що рано, адже для запуску повноцінного термоядерного реактора нам потрібно одразу кілька наукових проривів у сфері інженерії та матеріалознавства. Проте вчені дійсно сподіваються розширити технологію вже в найближчі десятиліття завдяки останнім відкриттям, докладніше про які ви можете прочитати у нашому великому матеріалі про термоядерну енергетику та її перспективи.

4. Пігулки від COVID-19

Як ми вже писали вище, розроблення вакцин від коронавірусу було одним із найважливіших досягнень вчених минулого року. Однак боротьба продовжується і не обмежується одними уколами.

Пігулки мають стати новою зброєю людства проти COVID-19. Вони допоможуть запобігти важким симптомам хвороби або смерті від неї, якщо їх прийняти на ранній стадії зараження.

Перші пігулки від ковіду — молнупіравір — були розроблені фармацевтичною компанією Merck та Ridgeback Biotherapeutics (Merck & Co). Виробник заявив, що їх препарат показав 50% ефективність. Проте потім у Merck & Co провели додаткові дослідження та зазначили, що їхні таблетки насправді менш ефективні. Проте деякі європейські країни вже схвалили їх застосування.

Трохи пізніше свій препарат представила і Pfizer — і тут все виглядає набагато успішніше. Згідно з останніми даними, прийом таблеток протягом трьох днів після появи симптомів зменшує ймовірність госпіталізації на 89%.

Проте, вчені відзначають, що поява пігулок від ковіду не означає, що відпаде потреба вакцинації. Особливо, якщо враховувати, що вірус постійно мутує. Проте багато фахівців упевнені, що нові форми ліків мають шанс переламати перебіг пандемії.

5. Психоделіки проти ПТСР

Традиційні фармацевтичні препарати зазвичай просто притуплюють симптоми посттравматичного стресового розладу (ПТСР), тому дослідники перебувають у активному пошуку альтернатив.

Психоделічні препарати тривалий час уважалися небезпечними наркотиками. Проте останнім часом все більше досліджень змінюють це сприйняття, адже насправді психоделіки можуть допомогти мільйонам людей із тривожністю, депресією та іншими психічними розладами.

У квітні вчені розробили та почали тестувати антидепресант на основі псилоцибіну — речовини, що входить до складу галюциногенних грибів. Препарат цікавий тим, що не викликає жодних галюцинацій чи чогось подібного.

Велике дослідження, проведене у травні цього року, показало, що МДМА (або екстазі) значно знижує симптоми пацієнтів із ПТСР. Через два місяці лікування 67% тих, хто приймав препарат, позбулися симптомів — у групі, яка приймала плацебо, таких було лише 32%. До результатів поки що потрібно ставитись з обережністю, проте це добрий знак.

Комбінація екстазі та розмовної терапії дозволяє мозку обробляти хворобливі спогади та зцілюватися. Проте вчені попереджають, що МДМА без терапії не буде автоматично викликати позитивні ефекти — тут важливо працювати зі спеціалістом.

Вже до 2023 року терапія ПТСР за допомогою МДМА може отримати схвалення Управління санітарного нагляду за якістю харчових продуктів та медикаментів США.

6. Моноклональні антитіла проти інфекцій

Моноклональні антитіла, які синтезують у лабораторіях, вже якийсь час активно застосовуються для лікування раку та аутоімунних захворювань. Проте інфекційні захворювання досі залишалися непокореною вершиною.

Цього року все змінилося завдяки пандемії коронавірусу. Оскільки ковід виник нещодавно, а ліків від нього не було, деяких хворих намагалися лікувати за допомогою моноклональних антитіл. Паралельно з цим розпочалися дослідження лікування ВІЛ, малярії, грипу, вірусу Зіка, цитомегаловірусу та респіраторно-синцитіального вірусу.

Щоб створити моноклональні антитіла, вчені виділяють найсильніші антитіла у лабораторних тварин та людей, після чого «розмножують» їх.

Досі ці ліки були важкодоступними і дорогими, однак і тут ситуація починає потихеньку змінюватися. Завдяки останнім досягненням у моделюванні організму тварин та рентгенівської кристалографії дослідники можуть перевіряти та створювати більшу кількість антитіл, що здешевлює вартість їх розроблення; Science і зовсім сподівається, що дуже скоро моноклональні антитіла можуть стати стандартною зброєю в арсеналі інфекційних захворювань.

7. Що всередині Марсу?

«Нутрощі» кам’янистої планети, як і світло від зірки, — своєрідна машина часу. Вивчивши її кору, мантію та ядро ми можемо простежити за еволюцією планети та зрозуміти її історію. Досі у нас було лише дві такі капсули часу, причому одна з досить великою натяжкою: Земля і Місяць.

Місія InSight дозволила вченим додати ще одну планетарну машину часу до колекції та вивчити ядро Марсу. Посадковий модуль приземлився на Червону планету в 2018 році, і спочатку холодний брат Землі був не дуже привітним: ударний зонд HP3 — один з основних наукових інструментів — зламався, а сонячні панелі, що живлять апарат, постійно засипало піском.

Однак цього року InSight зафіксував три найпотужніші на сьогодні марсотруси магнітуою 4,1 та 4,2 бала, а загальна кількість подібних подій перевалила за 1000. Геологи використовують їх як радар, таким чином розраховуючи товщину його кори, розмір мантії, щільність ядра та інші характеристики внутрішньої частини Марсу.

Це важливо не тільки для задоволення нашої допитливості — завдяки таким ключам ми потенційно можемо відновити всю історію Сонячної системи.

8. Стандартна модель зламана?

Стандартна модель — одна з найкращих наукових теорій людства, яка зовсім недавно витримала екстремальну перевірку завдовжки 16 років. Останні зміни до неї внесли ще у 1970-х роках, проте вчені розуміють, що вона все одно залишається неповною. Щось у цьому світі ми упускаємо і досі не до кінця розуміємо, як працює фізика.

Згідно зі стандартною моделлю, зазвичай взаємодія елементарних частинок пояснюється трьома силами — електромагнетизм, а також сильна і слабка ядерна взаємодія. Вона не враховує ні можливого впливу гравітації, ні темної матерії — загадкового компонента Всесвіту, про який ми поки що практично нічого не знаємо.

Весною фізики з Національної прискорювальної лабораторії імені Енріко Фермі провели експеримент Muon g-2, про який ми розповідали у подробицях ось тут. В результаті вчені отримали натяк на нову фізику — без перебільшення, велике відкриття, яке зможе вказати на помилку або, швидше, неточність Стандартної моделі, яка досі залишалася непохитною.

Більше про те, як працює Стандартна модель, елементарні частинки, що це за історичний експеримент Muon g-2 і що може після нього змінитися — читайте в нашому великому розборі.

9. Редагування генів… в ім'я медицини, звичайно ж!

Редагування геному є одним із видів генної інженерії, яка дозволяє вченим вносити зміни до ДНК, що призводить до зміни фізичних характеристик, а також може зменшити ризик захворювань. Вчені використовують для цього різні технології.

CRISPR — це потужний інструмент для редагування генів, що дозволяє дослідникам легко змінювати послідовності ДНК та функцію генів протягом днів, а не тижнів або місяців. У 2017 році американські вчені вперше успішно відредагували геном ембріона людини заради виправлення мутації, застосувавши технологію CRISPR/Cas9. То була перша велика клінічна перемога цього методу. У 2020 медикам вперше вдалося використовувати CRISPR для виправлення мутації безпосередньо в організмі пацієнта.

Також цей метод застосували, щоб вилікувати двох пацієнток від бета-таласемії та серповидноклітинної анемії — у них взяли стовбурові клітини крові, відредагували їх геном, розмножили та повернули назад в організм.

Редагування геному та метод CRISPR може здійснити революцію в медицині, вважають у Science. Докладніше про це ми розповідали у нашому матеріалі.

10. Ембріони без батьків

Вивчення ембріонів є надзвичайно важливим для вивчення розвитку плода, а також кращого розуміння можливих проблем, з якими можуть зіткнутися матері під час вагітності. Однак вивчати справжні ембріони не просто — і якщо у випадку з тваринами все обмежується тим, що розвиток плода прихований стінками матки, то у випадку з людьми все ще складніше: правило 14 днів, що існувало десятиліттями, дуже обмежувало вчених у їх можливостях для вивчення ембріонів. Цього року його офіційно скасували — докладніше про правило 14 днів ви можете прочитати у цьому матеріалі.

Альтернативним рішенням може стати вирощування ембріонів «у пробірці» — проте зараз дослідникам не так легко підтримувати життя без тіла матері через дорожнечу необхідних технологій.

У березні ізраїльські вчені з Інституту імені Вейцмана зуміли продовжити життя мишачих ембріонів до 11 днів замість звичайних 3−4 — у них навіть виросли лапи та деякі органи, що дозволило ембріологам нарешті побачити, як вони формуються та розвиваються.

Відразу кілька команд вчених також змогли створити копію бластоцисти людини — однієї з перших стадій розвитку ембріона, що складається з кількох сотень клітин.