Титул крупнейшего научного прорыва 2021 года получила технология моделирования свертывания белков с помощью программного обеспечения. Однако в этом году произошло много других научных достижений, которые стоят не меньшего внимания.
Древняя почвенная ДНК как окно в сотни тысяч лет назад
ДНК из окаменелостей изменило изучение эволюции человека и животных, обнаружив неизвестные взаимосвязи, проследив ранние миграции и разоблачив древние межвидовые спаривания.
Однако для людей вся эта область зависит всего от 23 архаичных геномов, 18 из которых принадлежат неандертальцам. Недавно ученые открыли гораздо большую сокровищницу древней ДНК: из почвы на полу пещеры. В этом году впервые в пещерной грязи была обнаружена ДНК, которая когда-то содержалась в ядре человеческих клеток, и исследователи использовали такую «грязную ДНК» для восстановления личности пещерных жителей по всему миру.
Новая работа основана на изучении экологической ДНК живых видов. Чтобы выяснить, какие организмы живут в озерах, лесах и других местах, ученые собирают свободно плавающую ДНК, которую они выбрасывают в воздух, воду и почву. В 2003 году эволюционные генетики показали, что выброшенная ДНК может сохраняться в течение тысяч лет. Проект использовался исследователями в 2015 году, чтобы помочь восстановить целые древние экосистемы, даже в отсутствие окаменелостей.
Но большая часть этой ДНК происходит от митохондрий, энергетических установок клетки, в которых хранятся крошечные фрагменты генетического материала. Благодаря новым технологиям ученые теперь могут прочесывать древние почвы в поисках ядерной ДНК, которая содержит полные инструкции для жизни.
В этом году ученые использовали ядерную ДНК, чтобы составить карту обитания людей и животных в трех пещерах. В пещере Естатуас в Испании ядерная ДНК выявила генетическую идентичность и пол людей, которые жили там от 80 000 до 113 000 лет назад.
Ученые предположили, что одна линия неандертальцев заменила несколько других после ледникового периода, который закончился 100 000 лет назад. В почве в возрасте 25 000 лет из пещеры Сацурблия в Джорджии ученые обнаружили геном женщины из ранее неизвестной линии неандертальцев, а также генетические следы бизона и ныне вымершего волка.
И, сравнив 12 000-летнюю ДНК черного медведя из мексиканской пещеры Чикихуайт с ДНК современных медведей, ученые обнаружили, что после последнего ледникового периода потомки пещерных медведей мигрировали так далеко на север, как Аляска.
Методы извлечения и секвенирования ядерной ДНК из древних почв все еще совершенствуются. Делая это, исследователи надеются ответить на еще больше вопросов о расцвете и упадке древних видов.
День ядерного синтеза
Собирается ли термоядерная энергия преодолеть свою репутацию как источника, который обещает звезды, но никогда не приносит результатов? В августе появился результат, который удивил исследователей. Ученые Национального центра ядерного синтеза США (NIF) выработали реакцию синтеза, которая была чрезвычайно близка к достижению официальной «безубыточности». Это точка, в которой реакция вырабатывает больше энергии, чем потребляет энергии для ее разжигания.
Термоядерный синтез, который питает Солнце и другие звезды, долгое время рассматривался как решение энергетических проблем Земли. Но достижение необходимых давлений и температур в 10 раз выше температуры ядра Солнца — чрезвычайно сложно.
Много усилий направлены на создание сверхгорячей плазмы в магнитном поле. Установка NIF использует импульс лазера с самой высокой энергией в мире для сжатия капсулы размером с горошину перца изотопов водорода дейтерия и трития. Ранее в этом году этот метод генерировал 0,17 мегаджоулей энергии термоядерного синтеза за выстрел — гораздо меньше, чем мощность лазера в 1,9 мегаджоулей.
Но в результате выстрела 8 августа эта доходность выросла до 1,35 мегаджоулей. Исследователи считают, что это результат горящей плазмы, а это означает, что в результате реакции синтеза выделяется достаточно тепла, чтобы распространиться по сжатом топливу подобно пламени.
Результат не изучался рецензируемым журналом, но его представили на конференции отдела физики плазмы Американского Физического Общества в ноябре.
Теперь команда пытается понять высокую производительность выстрела и выяснить, как настроить стартовые условия, чтобы достичь еще большего успеха, используя более крупные или гладкие топливные капсулы, более ровные слои замороженного топлива или лазерные импульсы более высокого качества.
Они также прилагают усилия для воспроизведения выстрела: одна попытка в октябре достигла 0,43 мегаджоулей, а ноябрьский выстрел достиг 0,7 мегаджоулей. Попытки продлятся и в 2022 году.
Поскольку NIF приближается к безубыточности, частные проекты ядерного синтеза набирают обороты. Некоторые прогнозируют, что они будут генерировать энергию задолго до реактора ИТЭР. В этом году компании Commonwealth Fusion Systems и Tokamak Energy заявили о прогрессе в области высокотемпературных сверхпроводящих магнитов. А General Fusion и Tae Technologies планируют демонстрационные электростанции, вырабатывающие энергию в 2025 году.
Какой бы подход не привел к увеличению энерговыделения, остаются серьезные проблемы в области материаловедения и инженерии, прежде чем термоядерный синтез сможет стать практическим источником энергии.
Таблетки против COVID-19
Вакцины сыграли главную роль в борьбе с COVID-19, но на сцене к ним присоединяется новый игрок: противовирусные таблетки, которые предотвращают симптомам и смерти, если принимать их на ранней стадии заражения.
Осенью производители лекарств Pfizer и Merck & Co. опубликовали положительные результаты клинических испытаний в пресс-релизе.
Согласно окончательным данным, представленным регулирующим органам, противовирусное средство Merck, Молнупіравір, снижает риск госпитализации или смерти на 30% у невакцинированных лиц высокого риска.
Противовирусное средство Pfizer, PF-07321332, сокращает госпитализацию на 89%, если прием начат в течение 3 дней после появления симптомов.
Ученые спешат подчеркнуть, что противовирусные препараты не могут заменить вакцинацию. Но они по-прежнему жизненно важны и могут стать еще более важными, если новый вариант Омикрона вызовет всплеск прорывных инфекций.
Pfizer проводит еще одно испытание PF-07321332 в группе, в которую входят вакцинированные люди, и как Merck, так и Pfizer проверяют, могут ли лекарства предотвратить заболевание у людей, которые недавно переболели.
Психоделический средство против посттравматического расстройства
Сила психоделических препаратов вселила надежду на то, что они могут облегчить психические заболевания. Этот год принес большой прорыв в этой области: многоцентровое рандомизированное контролируемое исследование показало, что 3,4-метилендіоксиметамфетамін (МДМА), в народе называемый экстази, значительно уменьшает симптомы у пациентов с посттравматическим стрессовым расстройством (ПТСР).
В исследовании, опубликованном в Nature Medicine в мае, была протестирована интенсивная комбинация разговорной терапии и МДМА, которая может создать ощущение благополучия и эмпатии. Они могут помочь людям справиться с травматическими переживаниями.
76 участников исследования прошли три 8-часовых терапевтических сеанса под действием либо препарата, либо плацебо, плюс набор более коротких «подготовительных» и интеграционных» сеансов с терапевтами до и после лечения.
Через 2 месяца 67% из тех, кто принимал MDMA, больше не соответствовали диагностическим критериям ПТСР, по сравнению с 32% в группе плацебо.
Результаты вызвали энтузиазм, но также и осторожность. Такие испытания сталкиваются с «гордиевым узлом ослепления и эффектов плацебо», — предупреждали невролог Мэтью Берк и психиатр Дэниел Блюмбергер из Университета Торонто в журнале Nature Medicine в октябре. Это потому, что психоактивные эффекты МДМА очевидны для участников и могут повлиять на их ожидания — и даже на шансы, которые они улучшат.
Наблюдения за участниками после исследования показали, что до 90% правильно угадали, к какой группе они принадлежат. И простое признание того, что такие ожидания являются частью лечения, «потребует полного пересмотра того, как мы измеряем эффективность в психиатрии», — пишут Берк и Блюмбергер.
Однако психоделические исследования процветают, поскольку академические лаборатории и компании изучают потенциал МДМА и других психоделических препаратов для лечения таких состояний, как депрессия, тревога и зависимость.
В ноябре лондонская компания по охране психического здоровья COMPASS Pathways объявила о положительных результатах рандомизированного исследования псилоцибина, вещества, содержащегося в так называемых волшебных грибах, с участием 233 участников, у людей с депрессией, устойчивой к лечению.
Искусственные антитела обуздывают инфекционные заболевания
Лабораторные антитела, называемые моноклональными, произвели революцию в лечении некоторых видов рака и аутоиммунных заболеваний, но они имели ограниченный успех в борьбе с инфекционными заболеваниями. Это изменилось в этом году, когда моноклональные антитела (MAB) использовали против SARS-CoV-2 и других опасных для жизни патогенов, включая респираторно-синцитиальный вирус (RSV), ВИЧ и малярийных паразитов.
Чтобы создать MAB, ученые выделяют самые мощные антитела у лабораторных животных и людей и воспроизводят их в огромных количествах. В качестве лекарств они в основном используются для подавления иммунных реакций или маркировки опухолевых клеток.
Единые MAB, одобренные для лечения инфекционных заболеваний в Соединенных Штатах, ограниченные редкими заболеваниями: Эбола, ингаляционная сибирская язва, рецидивирующий Clostridium difficile, RSV у новорожденных высокого риска и ВИЧ у людей, для которых все лекарства оказались неэффективными. Индия одобрила MAB против бешенства.
Благодаря достижениям клонирования, моделирования животных и рентгеновской кристаллографии исследователи теперь могут создавать и проверять больше MAB, чем когда-либо прежде, что облегчает их поиск. Антитела к SARS-CoV-2 показали многообещающие результаты в клинических испытаниях в 2020 году. Управление по контролю за продуктами и лекарствами США выдало разрешение на экстренное применение трех препаратов для лечения COVID-19.
Также разрабатываются моноклональные препараты против гриппа, вируса Зика и цитомегаловируса.
НАСА раскрывает ядро Красной планеты
Внутренняя часть скалистой планеты — это своего рода машина времени: ее плотное ядро, вязкая мантия и затвердевшая кора могут показать, как она злилась, перемешалась и превратилась в то, чем она является сегодня.
До этого года ученые имели доступ только к двум таким капсулам времени: Земле и, ненадолго во время миссий «Аполлон», Луне. Теперь, впервые, приборы на борту посадочного модуля НАСА InSight фокусируют внимание на планетарном ядре Марса.
Когда InSight прибыл на Красную планету в 2018 году, Марс, казалось, неохотно раскрывал свои скрытые секреты. Тепловой зонд Insight не смог проникнуть в отложения планеты, несмотря на неоднократные попытки. Сверхчувствительная сейсмическая станция посадочного модуля, предназначенная для мониторинга подземных толчков, которые могли бы помочь составить карту внутренних районов планеты, так и не зафиксировала землетрясения, достаточно мощного для выполнения этой работы.
Но в течение года Insight зафиксировала несколько умеренных землетрясений, в том числе несколько, произошедших в окаменелостях Цербера, регионе с трещинами в 1600 километров. В сочетании с оценками внутреннего состава эти свидетельства помогли составить карту глубин планеты.
Смещение сейсмических волн землетрясений показали, что марсианская кора слоистая и имеет толщину менее 40 километров — тоньше, чем континентальная кора Земли. Эта тонкая оболочка позволила бы Марсу быстро сбросить свое раннее внутреннее тепло.
Заглянув глубже, Insight обнаружил, что в марсианской мантии отсутствует изолирующий нижний слой, что наблюдается на Земле. Мантия также была неглубокой, зажатой между корой и необычно большим жидким ядром, занимающим более половины Марса.
Учитывая массу планеты, ученые пришли к выводу, что плотность ядра невелика и что смесь легких элементов, таких как сера, вероятно, хранит железо и никель жидкими, несмотря на быструю потерю тепла планетой — так же, как соль предотвращает обледенение. Исследователи опубликовали свои результаты в журнале Science в этом году.
Вооруженные этими новыми данными, ученые будут ломать голову над историей Марса в течение многих последующих лет. Вопросы включают в себя, было ли на планете когда-то что-то похожее на тектонику плит и когда ее жидкое ядро перестало бурлить, отключив магнитное поле, которое оно когда-то создавало.
У Insight может быть еще больше историй, которыми можно поделиться: в августе и сентябре аппарат услышал сильнейшие землетрясения на Марсе. Но по мере того, как красная пыль продолжает скапливаться на солнечных панелях, время работы аппарата сокращается. По оценкам, к концу 2022 года он выйдет из строя.
Стандартная модель физики элементарных частиц дала трещину
Это может быть признаком отчаяния физиков элементарных частиц в поисках чего-то нового, что самый большой результат за последние годы подтверждает странность, впервые наблюдаемую 2 десятилетия назад.
Частица, называется мюоном — более тяжелое, нестабильное двоюродный брат электрона, — чуть более магнитная, чем предусматривает подавляющее теория фундаментальных частиц. Как сообщалось в апреле, расхождение в 2,5 части на миллиард может сигнализировать о новые частицы, которые прячутся прямо за горизонтом высоких энергий.
Разработанная в 1960-х и 70 — х годах, современная теория, известная как стандартная модель, учитывает три силы-электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие. Она также включает более двух десятков элементарных частиц.
Это не может быть окончательным описанием природы, поскольку не учитываются как гравитация, так и темная материя — таинственная вещество, которое, как считается, перевешивает обычную материю Вселенной.
Магнетизм мюона дает ученым косвенный способ поиска дополнительных, неоткрытых частиц. Благодаря квантовой неопределенности пустое пространство вокруг мюона бурлит парами частица-античастица, которые появляются и исчезают из «виртуального» существования слишком быстро, чтобы их можно было наблюдать непосредственно. Те, что в стандартной модели, увеличивают магнетизм мюона на точную величину. Новые частицы могут изменить этот расчет непредсказуемым образом.
CRISPR фиксирует гены внутри организма
Инструмент редактирования генов CRISPR получил свою первую клиническую победу в 2020 году, когда он, как оказалось, вылечил людей с двумя наследственными заболеваниями крови: серповидно-клеточной анемией и бета-талассемией.
Эти процедуры проводились в лабораторной посуде: ученые удаляли дефектные стволовые клетки крови у пациентов, редактировали их и повторно вводили клетки пациентам.
В этом году ученые сделали еще один шаг вперед, внедрив CRISPR непосредственно в организм. В небольших исследованиях эта стратегия позволила снизить содержание токсичного белка в печени и незначительно улучшить зрение у людей с наследственной слепотой.
Редактирование генов может помочь справиться со многими другими заболеваниями, если терапия может быть введена в орган или кровоток.
Но заставить CRISPR работать внутри человека создает серьезные проблемы. Прежде чем молекулярные компоненты CRISPR смогут правильно модифицировать определенный ген, они должны быть безопасно доставлены в нужные клетки в нужных количествах.
Для борьбы с наследственным транстиретиновим (TTR) амилоидозом, заболеванием, при котором неправильно свернутый белок TTR накапливается и повреждает нервы и сердце, исследователи из Intellia Therapeutics и Regeneron Pharmaceuticals ввели шести пациентам вливания крохотных жировых шариков, содержащие направляющую РНК и инструкции СНК для фермента CRISPR.
Это сработало: через 4 недели средний уровень TTR в крови снизился на 52% или 87% в зависимости от дозы, сообщили исследователи в июне в медицинском журнале Новой Англии.
В другом исследовании исследователи из Editas Medicine ввели безвредный вирус, несущий ДНК CRISPR, в глаза шести взрослым с наследственным расстройством зрения, называемым врожденным амаврозом Лебера.
Ученые надеялись вырезать дополнительную ДНК, которая уничтожила мутированный ген глаз, чтобы клетки могли затем производить недостающий белок. Через 3-6 месяцев два пациента, которые были почти полностью слепы, могли чувствовать больше света, а один мог преодолевать полосу препятствий при тусклом освещении, сообщили исследователи. Они надеются на большее улучшение зрения у взрослых, которые получают более высокую дозу CRISPR, и у молодых пациентов.
Выращивание эмбрионов открывает особенности раннего развития
Понимание раннего эмбрионального развития может помочь ученым понять выкидыши и врожденные дефекты, а также отточить протоколы экстракорпорального оплодотворения (ЭКО).
Но юридические, практические и этические ограничения ограничивают исследования человеческими эмбрионами. В этом году ученые представили потенциальные дублеры: эмбрионы мыши и копии эмбрионов, сделанные из стволовых клеток человека или перепрограммированных взрослых клеток.
Ученые пытались вырастить эмбрионы мыши вне тела матери-мыши гораздо дольше, чем 3 или 4 дня. В марте одна команда сообщила о том, как продлить этот срок до 11 дней. Ключевым шагом, как они обнаружили, было вращение банок с эмбрионами на устройстве, напоминающем миниатюрное колесо обозрения. Он постоянно смешивает питательный бульон, в котором купаются эмбрионы, и обеспечивает соответствующий уровень кислорода и давление. Эмбрионы прошли ключевую стадию клеточной реорганизации, у них выросли органы и выросли задние лапы.
Другие ученые разработали заменители самой важной эмбриональной стадии, известной как бластоциста. Полый шарик, содержащий всего несколько сотен клеток, бластоциста имплантируется в матку и является первой эмбриональной стадией, на которой присутствуют специализированные клетки. Он также вводится многими клиниками ЭКО будущим матерям.
Одна команда сделала копии бластоцисты из эмбриональных стволовых клеток человека и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (IPS) — стволовых клеток, перепрограммированных из специализированных взрослых клеток.
В мае эта область получила еще один импульс развития. Международная организация, которая устанавливает руководящие принципы исследования стволовых клеток, ослабила свою давнюю запрет на выращивание человеческих эмбрионов в лаборатории более 14 дней, что позволяет ученым исследовать эмбриональные события, которые происходят после этого времени.
По материалам: Science
