Уотсон и Крик, Шредингер и Эйнштейн - все они совершили теоретические открытия, изменившие мировое представление о науке.
Сегодня большие, судьбоносные идеи встречаются все реже. Движущей силой современных научных исследований и открытий являются новые и усовершенствованные методы. Они позволяют ученым проводить эксперименты быстрее, чем раньше, и проливают свет на области науки, скрытые от наших предшественников.
Три новейшие технологии - инструмент редактирования генов CRISPR, флуоресцентные белки и оптогенетика - были вдохновлены природой. Биомолекулярные инструменты, которые миллионы лет работали на бактериях, медузах и водорослях, теперь используются в медицине и биологических исследованиях. Прямо или косвенно они изменят жизнь обычных людей.
Защитные системы бактерий как генетические редакторы
Бактерии и вирусы борются сами с собой и друг с другом. Они находятся в состоянии постоянной биохимической войны, конкурируя за ограниченные ресурсы.
Одним из видов оружия, имеющегося в арсенале бактерий, является система CRISPR-Cas. Она представляет собой генетическую библиотеку, состоящую из коротких повторов ДНК, собранных со временем из враждебных вирусов, в паре с белком Cas, способным разрезать вирусную ДНК, словно ножницами. В природе, когда бактерии подвергаются атаке вирусов, ДНК которых хранится в архиве CRISPR, система CRISPR-Cas выслеживает, разрезает и уничтожает вирусную ДНК.
Ученые перепрофилировали это оружие для собственного использования, добившись революционного эффекта. Дженнифер Дудна, биохимик из Калифорнийского университета в Беркли, и французский микробиолог Эммануэль Шарпантье разделили Нобелевскую премию по химии 2020 года за разработку CRISPR-Cas как метода редактирования генов.
Проект "Геном человека" позволил получить практически полную генетическую последовательность человека и дал ученым образец для последовательности всех других организмов. Однако до появления CRISPR-Cas у исследователей не было инструментов для легкого доступа к генам живых организмов и их редактирования. Сегодня, благодаря CRISPR-Cas, лабораторная работа, которая раньше занимала месяцы и годы и стоила сотни тысяч долларов, может быть выполнена менее чем за неделю и всего за несколько сотен долларов.
Существует более 10 000 генетических заболеваний, вызванных мутациями, происходящими только в одном гене, - так называемые одногенные заболевания. Ими страдают миллионы людей. Серповидно-клеточная анемия, муковисцидоз и болезнь Хантингтона - одни из самых известных таких заболеваний. Все они являются очевидными мишенями для CRISPR-терапии, поскольку гораздо проще исправить или заменить только один дефектный ген, чем исправлять ошибки в нескольких генах.
Например, в доклинических исследованиях ученые вводили инкапсулированную CRISPR-систему пациентам, родившимся с редким генетическим заболеванием - транстиретиновым амилоидозом, вызывающим фатальные нервные и сердечные заболевания. Предварительные результаты исследования показали, что CRISPR-Cas можно вводить непосредственно пациентам таким образом, чтобы найти и отредактировать дефектные гены, связанные с заболеванием. У шести пациентов, включенных в эту эпохальную работу, инкапсулированные минимиссеты CRISPR-Cas достигли генов-мишеней и выполнили свою работу, вызвав значительное снижение уровня неправильно сформованного белка, связанного с заболеванием.
Медузы освещают микроскопический мир
Кристаллическая медуза Aequorea victoria, бесцельно дрейфующая в северной части Тихого океана, не имеет ни мозга, ни ануса, ни ядовитых жал. Это маловероятный кандидат на то, чтобы зажечь революцию в биотехнологии. Однако на периферии его зонтика расположено около 300 фотоорганов, испускающих точечные лучи зеленого света, которые изменили представление о науке.
Биолюминесцентный свет медузы обусловлен наличием люминесцентного белка aequorin и флуоресцентной молекулы green fluorescent protein, или GFP. В современной биотехнологии GFP выступает в роли молекулярной лампочки, которая может быть соединена с другими белками, что позволяет исследователям отслеживать их и видеть, когда и где белки производятся в клетках живых организмов. Технология флуоресцентных белков ежедневно используется в тысячах лабораторий и стала причиной присуждения двух Нобелевских премий - в 2008 и 2014 годах. А флуоресцентные белки теперь обнаружены у многих видов животных.
Эта технология в очередной раз доказала свою полезность, когда исследователи создали генетически модифицированные вирусы COVID-19, экспрессирующие GFP. Возникающая при этом флуоресценция позволяет проследить путь вирусов, когда они попадают в дыхательную систему и связываются с поверхностными клетками с волосовидными структурами.
Водоросли позволяют нам воспроизводить мозг нейрон за нейроном
Когда водоросли, рост которых зависит от солнечного света, помещают в большой аквариум в затемненной комнате, они бесцельно плавают вокруг. Но если включить лампу, водоросли поплывут к свету. У одноклеточных жгутиконосцев, названных так из-за хлыстообразных придатков, с помощью которых они передвигаются, нет глаз. Вместо этого они имеют структуру, называемую глазным пятном, которая различает свет и темноту. Глазное пятно усеяно светочувствительными белками, называемыми каналодопсинами.
В начале 2000-х годов исследователи обнаружили, что если генетически внедрить эти каналодопсины в нервные клетки любого организма, то освещение каналодопсинов синим светом вызывает возбуждение нейронов. Этот метод, известный как оптогенетика, предполагает введение в нейроны гена водоросли, производящей каналодопсин. Когда на нейроны направляется точечный пучок синего света, каналодопсины открываются, ионы кальция проникают в нейроны, и нейроны начинают работать.
Используя этот инструмент, ученые могут избирательно и многократно стимулировать группы нейронов, тем самым получая более точное представление о том, на какие нейроны следует воздействовать для лечения конкретных расстройств и заболеваний. Оптогенетика может стать ключом к лечению таких изнурительных и смертельно опасных заболеваний мозга, как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона.
Но оптогенетика полезна не только для изучения мозга. Исследователи использовали оптогенетические методы для частичного восстановления слепоты и получили многообещающие результаты в клинических испытаниях оптогенетики на пациентах с пигментным ретинитом - группой генетических заболеваний, разрушающих клетки сетчатки. А в исследованиях на мышах этот метод был использован для управления сердцебиением и регулирования работы кишечника мышей, страдающих запорами.
Что еще есть в арсенале природы?
Какие еще неизведанные приемы хранит для нас природа?
Согласно исследованию 2018 г., люди составляют всего 0,01% от общего числа живых существ по массе, но за короткое время существования на Земле они уничтожили 83% всех диких млекопитающих и половину всех растений. Уничтожая природу, человечество, возможно, упускает новые, мощные и меняющие жизнь технологии, даже не представляя их себе.
В конце концов, никто не мог предположить, что открытие трех революционных процессов, происходящих из природы, может изменить подход к науке.
Этот прорыв в медицине обычно приписывают одному человеку, Фредерику Бантингу, который искал лекарство от диабета. Но создание надежного средства для лечения диабета зависело от исследований двух других ученых, Оскара Минковского и Сёрена Сёренсена, которые ранее проводили исследования на, казалось бы, несвязанные темы.
История инсулина иллюстрирует тот факт, что медицинские инновации строятся на фундаменте науки, а затем требуются квалифицированные инженеры, чтобы вывести лечение из лаборатории и доставить его людям, которые в нем нуждаются.
Эта идея, в некотором роде, заложена в правилах легкой атлетики. В соревнованиях с несколькими забегами - от студенческого уровня до Олимпийских игр - люди, показавшие более высокое время в ранних забегах, назначаются на средние дорожки в последующих забегах. Другими словами, самые быстрые бегуны получают вознаграждение в виде, как предполагается, лучших дорожек.
Моя недолгая беговая карьера давно позади, но в своей профессиональной деятельности я много думаю об использовании статистики для извлечения смысла из данных. В преддверии Олимпийских игр я решил проверить достоверность фольклора о распределении дорожек, оставшегося со времен моей спринтерской карьеры.
Используя данные Международной ассоциации легкоатлетических федераций за 20 лет, я обнаружил, что давние убеждения о преимуществе дорожки не подтверждаются данными. И на самом деле, в спринте на 200 метров данные свидетельствуют о том, что дорожки, которые часто воспринимаются как наименее желательные, на самом деле являются самыми быстрыми.
Первым шагом в создании модели затонувшего корабля было обучение компьютера тому, как выглядит затонувший корабль. Также важно было научить компьютер отличать затонувшие корабли от рельефа морского дна. Для этого понадобилось множество примеров кораблекрушений. Также нужно было научить модель тому, как выглядит естественное дно океана.
Удобно, что Национальное управление океанических и атмосферных исследований ведет общедоступную базу данных о затонувших кораблях. У нее также есть большая общедоступная база данных различных видов изображений, собранных по всему миру, включая сонарные и лидарные снимки морского дна.
Скорость бега, плавания или гребли, высота или длина прыжка, точность попадания в цель, равновесие или подъем веса в значительной степени зависят от того, на чем сосредоточено внимание спортсмена.
Исследования показывают, что то, на чем концентрируется внимание спортсмена, может стать разницей между завоеванием золота и непопаданием в команду. Удивительным может оказаться тот факт, что переключение внимания с себя - того, что происходит в вашем теле, - на то, что находится снаружи - то, чего вы пытаетесь достичь, - является выигрышной стратегией.
Техническая поддержка проекта ВсеТут