Рекордные вакцины, марсианские гонки и говорящая мумия. Чем еще запомнится наука 2020 года

Новый орган в человеческом теле, лекарства против слепоты, «код» рака — мировой науке в 2020 году есть чем похвастаться. И это уже не говоря о разработанных в рекордные сроки новаторских вакцинах против коронавируса. Есть еще несколько амбициозных космических проектов, заговорившая мумия и масштабная «перепись» птиц Европы. А открытый в Бразилии очень странный вирус позволяет лучше понять, насколько сложно устроена природа.

hromadske подводит итоги научного 2020 года.

Вакцины против SARS-CoV-2

Эпидемия COVID-19 — новой инфекционной болезни, вызываемой неизвестным ранее вирусом SARS-CoV-2 — стала самым большим вызовом для мирового сообщества в 2020 году. Но вместе с тем она стала мощным стимулом для биологических и медицинских наук.

В начале 2020 года был расшифрован геном возбудителя болезни. А уже к концу года сразу две вакцины прошли полный цикл всех необходимых испытаний, были одобрены ведущими мировыми регуляторами, и их начали получать люди — как простые граждане, так и первые лица стран. Одну из них разработала Pfizer совместно с BioNTech, а другую — компания Moderna. Еще несколько вакцин приближаются к финалу клинических испытаний.

Вакцины сами по себе не смогут ликвидировать пандемию, ведь открытым остается вопрос доступа к ним бедных стран. Но сам факт создания вакцины менее чем за год является беспрецедентным.

Для сравнения, разработка ERVEBO — вакцины против вируса Эбола, которую европейский и американский регуляторы одобрили в 2019 году, длилась около 16 лет. А чтобы выявить вирус гепатита С и найти от него хорошие лекарства (не вакцину), понадобилось около половины века.

Кроме того, обе вакцины против SARS-CoV-2, которые уже вышли на рынок, стали первыми в истории РНК-вакцинами. Это означает, что информация об антигене — вирусном белке, на который реагирует иммунная система — доставляется в организм в виде молекулы РНК. Никакая другая вакцина такого типа ранее не была одобрена для использования.

У РНК-вакцин есть ряд преимуществ по сравнению с другими типами вакцин. Например, их легче производить в промышленном масштабе. Вместе с тем, их необходимо транспортировать при очень низкой температуре, а это может представлять трудности  для стран, где медицинская система недостаточно развита.

«Генетические ножницы» как лекарство от слепоты

В США начались клинические исследования нового метода лечения редкого заболевания, приводящего к слепоте — одного из типов амавроза Лебера.

В основе экспериментальной терапии лежит технология CRISPR, известная также как «генетические ножницы». За ее разработку в 2020 году две исследовательницы получили Нобелевскую премию.

Это не первая попытка применения CRISPR в медицине. Например, с помощью «генетических ножниц» пытаются лечить серповидноклеточная анемия, при которой патологически изменяются красные кровяные клетки. Для этого у пациента забирают стволовые клетки крови, исправляют в них генетические поломки, а затем возвращают в организм, где из них развиваются нормальные красные кровяные тельца.

Но на этот раз изменение генов впервые должно происходить непосредственно в теле человека.

Амавроз Лебера бывает нескольких типов. Между собой они отличаются тем, что ломаются разные гены, но в любом случае это приводит к тому, что отмирают светочувствительные клетки в сетчатке глаза, и человек навсегда теряет зрение. 

В этом случае речь идет о заболевании 10-го типа (LCA10). Первому участнику испытаний с таким диагнозом молекулярную систему CRISPR/Cas9 с помощью иглы ввели в сетчатку одного глаза, где она должна исправить генетический дефект.

Всего в этом исследовании запланировано участие восемнадцать человек с амаврозом Лебера. Испытания продолжаются, поэтому говорить о результатах рано.

Марсианский забег

Марсианские миссии, с одной стороны, уже стали почти привычными для нас. Но с другой — остаются все еще задачей высшего пилотажа, особенно если речь идет о посадке на поверхность Красной планеты. 

Достаточно сказать, что Европейскому космическому агентству, одной из самых продвинутых космических организаций, до сих пор не удавалось осуществить ни одной миссии, связанной с посадкой на Марс. Даже если говорить об орбитальных аппаратах, «клуб исследователей Марса» до недавнего времени оставался очень немногочисленным США, СССР, Европа и Индия.

Но этим летом сразу три страны запустили свои аппараты для исследования Красной планеты. Наряду с опытными США, в марсианскую гонку вступили Китай, у которого есть немалые достижения и еще большие амбиции в освоении космоса, и Объединенные Арабские Эмираты, которые до сих пор не могли похвастаться большими достижениями в космосе.

НАСА в конце июля отправило к Марсу ровер Perseverance («Настойчивость»), задача которого состоит в том, чтобы искать следы возможно существовавшей ранее на планете жизни. Вместе с ним на Марс летит Ingenuity («Изобретательность») — роботизированный вертолет, который впервые в истории должен осуществить полеты в атмосфере другой планеты.

За неделю до этого Китай запустил миссию «Тяньвень-1» («Вопросы к небу»). В ее состав входит орбитальный аппарат, посадочная платформа и ровер. Ее задачи заключаются в поисках признаков жизни — в прошлом или настоящем, а также общем изучении условий на планете. Если ровер успешно сядет и сможет работать на поверхности Марса, то Китай станет второй после США страной, которой это удалось.

За несколько дней до старта китайской миссии свой аппарат для исследования Марса запустили ОАЭ. Если Emirates Mars Mission окажется успешной, она станет первой межпланетной миссией арабских стран. Посадка на поверхность Красной планеты не предполагается, орбитальный аппарат будет исследовать свойства марсианской атмосферы. Но у него есть и другая важная цель — популяризировать науку и, в частности, космические исследования в стране. 

Все три миссии, по плану, должны достичь Марса в феврале 2021 года.

Мумия говорит

Впервые в истории ученым удалось воссоздать звучание голоса человека, который жил за много веков до изобретения первых устройств для записи звука. Этим человеком стал Несьямун — египетский жрец и писарь, служивший в Карнакском храме во времена Рамзеса XI, который правил с 1107 по 1078 год до н.э.

Насколько нам известно, он не сыграл какой-то важной исторической роли при жизни. А вот его мумия, известная как «мумия из Лидса», оказалась действительно важной с точки зрения исследований Древнего Египта.

Одной из первых ее начали изучать еще в 1820-х годах, когда наука египтология только вставала на ноги. К мумии неоднократно возвращались с новыми техниками, появлявшимися в арсенале новых поколений исследователей. Благодаря этому мы знаем, что у Несьямуна были заболевания десен, сильно стертые зубы, а в его жилах, как писали тогда исследователи, текла нубийская кровь. Умер он, когда ему было примерно 55 лет.

Его имя, написанное на саркофаге, было одним из первых, которые удалось прочитать после того, как исследователи научились понимать древнеегипетскую письменность. Кроме того, на саркофаге написано, что в вечной жизни он хочет говорить с богами так, как он делал это во время жизни земной.

Исследователи решили пойти ему навстречу. С помощью компьютерной томографии они отсканировали речевой аппарат мумии, который сохранился достаточно хорошо, распечатали его модель на 3D-принтере и соединили с устройством, носящим название Vocal Tract Organ. Вся эта система способна «говорить» настоящим голосом Несьямуна — правда, пока она произносит только один звук, похожий на «э».

Об имитации полноценного голоса конкретной личности речь пока не идет, но первые успехи позволяют надеяться, что когда-нибудь исследователи приблизятся и к этой амбициозной цели.

Неизвестный орган в нашем теле

Исследователи из Нидерландов открыли в человеческом теле неизвестный ранее орган — расположенную в центре головы пару слюнных желез размером примерно 4 сантиметра. 

Они проводили диагностику пациентов, больных раком простаты, с помощью новейшего сканера PSMA PET/CT. В тело человека вводят раствор радиоактивной глюкозы, и сканер показывает, где находится опухоль.

Но исследователи увидели с его помощью в голове пациента нечто, что не было опухолью. При более детальном изучении оказалось, что это пара слюнных желез, о которых не знали ни сами ученые, ни анатомическая наука в целом.

Ранее считалось, что, кроме большого количества микроскопических слюнных желез, которые можно увидеть только с помощью микроскопа, у нас есть три пары больших: подушных, поднижнечелюстных и подъязычных.

Чтобы проверить, не является ли этот новый орган какой-то аномалией у пациента, исследователи с помощью того же метода проверили еще сто человек. И у всех обнаружили четвертую пару слюнных желез, расположенных позади носоглотки. К тому же, существование нового орана подтвердили путем вскрытия двух тел.

Открытие четвертой пары слюнных желез интересно, по крайней мере, с двух точек зрения. 

Во-первых, расположение слюнных желез важно учитывать при лучевой терапии у пациентов с раком шеи или головы. Ведь их непреднамеренное облучение может привести к нежелательным побочным последствиям.

А во-вторых, это означает, что даже в такой «мертвой» науке, как анатомия, до сих пор возможны открытия. Мы все еще не в совершенстве знаем строение человеческого тела, которое изучаем уже тысячи лет.

Доставка внеземного вещества

2020-й оказался особенно «урожайным» на внеземное вещество, которое особенно ценно как источник информации о нашей Солнечной системе. 

Ежегодно такое вещество совершенно бесплатно мы получаем вместе с метеоритами, падающими на Землю. Но в этом году его доставили в результате двух космических миссий.

В середине декабря в Китае приземлилась капсула с лунным грунтом, собранным китайским аппаратом «Чанъэ-5». Таким образом, Китай стал третьей страной после США и СССР, которая смогла доставить лунную породу на Землю, и первой, сделавшей это за последние более чем 40 лет.

Исследование пород, из которых состоит Луна, позволяет понять происхождение и историю нашего спутника и самой Земли. Но оно также важно с практической точки зрения. Ведь людям, которые скоро смогут обживать первые лунные поселения, придется использовать лунные породы для различных нужд, в том числе и для строительства. 

Кроме того, мелкие частицы лунного грунта могут представлять опасность для здоровья людей. С их неприятным воздействием в свое время столкнулись американские астронавты, и нам надо лучше понимать степень опасности, которую они могут представлять.

А в начале декабря в Австралии приземлилась капсула с грунтом с астероида Рюгу. Так закончилась космическая часть японской миссии «Хаябуса-2».

Несмотря на то, что в массовой культуре исследование астероидов чаще всего ассоциируется с опасностью, которую они могут представлять для Земли, а также добычей на них полезных ископаемых, они не менее интересны с другой точки зрения. Эти космические тела содержат в себе информацию о том, как возникла и эволюционировала Солнечная система. Именно поэтому их исследуют с помощью телескопов и космических аппаратов, но все это не может заменить непосредственного изучения их вещества на Земле. Этим и начинают заниматься японские исследователи.

В октябре 2020 года американский аппарат OSIRIS-REx в рамках подобной миссии успешно осуществил забор грунта с астероида Рюгу. Но капсула с ним прибудет на Землю только в 2023 году.

Разгадать форму белка

Одно из подразделений Google создало алгоритм, позволяющий с большой точностью и достаточно быстро определить структуру белковой молекулы. Это задача, на которую исследователи тратят годы.

В нашем теле есть тысячи различных белковых молекул, выполняющих самые разнообразные функции. Они могут делать это благодаря тому, что имеют сложную и строго определенную форму. Это, в частности, позволяет им взаимодействовать с другими молекулами, подобно тому, как ключ взаимодействует с замком.

Эта форма, или пространственная структура белков определяется последовательностью аминокислот — 20 типов «звеньев», из которых построен любой белок. Общее число таких звеньев в молекуле того или иного белка может измеряться десятками или сотнями.

Определить последовательность этих «звеньев» не представляет проблемы. Но, зная эту последовательность, исследователи не могут предсказать заранее, каким именно единственно правильным способом эта цепочка свернется. Решить задачу можно, но это очень кропотливая работа, которая может длиться годами. И так — для каждого нового белка.

Алгоритм AlphaFold2 был создан специально для решения этой задачи. Как он это делает — мы точно не знаем, поскольку в его основе лежит нейронная сеть, способная учиться на примере уже решенных задач.

На конкурсе CASP, где раз в два года различные программы соревнуются в предсказании пространственной структуры белков, AlphaFold2 в этом году занял первое место. Ему удалось определить структуру белков, которую до этого установили обычными методами, практически безошибочно. 

Другими словами, этот алгоритм заменяет многочисленные исследования, которые надо проводить годами, чтобы понять структуру белка, и решает задачу, над которой ученые бьются уже не одно десятилетие.

Это значит, что мы достаточно легко и быстро можем узнать «форму» нужного нам белка. Поскольку многие медицинские препараты нацелены на те или иные белки, то такой алгоритм может ускорить создание новых лекарств.

Раскодировать рак

В 2020 году были опубликованы результаты крупнейшего в истории исследования генетических механизмов рака. В течение 10 лет над ним работал международный консорциум из более чем тысячи исследователей.

Если говорить очень упрощенно, то причиной рака являются мутации, или поломки в генах отдельных клеток, из-за которых эти клетки начинаются бесконтрольно размножаться.

Чтобы выявить такие мутации, до сих пор ученые исследовали в основном так называемую кодирующую ДНК — ту ее часть, которая отвечает за кодирование белков. Но она составляет лишь несколько процентов от всей нашей ДНК. Другая, гораздо большая часть — это так называемая «мусорная ДНК». До недавнего времени ее роль в возникновении рака была изучена очень мало.

В рамках проекта PCAWG (Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes, «Анализ полного генома всех видов рака») ученые расшифровали геномы более двух с половиной тысяч человек, больных различными видами рака, и выяснили, какие именно мутации приводят к конкретным заболеваниям.

Оказалось, что в некоторых случаях, зная характерные мутации, заболевание можно прогнозировать за многие годы и даже десятилетия до того, как оно проявится. 

Кроме того, выяснилось, что некоторые мутации могут быть причиной совершенно разных видов онкологических заболеваний, например, рака простаты или молочных желез. Это означает, что подходы к лечению таких, на первый взгляд различных видов рака тоже могут быть похожими.

Благодаря исследованию также выяснилось, что есть около восьмидесяти различных процессов, которые могут стать причиной опасных генетических мутаций. Некоторые из них связаны с возрастом, а некоторые — с образом жизни.

Это исследование открывает новые, ранее невиданные возможности для диагностики и лечения различных онкологических заболеваний.

Новый вирус: странный, но не страшный

Из всех вирусов наше внимание, в первую очередь, привлекают те, что способны вызывать болезни. Например, различные коронавирусы. При этом в тени незаслуженно остаются другие, которые, к счастью, ничем нам не грозят, но помогают понять, насколько сложно устроена живая природа. Например, вирусы, живущие в амебах.

Первый из них ученые описали в 2003 году. Он и его родственники выделяются среди других вирусов своими просто гигантскими размерами. По ним они больше напоминают бактерий.

А в этом году исследователи открыли в Бразилии новый вид вирусов из этой группы, который сильно отличается от своих странных родственников. Яравирус (так его назвали в честь «матери воды» из мифологии коренных народов Бразилии) имеет 74 гена. Для сравнения, даже у самых простых бактерий сотни генов, без которых они жить не могут. Но многие вирусы обходятся всего несколькими генами, а остальное они «заимствуют» у клетки-хозяина, в которой живут. Поэтому 74 — это много для вируса.

Но самое интересное, что более 90% его генов не знакомы науке. Обычно даже очень отдаленные в эволюционном плане организмы имеют одинаковые или очень похожие гены. Но в случае с этим вирусом может сложиться впечатление, что у него вообще нет родственников. Только шесть из его генов приблизительно напоминают гены других организмов.

Конечно же, яравирус ни в коем случае не является пришельцем из космоса, и у него вполне могут быть родственники. Но он явно намекает на то, что мы еще очень мало знаем, какими могут быть вирусы и на что они способны.

Масштабы потерянной природы

Сегодня все больше ученых и защитников окружающей среды говорят о том, что мы теряем дикую природу.

В этом году вышел очередной отчет Всемирного фонда дикой природы (WWF) «Живая планета — 2020», который показывает конкретные масштабы этих потерь среди определенных групп организмов. В частности, с 1970 года численность позвоночных животных (к ним относятся млекопитающие, птицы, пресмыкающиеся, земноводные и рыбы) сократилась в среднем на 68%, или на две трети. Быстрее всего этот процесс идет в тропических регионах Северной и Южной Америки.

Главная причина этого процесса — деятельность человека, которая изменяет (часто — просто уничтожает) среду, в которой живут растения и животные, загрязняет окружающую среду и беспощадно ее эксплуатирует. В отчете говорится, что наихудшего сценария еще можно избежать, но действовать надо немедленно. Худший сценарий будет означать, что природа планеты обеднеет настолько, что не сможет поддерживать существование человечества.

В Украине биоразнообразие исследуется очень слабо. Это значит, что мы мало знаем о его состоянии и о том, как оно меняется. А без этого знания охранять природу очень сложно.

На фоне такого положения вещей важным исключением стал выход в конце года второго издания «Атласа гнездящихся птиц Европы». Это международный проект, в котором приняли участие более 100 тысяч волонтеров из разных стран, занимавшихся сбором полевой информации, ее обработкой, созданием иллюстраций и т.д. Атлас содержит информацию о численности и распространении всех видов птиц, гнездящихся в Европе.

Для всей территории Украины такая информация собрана впервые и незаменима для орнитологов и тех, кто занимается охраной птиц.

Дмитрий Симонов, hromadske