Рекордні вакцини, марсіанські перегони та мумія, що говорить. Чим ще запам’ятається наука 2020 року

Новий орган у людському тілі, ліки проти сліпоти, «код» раку — світовій науці у 2020 році є чим похвалитися. І це вже не кажучи про розроблені в рекордні терміни новаторські вакцини проти коронавірусу. Маємо ще декілька амбітних космічних проєктів, мумію, яка заговорила, та масштабний «перепис» птахів Європи. А відкритий у Бразилії дуже дивний вірус дає змогу краще зрозуміти, наскільки складно влаштована природа.

hromadske підбиває підсумки наукового 2020 року.

Вакцини проти SARS-CoV-2

Епідемія COVID-19 — нової інфекційної хвороби, що викликається невідомим раніше вірусом SARS-CoV-2, — стала найбільшим викликом для світової спільноти у 2020 році. Але разом із тим — потужним стимулом для біологічних та медичних наук.

На початку 2020 року був розшифрований геном збудника хвороби. А вже до кінця року одразу дві вакцини здійснили повний цикл усіх необхідних випробувань, були схвалені провідними світовими регуляторами, і їх почали отримувати люди — як прості громадяни, так і перші особи країн. Одну з них розробила Pfizer спільно з BioNTech, а іншу — компанія Moderna. Ще кілька вакцин наближаються до фіналу клінічних випробувань.

Самі лише вакцини не зможуть ліквідувати пандемію, адже відкритим залишається питання доступу до них бідних країн. Але сам факт створення вакцини менш як упродовж одного року є безпрецедентним.

Для порівняння, розробка ERVEBO — вакцини проти вірусу Еболи, яку європейський та американський регулятори схвалили у 2019 році, — тривала близько 16 років. А щоб виявити вірус гепатиту C і знайти від нього ефективні ліки (не вакцину), знадобилося близько пів століття.

Крім того, обидві вакцини проти SARS-CoV-2, що вже потрапили на ринок, стали першими в історії РНК-вакцинами. Це означає, що інформація про антиген — білок вірусу, на який реагує імунна система, — доставляється в організм через молекулу РНК. Жодної іншої вакцини такого типу раніше не було схвалено для використання.

РНК-вакцини мають ряд переваг у порівнянні з іншими типами вакцин. Наприклад, їх легше виробляти в промисловому масштабі. Разом із тим їх необхідно транспортувати за дуже низької температури, а це може бути складно для країн, де медична система недостатньо розвинена.

«Генетичні ножиці» як ліки проти сліпоти

В США розпочалися клінічні дослідження нового методу лікування рідкісного захворювання, яке призводить до сліпоти, — одного з типів амаврозу Лебера.

В основі експериментальної терапії лежить технологія CRISPR, відома також як «генетичні ножиці». За її розробку у 2020 році дві дослідниці отримали Нобелівську премію.

Це не перша спроба застосування CRISPR у медицині. Наприклад, за допомогою «генетичних ножиць» намагаються лікувати серпоподібну клітинну анемію, за якої патологічно змінюються червоні кров’яні клітини. Для цього у пацієнта забирають стовбурові клітини крові, виправляють у них генетичні несправності, а потім повертають в організм, де з них розвиваються нормальні червонокрівці.

Але цього разу редагування генів уперше має відбуватися безпосередньо в тілі людини.

Амавроз Лебера буває кількох типів. Між собою вони відрізняються тим, що ламаються різні гени. Але в будь-якому разі це призводить до того, що відмирають світлочутливі клітини в сітківці ока, і людина назавжди втрачає зір.

У цьому випадку йдеться про захворювання 10-го типу (LCA10). Першому учаснику випробувань із таким діагнозом молекулярну систему CRISPR/Cas9 за допомогою голки ввели під сітківку одного ока, де вона повинна виправити генетичний дефект.

Загалом у цьому дослідженні запланована участь вісімнадцятьох людей із амаврозом Лебера. Випробування тривають, тому говорити про результати зарано.

Марсіанський забіг

Марсіанські місії, з одного боку, вже стали майже звичними для нас. Але з іншого — лишаються все ще завданням найвищого пілотажу, надто якщо йдеться про посадку на поверхню Червоної планети.

Достатньо лише сказати, що Європейському космічному агентству, одній із найпотужніших космічних організацій, досі не вдавалося здійснити жодної місії, пов’язаної з посадкою на Марс. Навіть якщо говорити про орбітальні апарати, «клуб дослідників Марса» донедавна залишався дуже нечисленним: США, СРСР, Європа та Індія.

Але цього літа одразу три країни запустили свої апарати для дослідження Червоної планети. Поруч із досвідченими США, до марсіанських перегонів долучився Китай, який має чималі досягнення й ще більші амбіції в освоєнні космосу, та Об’єднані Арабські Емірати, які досі не могли похвалитися великими досягненнями у космосі.

NASA наприкінці липня відправило до Марса ровер «Персеверенс» («Наполегливість»), завдання якого полягає в тому, щоб шукати сліди минулого життя. Разом із ним на Марс летить «Інджин'юіті» («Винахідливість») – роботизований гвинтокрил, який уперше в історії повинен здійснити польоти в атмосфері іншої планети.

За тиждень до цього Китай запустив місію «Тяньвень-1» («Питання до неба»). До її складу входить орбітальний апарат, посадкова платформа і ровер. Її задачі полягають в пошуках ознак життя – минулого чи сучасного, а також загальному вивченні умов на планеті. Якщо ровер успішно сяде і зможе працювати на поверхні Марса, то Китай стане другою після США країною, якій це вдалося.

За кілька днів до старту китайської місії свій апарат для дослідження Марсу запустили ОАЕ. Emirates Mars Mission, якщо виявиться успішною, стане першою міжпланетною місією арабських країн. Посадка на поверхню Червоної планети не передбачається, орбітальний апарат буде досліджувати властивості марсіанської атмосфери. Але він має й іншу важливу мету — популяризувати науку та, зокрема, космічні дослідження в країні.

Усі три місії за планом мають прибути до Марсу в лютому 2021 року.

Мумія говорить

Вперше в історії вченим вдалося відтворити звучання голосу людини, яка жила за багато століть до винайдення перших пристроїв звукозапису. Цією людиною став Нес’ямун — єгипетський жрець та писар, що служив у Карнакському храмі за часів Рамзеса XI, який правив з 1107 по 1078 рік до н.е.

Наскільки нам відомо, він не відіграв якоїсь важливої історичної ролі за свого життя. А от його мумія, відома як «мумія із Лідсу», виявилася справді важливою для дослідження Стародавнього Єгипту.

Однією з перших її почали вивчати ще в 1820-х роках, кола єгиптологія тільки зводилася на ноги. До мумії неодноразово поверталися із новими техніками, що з’являлися в арсеналі наступних поколінь дослідників. Завдяки цьому ми знаємо, що в Нес’ямуна були захворювання ясен, зуби сильно стерті, а в його жилах, як писали тоді дослідники, текла нубійська кров. Помер він, коли йому було приблизно 55 років.

Його ім’я, написане на саркофазі, було одним із перших, які вдалося прочитати після того, як дослідники навчилися читати давньоєгипетську писемність. Крім того, на саркофазі написано, що у вічному житті він хоче говорити з богами так, як він робив це упродовж свого життя земного.

Дослідники вирішили допомогти йому в цьому. За допомогою комп’ютерної томографії вони відсканували мовний апарат мумії, який зберігся досить добре, роздрукували його модель на 3D-принтері та з’єднали з пристроєм, що називається Vocal Tract Organ. Уся ця система здатна «говорити» справжнім голосом Нес’ямуна — щоправда, наразі лише один звук, схожий на «е».

Про імітацію повноцінного мовлення конкретної історичної особистості поки не йдеться, але перші успіхи дозволяють сподіватися, що колись дослідники наблизяться й до цієї амбітної мети.

Невідомий орган у нашому тілі

Дослідники з Нідерландів відкрили в людському тілі невідомий раніше орган — розташовану в центрі голови парну слинну залозу завбільшки приблизно 4 сантиметри.

Вони проводили діагностику пацієнтів, хворих на рак простати, за допомогою новітнього сканера PSMA PET/CT. Під час процедури у тіло людини вводять розчин радіоактивної глюкози, і сканер показує, де розташована пухлина.

Але дослідники побачили за його допомогою у голові пацієнта щось, що не було пухлиною. При більш детальному вивченні виявилося, що це пара слинних залоз, про які не знали ні самі науковці, ні анатомічна наука загалом.

Раніше вважалось, що, крім великої кількості мікроскопічних слинних залоз, які можна побачити лише за допомогою мікроскопа, у нас є три пари великих: привушні, піднижньощелепні та під'язикові.

Щоб перевірити, чи не є цей новий орган якоюсь аномалією пацієнта, дослідники за допомогою того самого метода перевірили ще сто людей. І в усіх виявили четверту пару слинних залоз, розташованих позаду носоглотки. До того ж існування нового орану підтвердили шляхом розтину двох тіл.

Відкриття четвертої пари слинних залоз цікаве принаймні через два нюанси.

По-перше, розташування слинних залоз важливо враховувати під час променевої терапії у пацієнтів із раком шиї чи голови. Адже їхнє ненавмисне опромінення може призвести до небажаних побічних наслідків.

А по-друге, це означає, що навіть у такій «мертвій» науці, як анатомія, досі можливі відкриття. Ми все ще не досконало знаємо будову людського тіла, яке вивчаємо впродовж тисяч років.

Доставлення позаземної речовини

2020 рік виявився особливо «врожайним» на позаземну речовину, яка є особливо цінним джерелом інформацію про нашу Сонячну систему.

Щороку таку речовину цілком безкоштовно ми отримуємо разом із метеоритами, що падають на Землю. Але цьогоріч її доставили дві космічні місії.

У середині грудня в Китаї приземлилася капсула з місячним ґрунтом, зібраним китайським апаратом «Чан'е-5». Таким чином Китай став третьою країною після США та СРСР, яка змогла доставити місячну породу на Землю, і першою, яка зробила це за більш як 40 років.

Дослідження порід, із яких складається Місяць, дозволяє зрозуміти походження та історію нашого супутника та самої Землі. Але воно також важливе з практичної точки зору. Адже людям, які скоро можуть «обжити» перші місячні поселення, доведеться використовувати місячні породи для різних потреб, зокрема для будівництва.

Крім того, дрібні часточки місячного ґрунту можуть становити небезпеку для здоров’я людей. З їхнім неприємним впливом свого часу стикнулися американські астронавти, і нам треба краще розуміти міру небезпеки, яку вони можуть становити.

А на початку грудня в Австралії приземлилася капсула із ґрунтом з астероїда Рюгу. Так закінчилася космічна частина японської місії «Хаябуса-2».

Попри те, що в масовій культурі дослідження астероїдів найчастіше асоціюється із небезпекою для Землі, а також видобутком на них корисних копалин, вони не менш цікаві з іншої точки зору. Ці космічні тіла містять інформацію про те, як утворилася та еволюціонувала Сонячна система. Саме тому їх досліджують за допомогою телескопів та космічних апаратів, але все це не може замінити безпосереднього вивчення їхньої речовини на Землі. Цим і починають займатися японські дослідники.

У жовтні 2020 року американський апарат OSIRIS-REx в межах подібної місії успішно здійснив забір ґрунту з астероїда Рюгу. Але капсула з ним прибуде на Землю лише у 2023 році

Розгадати форму білка

Один із підрозділів Google створив алгоритм, що дозволяє з великою точністю і досить швидко визначити структуру білкової молекули. Це завдання, на яке дослідники витрачають роки.

У нашому тілі є тисячі різних білкових молекул, які виконують найрізноманітніші функції. Вони можуть це робити завдяки тому, що мають складну і строго визначену форму. Це, зокрема, дозволяє їм взаємодіяти з іншими молекулами, подібно до того, як ключ взаємодіє із замком.

Ця форма, або просторова структура білків, визначається послідовністю амінокислот — двох десятків різних «ланок», із яких побудований будь-який білок. Загальне число таких ланок у молекулі того чи іншого білка може вимірюватися десятками або сотнями.

Визначення послідовності цих «ланок» не є проблемою. Але, знаючи цю послідовність, дослідники не можуть передбачити заздалегідь, у який саме єдино правильний спосіб цей ланцюжок згорнеться. Розв'язати задачу можна, але це дуже кропітка робота, що може тривати роками. І так для кожного нового білка.

Алгоритм AlphaFold2 був створений спеціально для розв'язання цієї задачі. Як саме він це робить, ми точно не знаємо, адже в його основі — нейронна мережа, здатна навчатися на прикладі вже розв'язаних завдань.

На конкурсі CASP, де раз на два роки різні програми змагаються в передбаченні просторової структури білків, AlphaFold2 цьогоріч посів перше місце. Йому вдалося визначити структуру білків, яку до цього встановили звичайними методами, практично безпомилково.

Іншими словами, цей алгоритм замінює численні дослідження, на які необхідні роки, щоб зрозуміти структуру білку, і розв'язує завдання, над яким науковці ревно працюють уже не одне десятиліття.

Це означає, що ми доволі легко й швидко можемо дізнатися «форму» потрібного нам білку. Оскільки багато медичних препаратів націлені на ті чи інші білки, такий алгоритм може пришвидшити створення нових ліків.

Розкодувати рак

У 2020 році були надруковані результати найбільшого в історії дослідження генетичних механізмів раку. Упродовж 10 років над ним працював міжнародний консорціум із понад тисячі дослідників.

Якщо говорити дуже спрощено, то причиною раку є мутації, або поламання в генах окремих клітин, через які ці клітини починають безконтрольно розмножуватися.

Щоб виявити такі мутації, досі вчені досліджували здебільшого так звану кодувальну ДНК — ту її частину, яка відповідає за кодування білків. Але вона становить лише кілька відсотків від усієї нашої ДНК. Інша, набагато більша частина, — це так звана «сміттєва ДНК». Донедавна її роль у виникненні раку була вивчена дуже мало.

В межах проєкту PCAWG (Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes — «Аналіз повного геному усіх видів раку») вчені розшифрували геноми понад двох із половиною тисяч людей, хворих на різні види раку, і з’ясували, які саме мутації призводять до конкретних захворювань.

Виявилося, що в деяких випадках, знаючи характерні мутації, захворювання можна прогнозувати за багато років і навіть десятиліть до того, як воно проявиться.

Крім того, з’ясувалося, що деякі мутації можуть бути причиною зовсім різних видів онкологічних захворювань, наприклад, раку простати або молочних залоз. Це означає, що підходи до лікування таких нібито різних видів раку також можуть бути подібними.

Також завдяки дослідженню з’ясувалося, що існує близько вісімдесяти різних процесів, які можуть стати причиною небезпечних генетичних мутацій. Деякі з них пов’язані з віком, а деякі — зі способом життя.

Це дослідження відкриває нові, раніше не бачені можливості для діагностики та лікування різних онкологічних захворювань.

Новий вірус: дивний, але не страшний

Серед усіх вірусів нашу увагу насамперед привертають ті, що здатні викликати хвороби. Наприклад, різні коронавіруси. Водночас незаслужено в тіні лишаються інші, які, на щастя, нічим нам не загрожують, але допомагають зрозуміти, наскільки складно влаштована жива природа. Наприклад, віруси, що живуть в амебах.

Перший із них науковці описали у 2003 році. Він та його родичі виокремлюються серед інших вірусів своїми просто-таки велетенськими розмірами. За ними вони більше нагадують бактерій.

А цього року дослідники відкрили в Бразилії новий вид вірусів із цієї групи, який дуже відрізняється навіть із-поміж своїх дивних родичів. Яравірус (так його назвали на честь «матері води» з міфології корінних народів Бразилії) має 74 гени. Для порівняння, навіть найпростіші бактерії мають сотні генів, без яких вони жити не можуть. Але для багатьох вірусів достатньо лише кількох генів, а решту вони «позичають» у клітини-господаря, де живуть. Тому 74 — це багато для вірусу.

Але найцікавіше те, що понад 90% його генів — не знайомі науці. Зазвичай навіть дуже еволюційно віддалені організми мають однакові або дуже подібні гени. Але у випадку з цим вірусом може здатися, ніби він взагалі немає родичів. Лише шість із його генів приблизно нагадують гени інших організмів.

Звісно ж, яравірус в жодному разі не є прибульцем із космосу і він цілком може мати родичів. Але він очевидно натякає, що ми ще дуже мало знаємо, якими можуть бути віруси й на що вони здатні.

Масштаби втраченої природи

Сьогодні дедалі більше науковці та захисники довкілля говорять про те, що ми втрачаємо дику природу.

Цьогоріч вийшов черговий звіт Всесвітнього фонду природи (WWF) «Жива планета-2020», який показує конкретні масштаби цих втрат серед певних груп організмів. Зокрема, з 1970 року чисельність хребетних тварин (до них належать ссавці, птахи, плазуни, земноводні та риби) скоротилася в середньому на 68%, або на дві третини. Найшвидше цей процес відбувається у тропічних регіонах Північної та Південної Америки.

Головна причина цього — діяльність людини, яка змінює (часто просто знищує) середовище, в якому живуть рослини й тварини, забруднює довкілля та нещадно його експлуатує. У звіті йдеться про те, що найгіршого сценарію ще можна уникнути, але діяти треба негайно. У найгіршому разі природа планети стане такою бідною, що не зможе підтримувати існування людства.

В Україні біорізноманіття заледве досліджується. Це означає, що ми мало знаємо про його стан і про те, як воно змінюється. А без цього знання охороняти природу дуже складно.

На тлі такої ситуації важливим винятком став вихід у кінці року другого видання «Атласу гніздових птахів Європи». Це міжнародний проєкт, у якому взяли участь понад 100 тисяч волонтерів із різних країн, які займалися збором польової інформації, її обробкою, створенням ілюстрацій тощо. Атлас містить інформацію про чисельність та поширення всіх видів птахів, які гніздують у Європі.

Для повної території України така інформація зібрана вперше і є незамінною для орнітологів і тих, хто займається охороною птахів.