Титул найбільшого наукового прориву 2021 року отримала технологія моделювання згортання білків за допомогою програмного забезпечення. Однак цього року відбулося багато інших наукових досягнень, які варті не меншої уваги.
Стародавня грунтова ДНК як вікно в сотні тисяч років назад
ДНК з скам’янілостей змінило вивчення еволюції людини і тварин, виявивши невідомі взаємозв’язки, простеживши ранні міграції і викривши стародавні міжвидові спарювання.
Однак для людей вся ця область залежить всього від 23 архаїчних геномів, 18 з яких належать неандертальцям. Нещодавно вчені відкрили набагато більшу скарбницю стародавньої ДНК: з грунту на підлозі печери. Цього року вперше в печерної грязі була виявлена ДНК, яка колись містилася в ядрі людських клітин, і дослідники використовували таку “брудну ДНК” для відновлення особистості печерних жителів по всьому світу.
Нова робота заснована на вивченні екологічної ДНК живих видів. Щоб з’ясувати, які організми живуть в озерах, лісах та інших місцях, вчені збирають вільно плаваючу ДНК, яку вони викидають в повітря, воду і грунт. У 2003 році еволюційні генетики показали, що викинута ДНК може зберігатися протягом тисяч років. Проєкт був використаний дослідниками в 2015 році, щоб допомогти відновити цілі стародавні екосистеми, навіть за відсутності скам’янілостей.
Але більша частина цієї ДНК походить від мітохондрій, енергетичних установок клітини, в яких зберігаються крихітні фрагменти генетичного матеріалу. Завдяки новим технологіям вчені тепер можуть прочісувати стародавні ґрунти в пошуках ядерної ДНК, яка містить повні інструкції для життя.
Цього року вчені використовували ядерну ДНК, щоб скласти карту проживання людей і тварин в трьох печерах. У печері Естатуас в Іспанії ядерна ДНК виявила генетичну ідентичність і стать людей, які жили там від 80 000 до 113 000 років тому.
Вчені припустили, що одна лінія неандертальців замінила кілька інших після льодовикового періоду, який закінчився 100 000 років тому. У грунті віком 25 000 років з печери Сацурблія в Джорджії вчені виявили геном жінки з раніше невідомої лінії неандертальців, а також генетичні сліди бізона і нині вимерлого вовка.
І, порівнявши 12000-річну ДНК чорного ведмедя з мексиканської печери Чікіхуайт з ДНК сучасних ведмедів, вчені виявили, що після останнього льодовикового періоду нащадки печерних ведмедів мігрували так далеко на північ, як Аляска.
Методи вилучення та секвенування ядерної ДНК з давніх ґрунтів все ще вдосконалюються. Роблячи це, дослідники сподіваються відповісти на ще більше питань про розквіт і занепад стародавніх видів.
День ядерного синтезу
Чи збирається термоядерна енергія подолати свою репутацію як джерела, яке обіцяє зірки, але ніколи не приносить результатів? В серпні з’явився результат, який здивував дослідників. Вчені Національного центру ядерного синтезу США (NIF) виробили реакцію синтезу, яка була надзвичайно близька до досягнення офіційної “беззбитковості”. Це точка, в якій реакція виробляє більше енергії, ніж споживає енергії для її розпалювання.
Термоядерний синтез, який живить Сонце та інші зірки, довгий час розглядався як рішення енергетичних проблем Землі. Але досягнення необхідних тисків і температур – в 10 разів вище температури ядра Сонця – надзвичайно складно.
Багато зусиль спрямовані на створення надгарячої плазми в магнітному полі. Установка NIF використовує імпульс лазера з найвищою енергією в світі для стиснення капсули розміром з горошину перцю ізотопів водню дейтерію і тритію. Раніше в цьому році цей метод генерував 0,17 мегаджоулів енергії термоядерного синтезу за постріл – набагато менше, ніж потужність лазера в 1,9 мегаджоулів.
Але в результаті пострілу 8 серпня ця прибутковість зросла до 1,35 мегаджоулів. Дослідники вважають, що це результат палаючої плазми, а це означає, що в результаті реакції синтезу виділяється достатньо тепла, щоб поширитися по стиснутому паливу подібно полум’ю.
Результат не вивчався рецензованим журналом, але його представили на конференції відділу фізики плазми Американського фізичного товариства в листопаді.
Тепер команда намагається зрозуміти високу продуктивність пострілу і з’ясувати, як налаштувати стартові умови, щоб досягти ще більшого успіху, використовуючи більші або гладкі паливні капсули, більш рівні шари замороженого палива або лазерні імпульси більш високої якості.
Вони також докладають зусиль для відтворення пострілу: одна спроба в жовтні досягла 0,43 мегаджоулів, а листопадовий постріл досяг 0,7 мегаджоулів. Спроби триватимуть і в 2022 році.
Оскільки NIF наближається до беззбитковості, приватні проекти ядерного синтезу набирають обертів. Деякі прогнозують, що вони будуть генерувати енергію задовго до реактора ІТЕР. Цього року компанії Commonwealth Fusion Systems і Tokamak Energy заявили про прогрес в області високотемпературних надпровідних магнітів. А General Fusion і Tae Technologies планують демонстраційні електростанції, що виробляють енергію в 2025 році.
Який би підхід не призвів до збільшення енерговиділення, залишаються серйозні проблеми в області матеріалознавства та інженерії, перш ніж термоядерний синтез зможе стати практичним джерелом енергії.
Таблетки проти COVID-19
Вакцини зіграли головну роль у боротьбі з COVID-19, але на сцені до них приєднується новий гравець: противірусні таблетки, які запобігають симптомам і смерті, якщо приймати їх на ранній стадії зараження.
Восени виробники ліків Pfizer і Merck & Co. опублікували позитивні результати клінічних випробувань в прес-релізі.
Згідно з остаточними даними, представленими регулюючим органам, противірусний засіб Merck, Молнупіравір, знижує ризик госпіталізації або смерті на 30% у невакцинованих осіб високого ризику.
Противірусний засіб Pfizer, PF-07321332, скорочує госпіталізацію на 89%, якщо прийом розпочато протягом 3 днів після появи симптомів.
Вчені поспішають підкреслити, що противірусні препарати не можуть замінити вакцинацію. Але вони як і раніше життєво важливі і можуть стати ще більш важливими, якщо новий варіант Омікрона викличе сплеск проривних інфекцій.
Pfizer проводить ще одне випробування PF-07321332 у групі, до якої входять вакциновані люди, і як Merck, так і Pfizer перевіряють, чи можуть ліки запобігти захворюванню у людей, які нещодавно перехворіли.
Психоделічний засіб проти постртравматичного розладу
Сила психоделічних препаратів вселила надію на те, що вони можуть полегшити психічні захворювання. Цей рік приніс великий прорив в цій галузі: багатоцентрове рандомізоване контрольоване дослідження показало, що 3,4-метилендіоксиметамфетамін (МДМА), в народі званий екстазі, значно зменшує симптоми у пацієнтів з посттравматичним стресовим розладом (ПТСР).
У дослідженні, опублікованому в Nature Medicine в травні, було протестовано інтенсивну комбінацію розмовної терапії та МДМА, яка може створити відчуття благополуччя та співпереживання. Вони можуть допомогти людям впоратися з травматичними переживаннями.
76 учасників дослідження пройшли три 8-годинні терапевтичні сеанси під дією або препарату, або плацебо, плюс набір коротших “підготовчих” і інтеграційних” сеансів з терапевтами до і після лікування.
Через 2 місяці 67% тих, хто приймав МДМА, більше не відповідали діагностичним критеріям ПТСР, у порівнянні з 32% у групі плацебо.
Результати викликали ентузіазм, але також і обережність. Такі випробування стикаються з “гордієвим вузлом засліплення і ефектів плацебо”, – попереджали невролог Метью Берк і психіатр Деніел Блюмбергер з Університету Торонто в журналі Nature Medicine в жовтні. Це тому, що психоактивні ефекти МДМА очевидні для учасників і можуть вплинути на їх очікування — і навіть на шанси, які вони поліпшать.
Спостереження за учасниками після дослідження показали, що до 90% правильно вгадали, до якої групи вони належать. І просте визнання того, що такі очікування є частиною лікування, “вимагатиме повного перегляду того, як ми вимірюємо ефективність у психіатрії”, – пишуть Берк і Блюмбергер.
Проте психоделічні дослідження процвітають, оскільки академічні лабораторії та компанії вивчають потенціал МДМА та інших психоделічних препаратів для лікування таких станів, як депресія, тривога та залежність.
У листопаді лондонська компанія з охорони психічного здоров’я COMPASS Pathways оголосила про позитивні результати рандомізованого дослідження псилоцибіну, речовини, що міститься в так званих чарівних грибах, за участю 233 учасників, у людей з депресією, стійкою до лікування.
Штучні антитіла приборкують інфекційні захворювання
Лабораторні антитіла, звані моноклональними, зробили революцію в лікуванні деяких видів раку і аутоімунних захворювань, але вони мали обмежений успіх у боротьбі з інфекційними захворюваннями. Це змінилося в цьому році, коли моноклональні антитіла (MAB) використали проти SARS-CoV-2 та інших небезпечних для життя патогенів, включаючи респіраторно-синцитіальний вірус (RSV), ВІЛ та малярійних паразитів.
Щоб створити MAB, вчені виділяють найпотужніші антитіла у лабораторних тварин і людей і відтворюють їх у величезних кількостях. Як ліки вони в основному використовуються для придушення імунних реакцій або маркування пухлинних клітин.
Єдині MAB, схвалені для лікування інфекційних захворювань у Сполучених Штатах, обмежені рідкісними захворюваннями: Ебола, інгаляційна сибірська виразка, рецидивуючий Clostridium difficile, RSV у немовлят високого ризику та ВІЛ у людей, для яких всі ліки виявилися неефективними. Індія схвалила MAB проти сказу.
Завдяки досягненням клонування, моделювання тварин та рентгенівської кристалографії, дослідники тепер можуть створювати та перевіряти більше MAB, ніж будь-коли раніше, що полегшує їх пошук. Антитіла до SARS-CoV-2 показали багатообіцяючі результати в клінічних випробуваннях в 2020 році. Управління з контролю за продуктами і ліками США видало дозвіл на екстрене застосування трьох препаратів для лікування COVID-19.
Також розробляються моноклональні препарати проти грипу, вірусу Зіка і цитомегаловірусу.
НАСА розкриває ядро Червоної планети
Внутрішня частина скелястої планети – це свого роду машина часу: її щільне ядро, в’язка мантія і затверділа кора можуть показати, як вона злилася, перемішалася і перетворилася на те, чим вона є сьогодні.
До цього року вчені мали доступ тільки до двох таких капсул часу: Землі і, ненадовго під час місій “Аполлон”, Місяці. Тепер, вперше, прилади на борту посадкового модуля НАСА InSight фокусують увагу на планетарному ядрі Марса.
Коли InSight прибув на Червону планету в 2018 році, Марс, здавалося, неохоче розкривав свої приховані секрети. Тепловий зонд Insight не зміг проникнути в відкладення планети, незважаючи на неодноразові спроби. Надчутлива сейсмічна станція посадкового модуля, призначена для моніторингу підземних поштовхів, які могли б допомогти скласти карту внутрішніх районів планети, так і не зафіксувала землетрусу, досить потужного для виконання цієї роботи.
Але протягом року Insight зафіксувала кілька помірних землетрусів, у тому числі кілька, що сталися в скам’янілостях Цербера, регіоні з тріщинами в 1600 кілометрів. У поєднанні з оцінками внутрішнього складу ці свідчення допомогли скласти карту глибин планети.
Зміщення сейсмічних хвиль землетрусів показали, що марсіанська кора шарувата і має товщину менше 40 кілометрів — тонше, ніж континентальна кора Землі. Ця тонка оболонка дозволила б Марсу швидко скинути своє раннє внутрішнє тепло.
Заглянувши глибше, Insight виявив, що в марсіанській мантії відсутній ізолюючий нижній шар, що спостерігається на Землі. Мантія також була неглибокою, затиснутою між корою і незвично великим рідким ядром, що займає більше половини Марса.
Враховуючи масу планети, вчені прийшли до висновку, що щільність ядра невелика і що суміш легких елементів, таких як сірка, ймовірно, зберігає залізо і нікель рідкими, незважаючи на швидку втрату тепла планетою — так само, як сіль запобігає обмерзанню. Дослідники опублікували свої висновки в журналі Science цього року.
Озброєні цими новими даними, вчені будуть ламати голову над історією Марса протягом багатьох наступних років. Питання включають в себе, чи було на планеті колись щось схоже на тектоніку плит і коли її рідке ядро перестало вирувати, відключивши магнітне поле, яке воно колись створювало.
У Insight може бути ще більше історій, якими можна поділитися: в серпні і вересні апарат почув найсильніші землетруси на Марсі. Але в міру того, як червоний пил продовжує накопичуватися на сонячних панелях, час роботи апарату скорочується. За оцінками, до кінця 2022 року він вийде з ладу.
Стандартна модель фізики елементарних частинок дала тріщину
Це може бути ознакою відчаю фізиків елементарних частинок у пошуках чогось нового, що найбільший результат за останні роки підтверджує дивність, вперше спостережувану 2 десятиліття тому.
Частинка, що називається мюоном – більш важкий, нестабільний двоюрідний брат електрона, – трохи більш магнітна, ніж передбачає переважна теорія фундаментальних частинок. Як повідомлялося в квітні, розбіжність в 2,5 частини на мільярд може сигналізувати про нові частинки, що ховаються прямо за горизонтом високих енергій.
Розроблена в 1960-х і 70-х роках, сучасна теорія, відома як стандартна модель, враховує три сили – електромагнетизм, сильну ядерну взаємодію і слабку ядерну взаємодію. Вона також включає понад два десятки елементарних частинок.
Це не може бути остаточним описом природи, оскільки не враховуються як гравітація, так і темна матерія, – таємнича речовина, яка, як вважається, переважує звичайну матерію Всесвіту.
Магнетизм мюона дає вченим непрямий спосіб пошуку додаткових, невідкритих частинок. Завдяки квантовій невизначеності порожній простір навколо мюона вирує парами частинка-античастинка, що з’являються і зникають з “віртуального” існування занадто швидко, щоб їх можна було спостерігати безпосередньо. Ті, що в стандартній моделі, збільшують магнетизм мюона на точну величину. Нові частинки можуть змінити цей розрахунок непередбачуваним чином.
CRISPR фіксує гени всередині організму
Інструмент редагування генів CRISPR отримав свою першу клінічну перемогу в 2020 році, коли він, як виявилося, вилікував людей з двома спадковими захворюваннями крові: серповидно-клітинною анемією і бета-таласемією.
Ці процедури проводилися в лабораторному посуді: вчені видаляли дефектні стовбурові клітини крові у пацієнтів, редагували їх і повторно вводили клітини пацієнтам.
Цього року вчені зробили ще один крок вперед, впровадивши CRISPR безпосередньо в організм. У невеликих дослідженнях ця стратегія дозволила знизити вміст токсичного білка в печінці і незначно поліпшити зір у людей зі спадковою сліпотою.
Редагування генів може допомогти впоратися з багатьма іншими захворюваннями, якщо терапія може бути введена в орган або кровотік.
Але змусити CRISPR працювати всередині людини створює серйозні проблеми. Перш ніж молекулярні компоненти CRISPR зможуть правильно модифікувати певний ген, вони повинні бути безпечно доставлені в потрібні клітини в потрібних кількостях.
Для боротьби з спадковим транстиретиновим (TTR) амілоїдозом, захворюванням, при якому неправильно згорнутий білок TTR накопичується і пошкоджує нерви і серце, дослідники з Intellia Therapeutics і Regeneron Pharmaceuticals ввели шести пацієнтам вливання крихітних жирових кульок, що містять направляючу РНК і інструкції РНК для ферменту CRISPR.
Це спрацювало: через 4 тижні середній рівень TTR в крові знизився на 52% або 87% залежно від дози, повідомили дослідники в червні в медичному журналі Нової Англії.
В іншому дослідженні дослідники з Editas Medicine ввели нешкідливий вірус, що несе ДНК CRISPR, в очі шести дорослим із спадковим розладом зору, званим вродженим амаврозом Лебера.
Вчені сподівалися вирізати додаткову ДНК, яка знищила мутований ген очей, щоб клітини могли потім виробляти відсутній білок. Через 3-6 місяців два пацієнти, які були майже повністю сліпі, могли відчувати більше світла, а один міг долати смугу перешкод при тьмяному освітленні, повідомили дослідники. Вони сподіваються на більше поліпшення зору у дорослих, які отримують більш високу дозу CRISPR, і у молодих пацієнтів.
Вирощування ембріонів відкриває особливості раннього розвитку
Розуміння раннього ембріонального розвитку може допомогти вченим зрозуміти викидні та вроджені дефекти, а також відточити протоколи екстракорпорального запліднення (ЕКЗ).
Але юридичні, практичні та етичні обмеження обмежують дослідження з людськими ембріонами. Цього року вчені представили потенційні дублери: ембріони миші і копії ембріонів, зроблені зі стовбурових клітин людини або перепрограмованих дорослих клітин.
Вчені намагалися виростити ембріони миші поза тілом матері-миші набагато довше, ніж 3 або 4 дні. В березні одна команда повідомила про те, як продовжити цей термін до 11 днів. Ключовим кроком, як вони виявили, було обертання банок з ембріонами на пристрої, що нагадує мініатюрне колесо огляду. Він постійно змішує живильний бульйон, в якому купаються ембріони, і забезпечує відповідний рівень кисню і тиск. Ембріони пройшли ключову стадію клітинної реорганізації, у них виросли органи і виросли задні лапи.
Інші вчені розробили замінники найважливішої ембріональної стадії, відомої як бластоциста. Порожниста кулька, що містить всього кілька сотень клітин, бластоциста імплантується в матку і є першою ембріональною стадією, на якій присутні спеціалізовані клітини. Він також вводиться багатьма клініками ЕКО майбутнім матерям.
Одна команда зробила копії бластоцисти з ембріональних стовбурових клітин людини та індукованих плюрипотентних стовбурових клітин (IPS) – стовбурових клітин, перепрограмованих зі спеціалізованих дорослих клітин.
У травні ця область отримала ще один імпульс розвитку. Міжнародна організація, яка встановлює керівні принципи дослідження стовбурових клітин, послабила свою давню заборону на вирощування людських ембріонів в лабораторії більше 14 днів, що дозволяє вченим досліджувати ембріональні події, які відбуваються після цього часу.
За матеріалами: Science
