Ежегодно в середине декабря редакция журнала Science публикует список важнейших, по ее мнению, научных событий уходящего года. В 2019 году главным прорывом был назван снимок тени черной дыры в галактике М87, в прошлом — предсказуемо стала быстрая разработка вакцин от коронавируса. Заканчивается 2021-й — и вот что о нем думает Science.
Главное: алгоритмы предсказывают структуры белков
С середины XX века биологи умеют экспериментально определять трехмерную структуру белков с помощью рентгеноструктурной кристаллографии. Это очень надежный метод — но медленный и дорогой. На то, чтобы восстановить структуру одного белка, порой необходимо потратить несколько лет и сотни тысяч долларов. Так что еще полвека назад специалисты начали разрабатывать компьютерные модели, позволяющие на основе аминокислотной последовательности белка понять, в какую третичную структуру он свернется. Первые такие программы были простыми и могли работать лишь с небольшими молекулами. Их возможности росли, но неспешно — к середине 2010-х годов технология недалеко ушла от своих истоков.
Все изменилось в 2018 году, когда компания DeepMind представила научному сообществу алгоритм машинного обучения AlphaFold. Он учится на базе данных, в которой собрана вся информация о трехмерной структуре белков, которую уже получили экспериментально. С опорой на нее она предсказывает, в какую структуру свернется белок с той или иной аминокислотной последовательностью. Точность AlphaFold составила около 80 баллов из 100. А в конце 2020 года новая версия алгоритма, AlphaFold2, набрала 92,4 балла — то есть справилась с задачей уже на уровне экспериментальных методов (подробнее читайте об этом в нашем материале «Гадание на белковой гуще»).
Редакция Science еще в 2020-м упоминала успех AlphaFold в числе важнейших научных достижений года. Однако технологии машинного обучения на достигнутом не остановились и в этом году развили свой успех. В середине июля программа RoseTTAFold предсказала структуру нескольких сотен белков, важных для медицины — их можно использовать в качестве мишеней для лекарств. А неделю спустя в DeepMind заявили о расшифровке структуры 350 000 белков человека и еще 20 модельных организмов. В компании полагают, что на предсказание структуры больше ста миллионов белков у их алгоритма в дальнейшем уйдет лишь несколько месяцев. Дальше они собираются выяснять, как эти молекулы взаимодействуют между собой. Эта работа уже началась: в октябре DeepMind представила описание 4433 белковых комплексов, а в ноябре алгоритм RoseTTAFold пополнил этот список еще 912 комплексами.
У алгоритмов AlphaFold2 и RoseTTAFold открытый код, что позволяет ученым со всего мира пользоваться этими инструментами. Например, в ноябре исследователи из Германии и США применили AlphaFold2, чтобы реконструировать структуру ядерных пор. Немного ранее, в августе, китайские биологи воспользовались тем же алгоритмом, чтобы определить структуру 200 белков, связывающихся с ДНК. Прямо сейчас AlphaFold2 используют, чтобы смоделировать эффект мутаций в шиповом белке омикрон-варианта коронавируса.
Именно прогресс в предсказании структуры белков с помощью алгоритмов, по мнению редакции Science, следует назвать главным научным прорывом года.
Ядерную ДНК впервые извлекли из пещерного грунта
Биологи в последние десятилетия научились извлекать и анализировать ДНК из ископаемых остатков возрастом более миллиона лет. Благодаря этим достижениям палеогенетиков мы теперь намного больше знаем об эволюции, расселении и вымирании целого ряда биологических видов, от насекомых до шерстистых мамонтов. Однако кости древних людей, из которых можно выделить достаточно качественный генетический материал, встречаются редко. В результате до сих пор удалось восстановить лишь 23 ядерных генома древних людей, 18 из которых принадлежат неандертальцам.
В начале 2000-х ученые обратили внимание на другой потенциальный источник ДНК — грунтовые отложения пещер, в которых сохранились следы органики: крови, экскрементов, волос и частичек кожи их обитателей. Сначала из грунта удавалось извлечь лишь митохондриальную ДНК, но в 2021 году биологи впервые добыли из него ядерную ДНК человека. Весной ученые выделили ядерную ДНК неандертальцев из грунтовых отложений в Денисовой и Чагырской пещерах на Алтае, а также в Галерее статуй (Galería de las Estatuas) в северной Испании. Летом была опубликована работа, авторы которой извлекли неандертальскую ядерную ДНК из отложений грузинской пещеры Сацурблия. Методы выделения генетического материала из окружающей среды продолжают совершенствоваться — и нет сомнений, что они позволят больше узнать об истории нашего и многих других видов.
Шаг к управляемому термоядерному синтезу
Управляемый термоядерный синтез давно называют технологией, которая может решить энергетические проблемы человечества. Работы в этой области идут уже почти век. Среди них в 2021 году журнал Science отдельно выделяет инерциальный термоядерный синтез. Это метод, при котором высокую температуру и давление, необходимые слияния ядер изотопов водорода, создают, направляя мощные лазерные лучи на небольшую капсулу («хольраум») с заключенной в ней сферической мишенью с топливом.
Прогресс в области инерциального термояда выглядит гораздо скромнее, чем рекорды, поставленные за последнее время на системах магнитного удержания горячей плазмы, таких как токамаки или стеллараторы. Тем не менее, он есть — летом этого года на установке NIF, которая располагается в США и использует для разогрева топлива 192 лазерных пучка общей мощностью в 500 тераватт, был получен новый, важный результат. Экспериментаторам удалось добиться того, что выделившаяся в ходе реакций слияния в мишени энергия составила около 70 процентов от затраченной на нагрев мишени. Исследователи считают, что почти добрались до энергии горения плазмы, то есть момента, при котором в мишени начнет выделяться достаточно тепла, чтобы реакция синтеза стала самоподдерживающейся.
В 2014 году NIF добился того, что выделенной в результате реакций энергии оказалось больше, чем было потрачено на нагрев и сжатие мишени, без учета потерь в самой установке. Однако реальный выход на точку безубыточности, которого так ждут ученые, случится еще не скоро. Кроме того, NIF не раз критиковали, как за приукрашивание своих результатов в СМИ, так и за работы в области моделирования ядерного оружия.
Первые лекарства от ковида
Разработать вакцины от коронавируса удалось быстрее, чем за год. Однако для победы над ковидом также нужны и лекарства, облегчающие или вовсе снимающие симптомы болезни и, соответственно, ее летальность. На их создание ушло гораздо больше времени. Первый эффективный препарат от ковида, молнупиравир, представила в начале октября фармацевтическая компания Merck & Co. Согласно результатам клинических испытаний, он снижает риск госпитализации при коронавирусе примерно на треть (первоначальные заявления, согласно которым вероятность попасть в больницу благодаря новому лекарству сокращается вдвое, пришлось скорректировать). Другой препарат от Pfizer еще эффективнее: данные испытаний показывают, что если начать принимать его в течение трех дней после появления симптомов, вероятность госпитализации уменьшается на 89 процентов. Появление лекарств от ковида не отменяет необходимости прививаться — но многие специалисты уверены, что оно может переломить ход пандемии.
МДМА против ПТСР
Психоделические препараты долгие годы имели репутацию опасных наркотиков. Однако в последнее время все больше медиков видят в них перспективные лекарства против депрессии, тревожности и других психических расстройств. В уходящем году американские исследователи опубликовали очередную важную работу на эту тему. В третьей фазе клинических испытаний они продемонстрировали, что терапия с применением МДМА (известного в популярной культуре под именем «экстази») в сочетании с психотерапией заметно снижает выраженность симптомов посттравматического стрессового расстройства. Комбинация двух этих методов помогла 67 процентам пациентов. Возможно, уже к 2023 году терапия ПТСР с помощью МДМА получит одобрение FDA.
Моноклональные антитела против инфекций
Моноклональные антитела, синтезируемые в лабораторных условиях, уже несколько лет эффективно применяются для терапии рака, аутоиммунных заболеваний и мигрени. Однако против инфекционных болезней их прежде использовали редко. Все изменилось с началом пандемии ковида. Поскольку лекарств от этой болезни попросту не было, пациентам с этим диагнозом пытались помочь с помощью антител. Исследования показали, что такой подход не только снижает риск развития тяжелой формы ковида и облегчает ее течение, но и защищает от заражения. Кроме успехов на ковидном фронте, в 2021 году моноклональные антитела продемонстрировали способность эффективно защищать от заражения малярией.
Сейчас препараты на основе моноклональных антител разрабатывают против гриппа, вируса Зика, цитомегаловируса и респираторно-синцитиального вируса. До сих пор подобные лекарства оставались дорогими, а вводить их можно было только в больницах. Но вскоре, надеется Science, они могут стать стандартным орудием борьбы с инфекциями.
Марсианские открытия InSight
Станция InSight прибыла на Марс три года назад. Ее работа на четвертой планете от Солнца далеко не всегда шла удачно — солнечные батареи уже ощутимо засыпаны песком (хотя станция пытается их чистить), а ударный зонд HP3 — один из основных научных инструментов — вовсе завершил свою работу в начале года, так и не забравшись в грунт на нужную глубину (подробнее об этом инструменте читайте в материале «45 сантиметров за 50 лет»).
Однако в этом году InSight, тем не менее, узнал немало нового о недрах Марса, а общее количество зафиксированных им марсотрясений перевалило за тысячу. Геологи, анализирующие данные InSight, определили строение приповерхностных слоев Марса, рассчитали толщину его коры, размер ядра планеты и даже выявили сезонность марсотрясений. Ученые надеются, что станция сможет проработать до конца следующего года, но, скорее всего, слои песка на солнечных батареях лишат ее электроэнергии уже ближайшим летом.
Трещины в Стандартной модели
Весной физики из Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми провели эксперимент Muon g-2, целью которого было с высокой точностью измерить аномалию магнитного момента мюона. Полученное значение совпало с результатами аналогичного эксперимента E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории, а вместе два эксперимента отличаются от предсказаний Стандартной модели с достоверностью в 4,2σ. Это может может означать, что физика частиц вскоре сможет выйти за пределы Стандартной модели, доказав существование не укладывающихся в нее частиц или взаимодействий (о другой атаке на «трещину» в Стандартной модели читайте в материале «Чистая аномалия»).
CRISPR/Cas идет в медицину
Инструмент генного редактирования CRISPR/Cas9 начали использовать в медицине всего несколько лет назад. В конце 2019 года его применили, чтобы вылечить двух пациенток от бета-талассемии и серповидноклеточной анемии. У женщин взяли стволовые клетки крови, отредактировали их геном, размножили и вернули обратно в организм. В 2020 году CRISPR впервые использовали для исправления мутации непосредственно в организме пациента. Восемнадцати пациентам, страдающим от одной из форм врожденной слепоты (амавроз Лебера 10 типа), ввели раствор c генетическим инструментом под сетчатку одного из глаз. Спустя 15 месяцев, осенью 2021 года, были опубликованы предварительные итоги испытаний. У двух из трех пациентов, которые получили среднюю дозу препарата, зрение улучшилось.
Также в уходящем году исследователи из Университетского колледжа Лондона и компаний Intellia Therapeutics и Regeneron Pharmaceuticals продемонстрировали, что CRISPR-терапию можно вводить внутривенно. В эксперименте приняли участие шесть пациентов с транстиретиновым амилоидоизом — болезнью, при которой белок транстиретин накапливается в жизненно важных органах. Всего через месяц после инъекции, которая должна была внести исправления в клетки печени, концентрации транстиретина у них в крови снизились на 50-90 процентов, а серьезных побочных эффектов не возникло.
Эмбрионы отдельно
Изучать, как развиваются ткани и органы в эмбрионах млекопитающих, непросто. Дело в том, что этот процесс скрыт за стенками матки, так что наблюдать за ним трудно, а вмешаться не только практически невозможно, но и, если речь идет об эмбрионах человека, этически проблематично (об этом читайте в материале «14 дней спустя»).
Решением может стать выращивание эмбрионов «в пробирке» — однако вне тела матери они довольно быстро погибают. В марте 2021 года израильские ученые из Института имени Вейцмана сообщили, что им удалось провести мышиные эмбрионы в пробирке через несколько стадий развития: от раннего формирования слоев в массе клеток до появления конечностей, то есть до 8–11 дня. Это позволит эмбриологам наконец-то своими глазами взглянуть на то, как формируются и развиваются ткани и органы зарождающегося организма. А в декабре эмбриологи из Института молекулярной биотехнологии Австрийской академии наук заявили, что им удалось не только создать зародыш из стволовых клеток, но и создать для него искусственную подложку, на которой он продолжил развиваться. Правда, происходило это тоже в пробирке — поэтому вместо матки они использовали органоид эндометрия, и нормально развиваться имплантированный зародыш не смог.
Провалы года
Помимо научных прорывов года, редакция Science также выбрала несколько провалов. Главным из них стали проблемы с вакцинами от ковида. Дело в том, что из-за трудностей с логистикой жители многих развивающихся стран так и не получили свои дозы. А новый омикрон-вариант вируса, похоже, научился уходить от иммунного ответа, приобретенного в результате вакцинации (подробнее о том, какими путями пошли варианты вируса после того, как дельта стала доминирующим штаммом, читайте материал «Наследники и смутьян»).
Среди других провалов — не слишком удачные итоги климатической конференции в Глазго; спорное решение FDA одобрить препарат адуканумаб от болезни Альцгеймера (подробнее читайте о нем в наших материалах «Пятый лишний» и «В мире сложных решений»); а также рост недовольства учеными и наукой на фоне продолжающейся пандемии.
при участии Александра Войтюка