Лучше поняли природу рака

Понять специфику онкологических заболеваний, чтобы научиться бороться с ними, — одна из главных задач в науке. В уходящем году было сделано еще несколько шагов в этом направлении.

Ученые из Университета Южной Алабамы выяснили, какую роль в биологии рака играет нервная система и почему опухоли быстрее растут там, где много нервных клеток. Исследователи предположили существование метаболических механизмов, поддерживающих эту зависимость. В своих исследованиях ученые обнаружили, что нейроны готовы активно делиться митохондриями с опухолевыми клетками и таким образом «подпитывать» их энергией. Такие перенесенные митохондрии имеют адаптивное преимущество и делают опухолевые клетки более сильными.

Более того, оказалось, что обмен митохондриями влияет и на развитие метастазов: после формирования брюшной опухоли у мышей 27% раковых клеток, распространившихся в легкие, и 46% раковых клеток, достигших головного мозга, содержали митохондрии из нервных клеток. При этом одно исследование показало: после удаления нервов при раке предстательной железы у человека рост опухоли прекратился. А исследования онкологии молочной железы подтвердили, что денервация приводит к существенному снижению роста раковых клеток.

Еще одна работа ответила на вопрос, что именно побуждает опухоли стремительно разрастаться. Давно известно, что раковые клетки активируют особую генетическую программу. На стадии эмбриона именно она обеспечивает быстрый рост клеток, чтобы они могли превращаться в различные виды тканей. Но по мере взросления организма программа отключается, чтобы предотвратить их бесконтрольное деление. Рак же возрождает эти процессы, а запускает их, как выяснили исследователи из Центра геномной регуляции (CRG) в Испании, бесцеремонное вмешательство опухолевых клеток в работу факторов сплайсинга — белков, редактирующих РНК. Они помогают клеткам адаптироваться к изменяющимся условиям, обеспечивая возможность создавать разные белки из одного гена. Но опухоли перенастраивают инструменты редактирования клетки, чтобы сделать ее похожей на эмбриональную, и запускают процесс бесконтрольного деления.

Обнаружить это удалось благодаря ИИ, который обучили анализировать общую картину активности генов, и конкретно — факторов сплайсинга. Раньше ученым приходилось буквально вручную читать каждую крошечную правку в каждой молекуле РНК. Теперь же исследователи смогут сканировать тысячи данных, чтобы выяснить, как работают факторы сплайсинга. А воздействие даже на один белок-редактор позволит замедлить рост опухоли или даже остановить его.

Обнаружили новый антибиотик

Еще один вопрос, на который пыталась ответить наука, — как противостоять устойчивости бактерий к существующим антибиотикам.

Риск появления супербактерий, против которых будут бессильны лекарства, не настолько гипотетический, как может показаться, поэтому сегодня идет упорный и тщательный поиск новых антибиотиков.

Находка химиков из Университета Уорика и Университета Монаша оказалась случайной. Они исследовали антибиотик метиленомицин А, который производится почвенной бактерией и был открыт еще в середине прошлого века, и в процессе работы обнаружили, что промежуточный продукт его биосинтеза — преметиленомицин С лактон — обладает активностью в сотни раз выше, чем сам метиленомицин А.

Дальнейшие исследования подтвердили его эффективность. Особенно обнадеживает тот факт, что к преметиленомицину С лактону так и не выработали устойчивость энтерококковые бактерии, против которых сегодня бессильна даже последняя линия защиты — антибиотик ванкомицин.

«Дело не в отдельном супермощном антибиотике, — поясняет молекулярный биолог Сергей Харитонов. — Теперь мы можем исследовать пути биосинтеза других антибиотиков и потенциально открыть десятки сверхэффективных препаратов, которые практически решат проблему устойчивых к лекарствам супербактерий и спасут миллион+ жизней каждый год».

Сконструировали искусственный вирус

С помощью искусственного интеллекта были впервые сконструированы вирусы — до сих пор нейросети могли создать лишь небольшие системы вроде белков, но не полноценный геном. Для создания целостных геномных последовательностей исследователи Стэнфордского университета использовали две версии алгоритма искусственного интеллекта под названием Evo, работающие по принципу ChatGPT. Только вместо текстов Evo должен был проанализировать геномы миллионов бактериофагов — так называются вирусы, которые поражают бактерий. Варианты геномов, выбранные нейросетью, ученые из Стэнфордского университета преобразовали в цепочки ДНК, похожие на геномы природных бактериофагов, и интегрировали их в бактерии в чашке Петри. Экспериментальные испытания 300 геномов, созданных ИИ, выявили 16 жизнеспособных фагов, которые продемонстрировали свою эффективность и сумели справиться с бактерией — кишечной палочкой E. coli. Сконструированные вирусы, проникая в клетку, стимулировали ее производить всё новые вирусные частицы, в результате чего бактерия погибала.

Интересно, что два вида искусственных вирусов по своим свойствам даже превзошли природный оригинал, который исследователи использовали в качестве шаблона дизайна, и смогли уничтожить специально выведенную разновидность кишечной палочки, устойчивую к природным бактериофагам.

Сами исследователи уверены, что их работа не просто служит основой для проектирования разнообразных синтетических бактериофагов, — это первый и важный шаг к глобальному проектированию полезных живых систем на уровне генома.

Начали «рисовать» 3D-карту нашей Вселенной

В начале года NASA запустила в космос телескоп SPHEREx, чтобы создать 3D-карту нашей Вселенной.

Научно-космическая миссия собирается исследовать происхождение воды и органических молекул в планетарных системах, надеется проникнуть в тайны происхождения и эволюции галактик, а главное — ответить на вопрос, который волнует большинство космологов: что предшествовало Большому взрыву, который запустил нашу Вселенную?

Общеизвестно, что в течение нескольких мгновений после него произошло стремительное экспоненциальное расширение Вселенной — от микроскопического объема до нынешнего состояния. Теория космической инфляции, которую ввели ученые, объясняет, как произошло расширение, почему в результате взрыва наша Вселенная такая плоская и почему космос однороден.

«Если космическая инфляция — правильная теория, а мы именно так и считаем, то что же ее вызвало? — рассуждает Джейми Бок, главный исследователь SPHEREx и профессор физики Калифорнийского технологического института. — В качестве аналогии подумайте о теории эволюции. Людям потребовалось много времени, чтобы понять механизмы, объясняющие, как работает эволюция через генетические мутации задолго до того, как Дарвин заложил базовую теорию. Аналогично инфляция успешно описывает нашу Вселенную, но нам сложно понять, как она возникла. Наш подход с SPHEREx заключается в методическом сборе данных для тестирования моделей инфляции».

В течение двух лет аппарат будет картографировать всё небо, делая по 3600 уникальных изображений в сутки, совершит более 11 тысяч полетов, проведет более 9 миллионов наблюдений межзвездных облаков. Таким образом будут получены сотни тысяч изображений, которые с помощью цифровых технологий будут объединены в четыре небесные карты.

С помощью спектрометрической техники телескоп сможет измерить коллективное свечение всех когда-либо существовавших галактик и проследить, как оно менялось на протяжении космического времени. Будет искать воду и другие ключевые компоненты для жизни в этих системах нашей галактики. И, как и другие космические миссии, эта обещает множество открытий.

Совершили прорыв в квантовых технологиях

Технологии на основе кванта, атома или фотона — это будущее самых разных областей науки и техники. Наиболее понятным результатом исследований в этом направлении являются всем известные смартфоны, но более глобальные перспективы огромны — от медицины и проведения сверхбыстрых расчетов до безопасной связи.

Значительный шаг к крупномасштабным распределенным квантовым вычислениям сделали исследователи из Оксфордского университета, которые создали масштабируемый квантовый суперкомпьютер, способный к квантовой телепортации.

В отличие от «обычной» квантовая телепортация подразумевает не перемещение физического объекта, а передачу квантового состояния частицы на расстоянии, используя феномен квантовой запутанности, — этим термином называют взаимосвязь двух частиц, которые существуют как единая система даже на дистанции. Таким образом, управление одной частицей тут же изменяет состояние другой, при этом нет необходимости в выполнении трудоемких измерений на основе двоичных данных и их физическом перемещении.

Разработанный новый метод объединяет небольшие квантовые устройства, что позволяет распределять вычисления по сети, так что ограничений на количество процессоров, которые могут находиться в этой сети, нет. Кроме того, взаимодействие осуществляется через оптические волокна и фотоны, а не через электрические сигналы.

«Будь то передача сообщения в WhatsApp или трансляция видео, данные всегда основаны на нулях и единицах. Квантовая коммуникация сработает так же, только носителями информации выступают отдельные фотоны, — объясняет профессор Петер Михлер. — Ноль или единица кодируются в зависимости от направления поляризации фотона. Но измерить ее, не оставив заметных следов, в соответствии с законами квантовой механики невозможно. Любая попытка перехватить сообщение будет раскрыта».

До недавнего времени стоял вопрос, как добиться передачи информации от одного фотона к другому на большие расстояния. Ученые из Штутгартского университета начали разработку квантовых ретрансляторов, которые будут функционировать как важные узлы в квантовом интернете и обновлять квантовую информацию: их исследования показывают, что связь через центр Штутгарта возможна на расстоянии 36 км. Исследователи продолжают искать способы увеличить дистанцию и улучшить качество телепортации.

Усовершенствовали интерфейс «мозг — компьютер»

Один из самых революционных научных прорывов происходит в области интерфейсов «мозг — компьютер», системы, которая регистрирует биоэлектрическую активность мозга и за счет этого позволяет управлять телом буквально силой мысли. Для людей, которые в результате травм или неврологических заболеваний лишились двигательной активности, это может стать решением проблемы. В первую очередь речь идет о датчиках, которые не требуют имплантации, а устанавливаются снаружи.

По такому пути пошли ученые из Университета Карнеги — Меллона, которые создали шлем с электродами. С помощью ЭЭГ они исследуют электрическую активность мозга и преобразуют ее в движения пальцев роботизированной руки. В управлении помогает ИИ, настроенный на постоянную расшифровку намерений пациента. Экспериментальная группа сумела таким образом набрать текст на клавиатуре и произвести манипуляции с мелкими предметами.

Ученые из Медицинской школы Питтсбургского университета разработали интерфейс, который участники исследования использовали для проектирования собственных ощущений от контакта с несколькими объектами — кошкой, яблоком, полотенцем, тостом и ключом. Поскольку участники сами контролировали параметры стимуляции, а не получали заранее заданные сигналы, им удалось создать уникальные собственные тактильные ощущения и «вспомнить», каково это — погладить кошку или сжать в руке холодный ключ.

А исследователи из Стэнфордского университета смогли «восстановить» речь у парализованных людей. Точнее, декодировать их внутренние монологи с помощью искусственного интеллекта.

В определенную область головного мозга, которая отвечает и за живую речь, и за непроизнесенные мысли, были имплантированы микроэлектроды.

«На полученных данных обучили модель искусственного интеллекта. Модель распознавала фонемы — мельчайшие единицы речи — и сшивала эти фонемы вместе в режиме реального времени, формируя предложения и слова», — объясняет принцип работы доктор биологических наук Анча Баранова.

Таким образом исследователи смогли расшифровать свыше 70% фраз, которые парализованные люди не могли произнести, используя словарь в 250 тысяч различных слов.

Создали гибкие аккумуляторы

Тренд на повышение качества жизни прослеживается и в других областях науки. Именно удобством для пользователей руководствовались исследователи из Линчёпингского университета в Швеции, когда разработали «мягкую» батарею, которую можно распечатать на 3D принтере и которая способна принимать любую форму.

Сейчас, когда количество гаджетов в нашей жизни стремительно увеличивается, размер аккумулятора, от которого заряжаются эти устройства, играет далеко не последнюю роль.

Это ведь не только телефоны и компьютеры, но и медицинские устройства: инсулиновые помпы, кардиостимуляторы и электронные текстильные изделия. Аккумуляторы, как правило, занимают в них немало места и в некоторых случаях причиняют определенные неудобства.

Прежде предпринимались попытки сделать батарею мягкой на основе композитных резиновых материалов, но исследователи упирались в одну и ту же проблему: для большей емкости нужна большая батарея, а для бóльшей электрической активности требуются более жесткие электроды.

Исследователи из Линчёпингского университета применили новый подход к проводникам, которые превращают химическую энергию в электрическую, а именно — преобразовали электроды из твердой формы в жидкую. Но для основы батареи использовали не жидкие металлы, как в предыдущих попытках, а пластмассу — сопряженный полимер, способный проводить электричество, и лигнин — побочный продукт производства бумаги. Своей текстурой материал для будущей батарейки напоминает зубную пасту, и его можно «выдавить» в 3D-принтер, чтобы напечатать аккумулятор заданной формы и размера.

«Конечно, батарея пока не идеальна, но мы видим, что концепция работает. И будем пытаться увеличить электрическое напряжение в аккумуляторе», — говорит Айман Рахманудин, доцент Линчёпингского университета.

Искали секреты молодости

Наука не оставляет попыток ответить на вопрос, как остановить старение. Так, ученые из Института Аллена (США) выявили в головном мозге мышей десятки специфических клеток, которые с возрастом претерпевают значительные изменения: гены в этих клетках, связанные с воспалением, увеличивают свою активность, а гены, отвечающие за функцию нейронов, напротив, ослабевают. Исследователи также обнаружили зону, в которой оба этих неблагоприятных фактора сходятся, — клетки одного из желудочков головного мозга, отвечающие за энергетический гомеостаз и использование питательных веществ.

«Наша гипотеза состоит в том, что эти типы клеток становятся менее эффективными при обработке сигналов из окружающей среды из-за того, что мы потребляем, — говорит Келли Джин, ведущий автор исследования. — И эта потеря эффективности каким-то образом способствует старению остального тела».

А исследователи из Цукубского университета (Япония) предположили, что источником вечной молодости является белок CTBP2, который принимает участие в процессе транскрипции генов. Введение «возрастным» мышам белка CtBP2 добавляло им здоровья и продлевало продолжительность их жизни. Кроме того, известно, что уровень CtBP2 негативно связан с сердечно-сосудистыми заболеваниями у людей и снижается с возрастом, но у долгожителей и их ближайших родственников этот уровень повышен. Чем не кандидат на таблетку от старения?