Обратная вакцина и "чтение" мыслей: достижения науки в 2023 году

Окончательное секвенирование Y-хромосомы, лекарство от болезни Альцгеймера, "обратная вакцина" в борьбе с аутоиммунными заболеваниями, новый механизм работы ДНК, искусственный интеллект, читающий мысли, и прибор для восстановления мозга после инсульта — это далеко не полный список научных открытий, сделанных в уходящем году.

Российские и зарубежные ученые представили впечатляющие результаты своих исследований, некоторые из которых продолжались десятилетиями. О самых главных научных достижениях 2023 года — в материале РЕН ТВ.

Окончательное секвенирование y-хромосомы

В августе 2023 года стало известно о том, что генетики впервые полностью расшифровали структуру Y-хромосомы человека и обнаружили в ней 41-й, ранее неизвестный ген. Сообщение об этом распространено пресс-службой университета Калифорнии в Санта-Крус (UCSC), а сама работа была опубликована на страницах авторитетного журнала Nature.

"Совсем недавно примерно половина человеческой Y-хромосомы оставалась нерасшифрованной из-за большого числа сложно устроенных и труднодоступных сегментов. Несколько лет назад мы даже не могли точно сказать, сможем ли мы когда-либо "прочитать" эти участки. Поэтому решение этой задачи стало большим сдвигом в понимании того, что мы можем и не можем сделать", — призналась соавтор работы из UCSC Моника Чехова. 

Долгое время Y-хромосома ставила ученых в тупик из-за сложности генетического кода и огромного количества монотонных повторов и дупликаций, которые не позволяли использовать стандартные инструменты для секвенирования.

"Самым большим сюрпризом стало то, как организованы повторы. Почти половина хромосомы состоит из чередующихся блоков двух специфически повторяющихся последовательностей", — рассказал старший автор исследования Адам Филлиппи.

Ученым удалось идентифицировать 41 новый ген, кодирующий белки. Как известно, Y-хромосома определяет мужскую фертильность, включая выработку сперматозоидов. Новые данные помогут лучше понять причины такого заболевания, как бесплодие.

Однако Y-хромосома интересна не только специалистам в области репродуктивной медицины. В ней есть также гены, связанные со здоровьем и продолжительностью жизни. Они кодируют важные белки, которые способствуют предотвращению онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний. Исследователи ожидают, что расшифровка структуры генов поможет лучше разобраться в их функциях и ответить на многие вопросы о мужском здоровье.

Следующим шагом ученых будет сравнение результатов секвенирования Y-хромосомы у мужчин из разных популяций, которое позволит понять потенциальное разнообразие устройства хромосомы.

"Обратная вакцина"

В сентябре 2023 году ученые из США и Франции сообщили о создании "обратной вакцины", которая может стать заменой традиционному лечению аутоиммунных заболеваний с помощью иммунодепрессантов. Свою работу они опубликовали в журнале Nature Biomedical Engineering. 

При аутоиммунных заболеваниях, таких как ревматоидный артрит или диабет I типа, иммунные клетки принимают ткани и клетки родного организма за врагов и начинают атаковать их. Уже более пятидесяти лет ученые пытаются найти решение этой проблемы. 

Работая в этом направлении, специалисты из Чикагского университета (University of Chicago) решили сфокусироваться на печени. Чаще всего именно там разрушаются аутоантигены — молекулы, провоцирующие аутоиммунную реакцию. В поисках лекарства от рассеянного склероза и красной волчанки исследователи присоединили к этим молекулам сахар, что привело к их транспортировке в печень и последующей "деактивации". 

Исследователи проверили, работает ли этот новый подход против схожей с рассеянным склерозом патологии у мышей. Оказалось, что "обратная вакцина", которая состоит из сахарной цепи, несущей фрагмент белка миелиновой оболочки, остановила развитие заболевания у грызунов. А комбинация "сахар — антиген", нацеленная на другой белок миелина, предотвратила рецидивы. 

Чтобы подтвердить безопасность этого подхода, его применили для лечения целиакии у людей. По результатам исследования, симптомов у пациентов стало меньше, при этом серьезных побочных эффектов обнаружено не было. Кроме этого, ученые исследуют также комбинацию на основе миелина для лечения пациентов с рассеянным склерозом. 

Доказательство того, что ткань пространства-времени деформируется гравитационными волнами

Общая теория относительности, которую Альберт Эйнштейн предложил в 1915 году, описывает гравитацию как проявление геометрии пространства-времени. Согласно теории, гравитационные волны просто обязаны существовать в виде своеобразной ряби в ткани пространства-времени.

Современные ученые сообщили о прямом доказательстве существования этих волн только сто лет спустя – в 2015 году (и получили за свое открытие Нобелевскую премию).

А в 2023 году специалисты нашли доказательства того, что ткань пространства и времени деформируется гравитационными волнами. После 15 лет исследований астрофизики впервые обнаружили "низкий гул гравитационных волн, разносящийся по всей Вселенной", и он громче, чем ожидалось.

Открытие было сделано учеными из Североамериканской наногерцовой обсерватории гравитационных волн (NANOGrav), которые внимательно наблюдали за пульсарами — эти звезды действуют как небесные метрономы. Результаты их исследований были опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters в июне 2023 года.

Пульсары действуют как звездные маяки, испуская лучи радиоволн со своих магнитных полюсов. Поскольку пульсары быстро вращаются (иногда сотни раз в секунду), эти лучи проносятся по небу, появляясь на Земле как ритмичные импульсы радиоволн — как идеально синхронизированный метроном.

Когда между Землей и пульсаром проходит гравитационная волна, она сбивает синхронизацию радиоволн. Это происходит потому, что, как и предсказал Эйнштейн, гравитационные волны растягивают и сжимают пространство.

Ученые полагают, что наиболее вероятными источниками гравитационно-волнового гула являются пары сверхмассивных черных дыр, быстро вращающихся вокруг друг друга.

"До сих пор мы даже не знали, слились ли сверхмассивные черные дыры, а теперь у нас есть доказательства того, что сотни тысяч из них сливаются", — сообщила The Wall Street Journal Кьяра Мингарелли, астрофизик Йельского университета и сотрудник NANOGrav, которая руководила исследованием.

Эти черные дыры колоссальны — они содержат массу в миллиарды солнц. Почти все галактики, включая Млечный Путь, имеют в центре хотя бы одного из таких гигантов. Когда две галактики сливаются, их сверхмассивные черные дыры могут встретиться и начать вращаться вокруг друг друга. 

Со временем их орбиты сужаются, пока дыры в конце концов не столкнутся. Это произойдет через несколько миллионов лет после того, как черные дыры начнут излучать достаточно сильные гравитационные волны, что их можно заметить с помощью пульсаров.

Ученые особо отмечают, что открытие гравитационных волн "не оказывает никакого влияния на повседневное человеческое существование, но оно предлагает потенциальное понимание физической реальности, в которой мы все обитаем".

Искусственный интеллект, читающий мысли

В 2023 году специалисты создали декодер на основе искусственного интеллекта, который может преобразовывать мозговую активность человека в текст. Об этом говорится в статье, опубликованной в журнале Nature. 

Система неинвазивна, то есть она не требует никаких имплантатов, введенных хирургическим путем, и использует ту же технологию ИИ, что и чат-бот ChatGPT. Технология сканировала активность мозга и предсказывала, какие слова человек произносит в этот момент про себя.

"Нам не нравится использовать термин "чтение мыслей". Мы думаем, что это вызывает в воображении вещи, на которые мы на самом деле не способны", — заявил в интервью CNN Александр Хут, работавший над исследованием. 

Он добавил также, что "реальное потенциальное применение этой технологии заключается в оказании помощи людям, которые не способны общаться".

Чтобы развеять любые опасения по поводу того, что технология с использованием ИИ после своего дальнейшего совершенствования может представлять угрозу частной жизни и личности человека, Джерри Танг, ведущий автор статьи, опубликованной в Nature, сказал, что данные о мозге каждого человека должны быть строго конфиденциальны.

"Наш мозг — это своего рода один из последних рубежей нашей личной жизни", — заявил ученый. 

Новый материал для улавливания углерода из воздуха

Улавливание углерода — ключевой инструмент в борьбе с глобальным потеплением. Технология не нова, но в 2023 году ученые узнали, как улавливать углекислый газ из воздуха и хранить его в океане в виде пищевой соды.

В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, специалисты пишут, что нашли способ повысить эффективность улавливания углерода, используя новый материал, который, по их словам, может произвести революцию в индустрии прямого улавливания воздуха (DAC).

В течение многих лет технология улавливания углерода была сосредоточена на улавливании CO2 из мест загрязнения до того, как он попадет в атмосферу, например, из труб угольных или сталелитейных заводов.

Извлечение углерода непосредственно из воздуха представляет собой сложнейшую задачу, поскольку CO2 в атмосфере гораздо более разреженный и для его извлечения требуется больше энергии и материалов. Это означает, что современные установки DAC дороги в эксплуатации, а тонна CO2, извлекаемая из воздуха, обходится в сотни долларов США.

Ученый Аруп СенГупта из американского Университета Лихай в Вифлееме (штат Пенсильвания) и его коллеги разработали новый абсорбирующий материал, называемый сорбентом, который способен вытягивать из воздуха больше CO2, чем это делают современные материалы. 

"Эта простая способность улавливать CO2 в большом количестве в небольшом объеме нового материала является уникальным аспектом нашей работы", — отметил ведущий автор исследования СенГупта.

Исследователи говорят, что, модифицировав существующие аминорастворители раствором меди, они увеличили потенциал DAC в два-три раза. Материал на основе меди повышает эффективность процесса прямого улавливания воздуха, превращая углекислый газ в бикарбонат натрия в результате реакции с морской водой. 

СенГупта уверен, что новый материал может радикально повысить потенциал DAC как эффективной технологии смягчения последствий изменения климата.

Мыши из стволовых клеток двух самцов 

В 2023 году ученые-генетики впервые создали детенышей мышей из клеток двух самцов. Выводы исследования описаны в статье, опубликованной в марте 2023 года в журнале Nature.

Сначала специалисты выделили клетки кожи из хвостов мышей-самцов и превратили их в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иПСК) — перепрограммированные дифференцированные клетки, которые приобретают характеристики эмбриональных стволовых клеток, то есть могут развиваться в различные типы клеток или тканей.

Затем исследователи обработали их специальным препаратом, что преобразовало мужские стволовые клетки мыши в женские клетки. В результате получились функциональные яйцеклетки, которые были искусственно оплодотворены. После чего эмбрионы имплантировали самкам мышей. 

"Это первый случай получения жизнеспособных яйцеклеток млекопитающих из мужских клеток", — отметил профессор Кацухико Хаяси из Университета Кюсю, возглавлявший исследование. 

В то время как подавляющее большинство мышат не выжило, те немногие, которые все-таки остались в живых (7 из 630), оказались здоровыми, имели нормальную продолжительность жизни и продолжали заводить потомство, став взрослыми.

По словам биологов, генетические манипуляции, необходимые для создания эмбрионов, являются "значительным достижением со значительным потенциалом применения". В частности, метод может быть применен для лечения тяжелых форм бесплодия, включая женщин с синдромом Шерешевского—Тернера, у которых полностью отсутствует одна хромосома или есть дефект в одной из X-хромосом.

"Дюссельдорфский пациент" вылечился от ВИЧ

В феврале 2023 года 53-летний мужчина из Германии, известный как "Дюссельдорфский пациент", стал пятым человеком, излечившимся от ВИЧ. Около десяти лет назад он перенес пересадку костного мозга для лечения лейкемии и уже четыре года не принимает антивирусные препараты. Рецидива вируса за это время у него не было. Этот случай описан в журнале Nature Medicine в феврале 2023 года.

"Это действительно излечение, а не просто длительная ремиссия. Этот позитивный случай вселяет надежду, но предстоит еще много работы", — сказал в интервью ABC News доктор Бьорн-Эрик Оле Йенсен из университетской больницы Дюссельдорфа.

Миелоидный лейкоз был диагностирован у пациента из Дюссельдорфа в 2011 году. Примерно в то же время у него выявили ВИЧ-инфекцию. В 2013-м мужчине сделали трансплантацию стволовых клеток от донора с редкой генетической мутацией CCR5-delta32. Известно, что она удаляет рецепторы, которые большинство штаммов ВИЧ используют для проникновения в Т-клетки CD4. По сути, донорские клетки дали пациенту новую иммунную систему, устойчивую к ВИЧ.

Через пять лет после трансплантации врачи решили приостановить антиретровирусное лечение, но оставили мужчину под тщательным наблюдением. С тех пор медики неоднократно проверяли кровь "Дюссельдорфского пациента" с помощью многочисленных анализов, исследовали периферические иммунные клетки, кишечник и лимфоузлы. Им попадались следы ДНК ВИЧ, но не было никаких доказательств, что вирус способен к репликации. Уже более четырех лет мужчина не принимает терапию ВИЧ, и вирус в его крови не определяется.

Российский ученый совершил прорывное открытие в генетике 

Успехи российских ученых в 2023 году не менее впечатляющи. Ученый Научно-технологического университета "Сириус" Максим Никитин открыл новый фундаментальный механизм хранения информации в ДНК. Посвященная этому статья была опубликована в авторитетном журнале Nature Chemistry. Никитин стал ее единственным автором, что для научных публикаций такого рода крайне редкое явление. 

Исследователь из России открыл механизм "молекулярной коммутации" ДНК, который меняет представление об одной из главных парадигм биологии. Более 70 лет считалось, что ДНК хранит и обрабатывает информацию за счет структуры двойной спирали — однозначно-соответствующих друг другу (комплементарных) молекулярных цепей. 

Максим Никитин экспериментально доказал, что для эффективной обработки генетической информации ДНК совершенно не обязательно образовывать двойную спираль. ДНК может хранить и передавать информацию за счет слабоаффинных взаимодействий, реализующихся в том случае, когда молекулы имеют низкое сродство друг к другу. Более того, ученый показал, что короткая ДНК, даже максимально некомплементарная гену, может регулировать его работу.

Открытый Никитиным феномен может стать ключом к познанию природы самых разнообразных процессов: от неразгаданных тайн генетики, сложных заболеваний и старения до вопросов возникновения жизни на Земле и ее эволюции. Кроме этого, открытие российского ученого позволит улучшить специфичность генной терапии и безопасность ДНК/РНК вакцин за счет выявления и снижения побочных реакций на препараты.

Лекарство от болезни Альцгеймера

В начале 2023 года сотрудники лаборатории молекулярной нейродегенерации Санкт-Петербургского политехнического университета открыли эффективный метод лечения болезни Альцгеймера. 

Ученые получили соединения, которые прицельно направили на молекулы-мишени, при этом активируя и меняя функцию последних. Это предотвращает нарушение контактов между клетками в головном мозге, а в итоге улучшается память. Статья об этой разработке была опубликована в Международном журнале молекулярных наук.

Болезнь Альцгеймера начинается с разрушения в контактах между нейронами мозга, пояснила старший научный сотрудник лаборатории, доктор биологических наук Елена Попугаева. Если получится замедлить процесс утраты связей, то удастся и отсрочить наступление заболевания. Именно на это направлен разработанный препарат.

Полученные соединения ученые испытали на мышах с нарушением памяти. При введении в их организм вещества успешно преодолели гемостатический барьер, достигли мозга и оказали положительное воздействие на его клетки.

Препарат еще предстоит проверить на токсичность и мутацию. С помощью специальных тестов исследователи определят, есть ли у него побочные эффекты, причем такие серьезные, как задержка дыхания, повышение давления, случаи летального исхода и другие. После лабораторных опытов начнутся клинические испытания препарата. 

Болезнь Альцгеймера — это медленно прогрессирующее заболевание нервной системы, которое проявляется расстройством интеллекта (деменцией). Заболевание названо в честь немецкого психиатра и невролога Алоиса Альцгеймера, который впервые изучил и описал его. Оно поражает в основном людей старше 65 лет, но встречается и в более молодом возрасте. 

Болезнь вызывает потерю памяти, невнимательность, нарушение ориентации в пространстве. На более поздних стадиях больной уже с трудом говорит, нередко перестает узнавать родных, нарушается моторика, появляется агрессивность. В итоге человек становится недееспособным, ему требуется круглосуточный уход и дорогое, но малоэффективное лечение. При этом заболеваемость неуклонно растет во всем мире. По прогнозам, к 2050 году болезнь Альцгеймера может быть диагностирована у 140 миллионов человек.

Прибор для восстановления мозга после инсульта

Психофизиологи Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского создали прибор для оптимальной настройки головного мозга человека. Прибор будут использовать при реабилитации пациентов, перенесших инсульт. Тaкже новое изобретение поможет детям с синдромом дефицита внимания и гиперактивности.

Кaк рaсскaзaли в пресс-службе ННГУ, прибор нaзывaется "Нейрооптимa". Устройство оснащено очкaми, наушниками, пульсоксиметриями и датчиками электроэнцефалограммы. Основной режим работы — адаптивная нейростимуляция.

Устройство формирует аудиовизуальный ряд, изучая амплитуду активности мозгa — звуки переходят от высоких частот к низким, a изображение меняет цвет от красного к более холодным оттенкам.

"На основе амплитуды ритмов мозговой активности в режиме реального времени формируется уникальный аудиовизуальный контент — тональные звуки и свет заданной частоты. В течение сеанса звук переходит от высоких частот к низким. Свет воспринимается мозгом как цветовые пятна — сначала красных, а затем все более холодных оттенков. Когда человек слышит звук, напоминающий флейту, и видит голубое серебристое сияние, клетки мозга уже работают в оптимальном режиме", — рассказала руководитель проекта, заведующая кафедрой психофизиологии факультета социальных наук ННГУ имени Н.И. Лобачевского Софья Полевая.

Для лучшего эффекта нижегородские ученые добавили к этим гармоникам собственный ритм сердца пациента. Этот бит формируется на основе данных с пульсоксиметров.

Археологические открытия российский ученых

В 2023 году российские археологи продолжили свои полевые исследования, и они принесли замечательные результаты.

Новгородская экспедиция Института археологии РАН работала в Великом Новгороде на четырех раскопах на Софийской стороне города, к северу от Кремля. На территории Неревского конца средневекового Новгорода на площади 700 квадратных метров мощность культурного слоя достигает шести метров, поэтому здесь специалистам удалось обнаружить более 300 тысяч массовых и более 3 тысяч индивидуальных находок из черного и цветных металлов, кости, янтаря, стекла, камня и глины. 

Была также найдена печать князя Ярослава Ярославича, брата Александра Ярославича Невского, управлявшего Новгородом в 1264–1271 годах. Ученые сообщили, что среди редких находок есть 6 берестяных грамот, 11 вислых свинцовых печатей и 3 германские монеты. 

Обнаруженные документы дают возможность заглянуть в прошлое и узнать о быте средневекового города. Так, в одной из грамот некий Андрей, попавший, вероятно, в долговую зависимость, обращается с просьбой выкупить его.

Археологам Раннеславянской экспедиции, исследовавшей нижнее течение реки Ворона и верховья реки Воронеж, удалось в ходе работ подтвердить существование раннеславянского населения в этих местах до VII века включительно.

Еще одно удивительное открытие сделала Фанагорийская археологическая экспедиция — она обнаружила древнейшую на территории России иудейскую синагогу. Помещение площадью более 120 квадратных метров было разрушено в результате пожара, который произошел, вероятно, в VI веке при нашествии варварских племен из соседних областей. 

Ученые предполагают, что эта богатая синагога до своего уничтожения просуществовала около 500 лет. Таким образом, синагога в Фанагории является одним из самых ранних храмов для всей диаспоры.

Участники Старорязанской археологической экспедиции в 2023 году продолжили многолетние раскопки на городище Старая Рязань. Они обнаружили бронзовый предмет в форме фигурной пластины с поясным изображением святого. 

По предварительным данным, это ювелирная матрица, при помощи которой изображение тиснением переносилось на серебряную или золотую пластину. Эта уникальная находка не только открывает новую сторону в изучении древнерусского ювелирного производства, но и является ярким образцом древнерусского прикладного искусства.