Топ научных открытий 2021 года: Европа, США, Россия, Сибирь

В российском рейтинге первые места заняли космические (стыковка модуля «Наука» с МКС) и глубоководные исследования (запуск глубоководного нейтринного телескопа на Байкале), начало строительства первого российского центра синхротронного излучения «СКИФ» в Новосибирске и, разумеется, разработка векторной вакцины «Спутник V».

Белки — это рабочие лошадки биологии. Они сокращают наши мышцы, превращают пищу в клеточную энергию, переносят кислород и борются с микробами. Но несмотря на их различные способности, все белки имеют одну основную форму: линейную цепочку из 20 различных видов аминокислот, связанных в последовательности, закодированной в нашей ДНК. После сборки на клеточных фабриках (рибосомах) каждая цепочка складывается в уникальную изысканно сложную трёхмерную форму. Эти формы определяют, как белки взаимодействуют с другими молекулами, и отвечают за их роль в клетке.

Даже крошечные белки могут принимать астрономическое количество форм. В 1950-х годах исследователи начали картировать трёхмерные структуры белков, анализируя их дорогостоящим методом рентгеновской кристаллографии.

Но такое картирование занимает годы. Чтобы ускорить процесс, в 1970-х годах учёные начали создавать компьютерные модели, предсказывающие, как свернётся белок.

Программа искусственного интеллекта RoseTTAFold решила структуры сотен белков из класса лекарственных мишеней. Уже через неделю учёные DeepMind сообщили, что они сделали то же самое с 350 000 белков, обнаруженных в человеческом теле, — 44% всех известных человеческих белков. База данных в итоге вырастет до 100 миллионов белков всех видов.

Сегодня группы учёных в разных странах выясняют, какие белки и как взаимодействуют. Они уже описали тысячи белковых комплексов. Исследователи из Германии и США использовали их готовые модели для своих исследований. Китайские ученые тоже взяли из новой базы почти 200 белков. А Alphabet (материнская компания Google) запустила новое предприятие, которое будет превращать предсказанные белковые структуры в новые лекарства.

Разработчики активно используют своё программное обеспечение для создания новых белковых последовательностей, которые сложатся в стабильные структуры. Так могут появиться на свет новые антивирусные препараты и катализаторы. Уже сейчас учёные, изучающие SARS-CoV-2, используют базу AlphaFold2 для моделирования эффекта мутаций в шиповом белке варианта Omicron.

Использование РНК-вакцин для иммунизации против вирусных заболеваний позволяет не вводить в организм фрагменты патогенных вирусов, в отличие от других типов вакцин.

Организм иммунизированного РНК-вакциной человека приобретает антитела против вируса, самостоятельно вырабатывая вирусные белки, которые не способны вызывать болезнь, но прекрасно стимулируют иммунитет на выработку антител против вируса.

РНК-вакцины широко используют в Европе, Азии и США. Их эффективность не становится ниже после ревакцинации, в отличие от векторного типа вакцины, к аденовирусу которой организм вырабатывает иммунитет. В Россию поставок матричных РНК-вакцин, к сожалению, нет.

Антитела против вирусов — это весьма дорогостоящая панацея для невакцинированных людей, например, с ослабленным иммунитетом или детей. Они вводятся в количестве несколько граммов в первые дни заболевания, как бы выполняя роль иммунитета, неспособного по каким-то причинам выработать собственные антитела в нужном объёме в достаточно короткие сроки. В результате болезнь спустя сутки отступает или проходит в очень лёгкой форме, поскольку моноклональные антитела нейтрализуют вирус, который ещё не успел размножиться в катастрофических для организма объёмах и нанести большой ущерб.

Технология не очень подходит для массового использования в связи с её высокой стоимостью (сотни тысяч рублей) и разовой эффективностью — одна инъекция может спасти человеку жизнь, но при следующем случае заболевания ему нужна повторная инъекция.

Одним из первых счастливых потребителей нейтрализующих антител к SARS-CoV2 от компании Regeneron стал экс-президент США Дональд Трамп, получивший 8 г препарата на ранней стадии заболевания.

Единственная на сегодняшний день российская разработка нейтрализующих антител к вирусу SARS-CoV-2, созданная в Институте молекулярной и клеточной биологии Сибирского отделения Российской академии наук, получила грант Минобрнауки РФ на доклинические испытания в размере 270 млн рублей. Подробности своих исследований учёные опубликовали в журнале Cell Discovery на сайте научного издательства Nature.

Разработкой нейтрализующих антител к ковиду в 2020 году начали заниматься около 15 компаний. Сейчас их более 20, причём большая часть исследований проходит первую стадию — доклинические испытания, к которым приступит научная группа ИМКБ СО РАН вместе с целой коллаборацией учёных из разных институтов и ведомств.

Тепловой зонд InSight с аппарата НАСА впервые сумел изучить мантию и ядро планеты Марс. Попытки сделать это в 2018 году не увенчались успехом — зонд не мог проникнуть внутрь. Сейсмостанция на InSight зафиксировала несколько землетрясений в регионе Марса, где много трещин. Это помогло составить карту внутренней толщи планеты. Марсианская кора толщиной 40 км оказалась многослойной. Заглянув в неё поглубже, InSight обнаружил, что марсианская мантия лишена изолирующего нижнего слоя, такого, как есть у нас на Земле.

Мантия Марса оказалась зажатой между корой и гигантским жидким ядром, которое занимает больше половины планеты. Но плотность жидкого ядра небольшая, и скорее всего, оно состоит из смеси лёгких элементов — серы, железа и никеля. В августе и сентябре спускаемый аппарат зафиксировал самые сильные за всю историю Марса землетрясения. Но поскольку красная марсианская пыль продолжает накапливаться на солнечных батареях прибора, время его работы сокращается. Примерно к концу 2022 года он уже выйдет из строя.

Появление возможности выделить ДНК из костных останков совершило настоящую революцию в изучении эволюции человека и животных, выявляя неизвестные отношения, отслеживая ранние миграции и обнажая древние межвидовые спаривания.

Если кости животных — это более или менее массовый материал при раскопках, хотя всё зависит от изучаемого периода, то кости человека — единичные находки. За многие десятилетия раскопок археологи нашли всего несколько костей древних гоминидов. Разрушившаяся за тысячи лет живая материя превратилась в нанометровые частицы пыли, которые можно анализировать только как бесформенную гомогенную субстанцию, рассматривая её под микроскопом или, например, пытаясь выделить из неё ДНК. Как выяснилось, небезуспешно!

В 2021 году генетики научились извлекать ДНК из следов жизнедеятельности древних животных и людей, которые невидимы глазом, но, тем не менее, присутствуют в грунте древних пещер — чаще всего именно пещерный грунт хранит древнюю ДНК, поскольку на открытом ландшафте археологические слои зачастую выветриваются и подвергаются температурному разрушению и уничтожению.

Чтобы выяснить, какие организмы населяли землю, учёные собирают свободно «плавающую» ДНК из воды и почвы. К 2003 году эволюционные генетики показали, что ДНК может сохраняться десятки и сотни тысяч лет. Но большая часть этой ДНК происходит из митохондрий, энергетических установок клетки, в которых хранятся крошечные фрагменты генетического материала. Благодаря новым методам учёные теперь могут «прочёсывать» древние почвы на предмет не митохондриальной, а ядерной ДНК, которая несёт в себе полные инструкции для жизни.

В пещере Эстатуас в Испании ядерная ДНК выявила людей, живших там 80 000–113 000 лет назад, и дала основания предполагать, что одна линия неандертальцев сменила несколько других после ледникового периода, который закончился 100 000 лет назад. В 25 000-летней почве из пещеры Сацурблия в Грузии учёные обнаружили женский геном человека от ранее неизвестной линии неандертальцев, а также генетические следы бизона и вымершего волка. А сравнив ДНК чёрного медведя 12 000-летнего возраста из пещеры Чикиуите в Мексике с ДНК современных медведей, учёные обнаружили, что после ледникового периода потомки пещерных медведей мигрировали на север, вплоть до Аляски.

Новосибирские археологи из Института археологии и этнографии СО РАН уже более 10 лет сотрудничают с Институтом эволюционной антропологии Макса Планка в Лейпциге, в котором разработаны самые передовые технологии извлечения ДНК из костных останков и грунтовых отложений. Именно в этом институте была исследована первая находка новосибирцев — осколок фаланги мизинца, принадлежавший ранее неизвестному виду древнего гоминида, получившего название Homo denisovan или Homo sapiens altaiensis. В 2021 году в Nature вышла очередная публикация по результатам совместной работы ИАЭТ СО РАН с немецкими палеогенетиками, в которой были проанализированы сотни проб из грунтовых отложений Денисовой пещеры, где впервые во всех галереях пещеры было подтверждено присутствие Homo sapiens в слоях моложе 30 тысяч лет.

В этом году в Ливерморской национальной лаборатории в США установка NIF показала рекорд в термоядерном синтезе, который приблизил мечту человечества о зелёной энергетике — о Солнце на Земле. Мощность реакции в 440 тысяч раз превысила мощность крупнейших ГЭС мира. За 100 триллионных долей секунды выделилось 1,3 МДж, а мощность вспышки при слиянии атомов водорода превысила 10 квадриллионов ватт. Это означает, что термоядерная реакция производит почти столько же энергии, сколько составляет энергия лазера, необходимая для её зажигания, и впервые так близко подошла к точке безубыточности.

Сложно добиться давления и температуры, в 10 раз превышающих температуру ядра Солнца. Удерживая сверхгорячую плазму в магнитном поле, NIF использует импульс самого мощного в мире лазера для сжатия капсулы изотопов водорода дейтерия и трития.

Теперь команда пытается выяснить, как настроить начальные условия, чтобы добиться ещё лучших результатов, используя более крупные или более гладкие топливные капсулы, более ровные слои замороженного топлива или лазерные импульсы более высокого качества.

По мере того как NIF приближается к безубыточности, частные проекты набирают обороты. Некоторые предсказывают, что они будут генерировать энергию задолго до реактора ИТЭР — проекта магнитного синтеза, финансируемого многими государствами за 25 миллиардов долларов, сообщает Science.

Инструмент редактирования генов CRISPR одержал свою первую клиническую победу в 2020 году, когда вылечил людей с двумя наследственными заболеваниями крови. Учёные брали дефектные стволовые клетки крови у пациентов, редактировали их и вводили обратно пациентам. В этом году учёные испытали CRISPR непосредственно в организме. Эта стратегия позволила снизить токсический белок печени и немного улучшить зрение у людей с наследственной слепотой.

Редактирование генов могло бы помочь справиться со многими заболеваниями, если бы терапию можно было вводить в какой-либо орган или кровоток. Но заставить CRISPR работать внутри человека — серьёзная проблема. Прежде чем молекулярные компоненты CRISPR смогут правильно модифицировать конкретный ген, их нужно безопасно доставить в нужные клетки.

Чтобы бороться с наследственным транстиретиновым (TTR) амилоидозом, заболеванием, при котором неправильно свёрнутый белок TTR накапливает и повреждает нервы и сердце, исследователи из Intellia Therapeutics и Regeneron Pharmaceuticals дали шести пациентам вливание крошечных жировых шариков, содержащих направляющую и инструкции РНК для фермента CRISPR, отрезающего геном.

В другом исследовании учёные из Editas Medicine ввели безвредный вирус, несущий ДНК CRISPR, в глаза шести взрослым с наследственным нарушением зрения. Учёные надеялись вырезать лишнюю ДНК, которая нарушила мутировавший ген глаза, чтобы восполнить недостающий белок.

Российские разработки, которые были озвучены на различных форумах как наиболее выдающиеся в 2021 году, выглядят не менее монументально, чем в СССР.

Некоторые из этих проектов (Байкальский глубоководный нейтринный телескоп) продолжаются ещё с советских времен. Коллаборация «Байкал» включает в себя сегодня Институт ядерных исследований РАН (Москва), Объединённый институт ядерных исследований (г. Дубна), Иркутский государственный университет, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Нижегородский государственный технический университет, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет и ряд зарубежных партнёров.

На глубине свыше 1 км телескоп улавливает космические частицы нейтрино. Природный поток нейтрино несёт в себе богатейшую информацию об окружающем мире. Исследование этого потока в различных энергетических диапазонах способно дать понимание ранних стадий эволюции Вселенной, процессов формирования химических элементов, механизма эволюции массивных звёзд и взрывов сверхновых, понять проблему тёмной материи, выяснить состав и внутреннее строение Солнца.

Другие два проекта — «СКИФ» и векторная вакцина «Спутник V» Института им. Н. Ф. Гамалеи, которую излишне представлять российскому читателю, — достаточно оперативно дошли до реализации. «Сибирский кольцевой источник фотонов» — это крупный и пока единственный в России Центр синхротронного излучения (СИ), строительство которого только началось в Новосибирской области, в Наукограде Кольцово. Синхротрон «СКИФ» относится к четвёртому поколению источников СИ.

Окончание реализации проекта намечено на 2024 год.

Модуль «Наука» был запущен в космос и пристыкован к МКС в июле 2021 года. Это четвёртая научная лаборатория на МКС после американской, европейской и японской. Научного оборудования в ней около шести тонн. Планируемые исследования первой очереди: измерение потока нейтронов и составление карты нейтронного поля поверхности Земли, проверка дезинфицирующих препаратов для применения на борту МКС, создание полупроводниковых кристаллов высокой чистоты, эксперимент по созданию оранжереи для выращивания овощей и ягод в космосе, испытания манипулятора, подобного человеческой кисти, исследования свойств ионосферы Земли, изучение поведения микробов в космосе, выведение перепелов в инкубаторе, эксперимент Центра Келдыша по проверке работы установки для ядерного буксира и другая исследовательская деятельность.