Светящиеся растения, происхождение нейтрино и «возрождение» антибиотиков: топ-10 открытий года в России

Математики помогают искать эффективные методы лечения сложных заболеваний

Эффективность препаратов против ВИЧ снижают зараженные клетки, «спящие» в организме и «укрывающиеся» от лечения. Исследователи изучили множество научных статей, создали несколько математических моделей развития ВИЧ и предложили новый подход к лечению этой инфекции. Ученые хотят использовать естественный механизм поддержания постоянства клеток иммунной системы, когда более молодые клетки вымывают более зрелые, в том числе неактивные зараженные клетки. Сейчас исследователи создают программный комплекс для изучения сложных системных заболеваний, в том числе ВИЧ и COVID-19, чтобы помочь медикам искать эффективные методы комбинированной терапии с минимумом препаратов.

ВИЧ поражает клетки иммунной системы, у которых на поверхности есть белок CD4. Вирус прикрепляется к этим белкам, проникая в клетку, и, вызывая постепенное истощение популяции CD4 иммунных клеток (Т-лимфоцитов), угнетает работу иммунитета — так развивается СПИД. Без врачебного вмешательства больные в среднем умирают через 9–11 лет после заражения. При проведении антиретровирусной терапии, которая включает прием нескольких препаратов, продолжительность жизни пациента может быть продлена до 70–80 лет. При этом снижается концентрация свободных вирусов, но остаются зараженные клетки. Одна из причин устойчивости ВИЧ к антивирусным препаратам кроется в способности вируса находиться в зараженных клетках в неактивной форме в течение многих месяцев и даже лет. Это снижает эффективность применения антиретровирусных препаратов: зараженная клетка просто не распознается иммунной системой для последующего уничтожения.

Сотрудники Института вычислительной математики имени Г.И. Марчука РАН в составе международной группы исследователей приняли участие в разработке принципиально нового подхода в борьбе с зараженными клетками — «промыть и заменить». То есть вымывать части более зрелых клеток иммунной системы, в том числе «спящие» и «укрывающиеся» (латентно-инфицированные) CD4 Т-лимфоциты. Это происходит за счет поступления менее специализированных (то есть пока «не определившихся» с ролью в организме) клеток в органы, где рождаются иммунные клетки, и их конкуренции за выживание.

По мнению исследователей, если вместе с антиретровирусной терапией специально активировать иммунные клетки, это может ускорить процесс обновления популяции лимфоцитов.

Моделируя на компьютере эти и другие сложные системные заболевания, в том числе COVID-19, ученые создают программный комплекс, который поможет вычислять наиболее подходящую методику диагностики и лечения социально-значимых болезней.

Физики узнали адрес самой загадочной частицы, хранящей тайны Вселенной

Российские ученые подошли к разгадке проблемы, которая в последние годы занимает умы физиков всего мира. Исследовательская группа, которая изучает ядра активных галактик, неожиданно обнаружила, что именно в них рождаются нейтрино высоких энергий – частицы, нарушающие почти все физические законы и позволяющие ответить на ключевые вопросы об устройстве Вселенной.

Нейтрино приходят к нам из космоса. Частицы практически ни с чем не взаимодействуют и могут пролететь что угодно и кого угодно насквозь, облетая всю Вселенную. Благодаря этому нейтрино доносят до нас информацию о том объекте, который их породил и испустил. Так, с помощью солнечных нейтрино ученые убедились в том, что в центре Солнца происходят термоядерные реакции. Нейтрино же высоких энергий порождаются только очень быстрыми протонами. То есть нейтрино высоких энергий, которые астрофизики регистрируют на Земле, приносят нам информацию о «космических супер-коллайдерах», ускорителях частиц, в то время как на Земле люди тратят миллиарды денежных знаков, чтобы построить Большой адронный коллайдер и другие мощные ускорители и лучше изучить Вселенную. Исследователи из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Московского физико-технического института и Института ядерных исследований РАН провели массовый анализ данных о квазарах — ядрах активных галактик. Информацию получали из лучших источников информации: мировых интерферометрических сетей телескопов и российского радиотелескопа РАТАН-600.

В центрах квазаров находятся сверхмассивные черные дыры. Во время падения вещества на черную дыру часть потока частиц выбрасывается наружу и ускоряется. Оставался открытым важнейший вопрос: может ли эта система ускорить массивные протоны, а не только легкие электроны? Чтобы это выяснить, исследователи сравнили данные наблюдений в радиодиапазоне с информацией по нейтрино. Оказалось, что квазары выглядят ярче, если находятся в тех областях на небе, откуда пришли нейтрино. Кроме того, в момент, когда ученые регистрируют нейтрино, они регистрируют и вспышки радиоизлучения от этих квазаров. Так ученые нашли связь между квазарами и нейтрино.

Именно квазары в состоянии ускорить протоны до скоростей света, а они, в свою очередь, породить нейтрино, уверены астрофизики. Сегодня к исследованию квазаров подключили и Байкальский нейтринный телескоп, который под водой «ловит» нейтрино. В будущем нейтрино обещает раскрыть информацию о том, что случилось после Большого взрыва — например, как возникли галактики и почему материи в космосе больше антиматерии, хотя после Большого взрыва их было поровну? Кроме того, исследования нейтрино позволят разобраться в том, как же работают космические супер-коллайдеры в квазарах.

Химики разработали замену литиевым аккумуляторам для транспорта

Ученые представили первые российские прототипы натрий-ионных аккумуляторов, которые обещают стать альтернативой более дорогим литий-ионным, а также свинец-кислотным аккумуляторам — из-за большей энергоемкости. В случае внедрения этой технологии российским разработчикам не придется закупать за рубежом аккумуляторы для электротранспорта, промышленных роботов и систем хранения энергии.

Натрий находится на шестом месте по распространенности в земной коре, к тому же его легко добывать, в отличие от лития, а стоимость его солей примерно в сто раз меньше литиевых. Хотя первые работы в области натрий-ионных аккумуляторов возникли приблизительно тогда же, когда и литиевые, последние отличались более высокой емкостью и мощностью, поэтому ученые и производители сосредоточились на них. Однако исследования, проведенные в последние годы, продемонстрировали возможность получения характеристик натрий-ионных аккумуляторов, почти не уступающих литиевым «конкурентам».

Сотрудники химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова исследовали множество материалов для катода и анода натрий-ионных аккумуляторов и обнаружили, что многие из них показывают емкости, сравнимые с показателями материалов литий-ионных аккумуляторов, а катионы натрия в них были более подвижными, чем лития.

Кроме того, ученые убедились, что можно заменить тяжелый и дорогой медный токосъемник на более дешевый и легкий алюминиевый, что поможет снизить стоимость аккумуляторов и повысить их безопасность.

Сейчас исследователи оптимизируют составы основных компонентов натрий-ионных аккумуляторов, изучают работоспособность прототипов батарей, их безопасность и морозоустойчивость. Несколько российских химических и энергетических компаний заинтересовались разработкой и выступили в качестве соинвестора проекта.

Созданы постоянно светящиеся в темноте живые растения

В фильме «Аватар» Джеймса Кэмерона изображен фантастический мир с пышной растительностью и завораживающими светящимися джунглями. Но то, что еще недавно казалось фантастикой — светящиеся растения, — теперь становится реальностью благодаря современным достижениям в области генетики и биохимии. Международная команда ученых создала растения, свечение которых видно невооруженным глазом. Они в десять раз ярче предшественников. В скором времени светящиеся в темноте декоративные комнатные растения планируется вывести на рынок.

В мире есть множество видов живых существ, которые могут светиться (биолюминесцировать) сами по себе. Сотрудники Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН совместно с компанией «Планта» выяснили, за счет каких химических механизмов светятся грибы, и перенесли необходимую для свечения ДНК в растения. Свечение растений видно невооруженным глазом и не «гаснет» с момента рождения до смерти.

Оказалось, что органическая молекула, необходимая для свечения грибов, используется и растениями для строительства клеточных стенок. Чтобы появился свет, эта молекула, называемая кофейной кислотой, должна пройти через цикл биохимических превращений с участием четырех ферментов. Два фермента превращают кофейную кислоту в более сложную молекулу, которая затем окисляется третьим ферментом с испусканием фотона. Еще один фермент превращает продукт реакции обратно в кофейную кислоту, замыкая цикл.

В растениях кофейная кислота — строительный блок лигнина, ответственный за механическую прочность клеточных стенок, то есть часть биомассы растений. Помимо этого, кофейная кислота также необходима для синтеза пигментов, летучих соединений и антиоксидантов. Таким образом, свечение и обмен веществ растений тесно связаны, и потому свечение может отражать физиологический статус растений и их реакцию на окружающую среду.

Ученые «научили» светиться пока только растения табака, но дальше планируют расширить линейку растений и через пару лет вывести их на рынок.

Действие старых антибиотиков усилили так, что бактерии потеряли устойчивость к ним

Слишком активное использование антибиотиков привело к устойчивости бактерий к ним. Один из способов ее преодоления – поиск новых антибиотиков. Но российские ученые предлагают новаторский подход – вместе со старыми антибиотиками использовать подавители (ингибиторы) ферментов, защищающих бактерии от внешней угрозы, в том числе от антибиотиков. Эксперименты на бактериях подтвердили перспективность этой стратегии. Если она войдет в практику, отпадет необходимость создавать новые антибиотики, расходуя на это много денег и времени.

В нашем организме есть сероводород, который, как азот и углерод, регулирует кровяное давление, оказывает противовоспалительное действие при инфекциях и делает многое другое. В клетках бактерий тоже производится сероводород, который, как ранее показали российские ученые, защищает клетки от гибели и делает их устойчивыми к антимикробным препаратам. Эта устойчивость приводит к сложностям в медицине и сельском хозяйстве и становится одной из ключевых проблем человечества сегодня.

Зная это, сотрудники Института молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН нашли ингибиторы (подавители) бактериальных ферментов, ответственных за синтез сероводорода. Кроме того, они нашли новые мишени бактерий, на которые можно нацелить будущие антимикробные препараты — ферменты, вовлеченные в синтез клеточной оболочки бактерий. Искусственно синтезированные ингибиторы этих двух групп ферментов, как показали эксперименты, делают бактерии уязвимыми к существующим антибиотикам.

Применение таких ингибиторов повысит эффективность действия широкого круга антибиотиков в лечении бактериальных инфекций.

Протестирован препарат для персонифицированной генной терапии на основе клеток крови пациента

Российские ученые разработали и протестировали на животных новый препарат для восстановления спинного мозга после травм. Средство на основе клеток крови пациента и терапевтических генов человека готово к началу масштабных доклинических испытаний.

Все большую популярность при лечении болезней приобретает генная терапия: введение в организм «здорового» генетического материала, способного возместить дефекты ДНК в клетках пациента или придать клеткам новые свойства. Чтобы успешно и безопасно доставить ДНК, ученые применяют белые кровяные клетки — лейкоциты, которые легко можно получить из крови самого пациента.

Недавно сотрудники Казанского государственного медицинского университета разработали простой, безопасный и экономичный способ получения белых кровяных телец, обогащенных искусственным генетическим материалом. Для этого из цельной крови пациента отделяют лейкоциты, используя специальный крахмал. Затем к лейкоцитам добавляют терапевтический ген или комбинацию генов в составе неопасного вирусного вектора, доставляющего терапевтические гены в лейкоциты. На следующие сутки полученный препарат может быть введен обратно пациенту в кровь. Такая методика обладает несколькими преимуществами: лейкоциты легко перемещаются по кровяному руслу и проникают в разные ткани, не вызывая иммунный ответ. Генетический материал, который они транспортируют, обеспечит производство полезных для пациента белков.

Технология показала эффективность на крысах и карликовых домашних свиньях, теперь ученые готовы приступить к масштабным доклиническим испытаниям препарата.

В будущем использование технологии позволит людям справиться с последствиями инсульта, нейротравм и дегенеративных заболеваний нервной системы, корректировать нарушения свертываемости крови, стимулировать рост кровеносных сосудов при инфаркте, увеличить скорость регенерации костной ткани и не только — в зависимости от тех терапевтических генов, которые будут нести лейкоциты.

Найденные у растений белки помогут создать более питательные и гипоаллергенные сорта

Диабет 2-го типа, болезнь Альцгеймера и целый ряд других заболеваний связаны с аномальным образованием белков амилоидов. Однако у человека, животных, грибов и бактерий есть и амилоиды, участвующие в жизненно важных процессах в клетке. Недавно российские ученые впервые обнаружили подобные белки у растений и выяснили, что они отвечают за «консервацию» питательных веществ внутри семян. Это открытие может помочь создать сорта бобовых с менее аллергенными семенами. Уже сейчас исследователи работают над созданием более питательных сортов растений, у которых амилоидов меньше.

Так, один из самых сильных пищевых аллергенов для человека — вицилин. Он есть у разных бобовых, в том числе арахиса и гороха. В своем исследовании сотрудники ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии, СПбГУ, Института цитологии РАН, Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Казанского федерального университета вместе с французскими коллегами показали, что именно этот белок образует большую часть амилоидов в семенах гороха, что может объяснять их аллергенные свойства. Амилоиды крайне стабильны: они сохраняются при консервировании семян и их термической обработке. При этом растениям, в свою очередь, амилоиды нужны для питания и защиты от патогенов. Экстремальная стабильность амилоидов также объясняет способность семян переживать разные неблагоприятные условия и прорастать спустя долгие годы.

Еще одно возможное прикладное значение этой работы — создание в будущем культур растений со сверхпитательными семенами. Эксперименты ученых in vitro (в пробирке) показали, что млекопитающие не способны полностью переваривать растительные амилоиды — их не могут расщепить пищеварительные ферменты. Амилоиды значительно ухудшают пищевую ценность семян, поэтому важно понять, каким образом можно снизить их образование в семенах растений, чтобы получить сорта с бóльшим количеством обычных белков. Такие культуры могут стать для человека особенно полезными и питательными.

В перспективе изучение молекулярных механизмов образования амилоидов в семенах, которое ведется сейчас, поможет создать более питательные сорта различных растений, включая горох и арахис.

Исследователи уже начали работу по созданию сортов растений с меньшим количеством амилоидов.

Разработана масштабная модель для изучения климата и предсказания погоды

Ученые создали уникальный трехмерный массив данных о состоянии атмосферы в Северной Атлантике за последние 40 лет. Модель, на основе которой был создан этот массив, позволяет с высоким разрешением воспроизвести около 200 основных параметров атмосферы, что дает возможность наблюдать экстремальные атмосферные явления, такие как грозы и тайфуны, и оценить их роль в глобальной климатической системе Земли. Ученые планируют «расширять географию» своей модели, чтобы такие явления можно было изучать во всем мире и даже прогнозировать погоду, причем на более долгий срок, чем сейчас.

Последние несколько десятилетий предсказывать погоду, изучать климат и его изменения помогает численное моделирование. Глобальные модели общей циркуляции атмосферы и океана покрывают всю планету «сетью», в каждом узле которой известны параметры — давление, температура, влажность воздуха, скорость ветра и другие. Они позволяют изучать события прошлого и делать прогнозы будущего.

Но эти модели не показывают мелкомасштабные явления, которые тем не менее вносят существенный вклад в динамику как атмосферы, так и океана. Для их изучения приходится строить отдельные местные «карты». Новая модель сотрудников Института океанологии имени П.П. Ширшова РАН и их зарубежных коллег преодолевает эту преграду и видит все события в океане — пространственное разрешение достигает 14 километров, что позволяет «засечь» небольшие циклоны, интенсивные атмосферные фронты, ливни, тайфуны и др.

Данные позволяют анализировать около 200 параметров поверхности и свободной атмосферы — давление, температуру, влажность воздуха, электрические показатели и другие — каждые 3 часа за период с 1979 по настоящее время.

Чтобы построить такую модель, использовали базу данных атмосферных реанализов — объединенных наблюдений за атмосферой, собранных со спутников, самолетов, наземных и водных метеостанций всего мира.

Сейчас модель показывает ситуацию над Северной Атлантикой более чем за 40 лет. Этот регион считается «кухней погоды» для всего Северного полушария, а процессы, происходящие на границе океана и атмосферы, влияют в том числе на климат над континентами. Однако в будущем ученые планируют «расширять географию» своей модели и детально изучать вклад ценных для прогнозирования локальных процессов взаимодействия океана и атмосферы в формировании климата Земли.

Археологи впервые провели масштабный анализ жизни древнего человека на Кавказе

Ученые впервые исследовали две из трех известных стоянок древнего человека финала эпохи древнекаменного века на территории Центрального Кавказа, где пролегал важный миграционный путь к просторам Северной Евразии. Именно тогда, 10–12 тысяч лет назад, стали появляться люди современного типа, которые начали использовать в быту новые технологии. Исследователи установили, что проживавшие в Приэльбрусье первобытные охотники перемещались на большие расстояния и применяли новые технологии обработки кости и камня. Эта информация существенно дополнила наши знания о развитии культуры той эпохи.

Сотрудники АНО «Лаборатория доистории» изучили две стоянки: навес Псытуаже и грот Сосруко.

В Приэльбрусье расположено месторождение обсидиана. Это вулканическое стекло высоко ценилось в палеолите, изделия из него поступали в соседние регионы Кавказа. Обсидиан активно использовался обитателями Псытуаже и Сосруко, которые расположены от месторождения на расстоянии до 30 км.

Чтобы определить возраст находок (в первую очередь костей), ученые обратились к радиоуглеродному анализу — изучению остатков изотопов углерода, которые откладываются на протяжении жизни живых существ и сохраняются после смерти. Так стало ясно, что 15 тысяч лет назад в этом районе преобладал лесостепной и сухой климат. Древний человек охотился на дикого кабана. Позже, 10–12 тысяч лет назад, в гроте была стоянка собирателей раковин, многие из которых обожжены, и это говорит о том, что древний человек употреблял их в пищу. Обитатели навеса охотились на оленя и горного тура.

Орудия для охоты (микролиты) появились в Приэльбрусье раньше, чем предполагалось. Новые исследования свидетельствуют, что в финале древнекаменного века происходят существенные изменения в технологиях обработки обсидиана и кремня, появляются новые виды охотничьего вооружения.

Теперь археологам предстоит изучить периоды похолодания на Кавказе, которые привели к появлению одежды, жилищ и других новаций в культуре человека.

Сенсор определил болезнь легких быстрее, чем существующие методы детекции

Ученые создали компактную сенсорную систему, которая может анализировать выдыхаемый воздух и выявлять болезни дыхательных путей и органов. В экспериментах система с высокой точностью определила больных с хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ) — воспалительным заболеванием дыхательных путей, которое повышает риск осложнений при заражении COVID-19. Сейчас исследователи оптимизируют разработку, чтобы сделать ее более функциональной и расширить круг детектируемых веществ.

Хроническая обструктивная болезнь легких развивается в слизистых бронхов в ответ на патогенные внешние факторы и приводит к негативному изменению функций органов дыхательных путей. Методики выявления этого заболевания сложны и занимают много времени, что неразрывно связано с угрозой здоровью пациента. Обычные методы анализа дыхания, например газовая хроматография и масс-спектроскопия, дорогостоящи и трудоемки, поэтому требуются новые подходы, отличающиеся низкой стоимостью и быстротой тестирования.

Сенсорная система сотрудников Московского института электронной техники и их зарубежных коллег создана на основе модифицированных углеродных нанотрубок, из которых можно изготовить гибкие и эластичные проводящие пленки. Главная задача разработки — имитировать систему обоняния живых существ.

В исследовании эффективности новой системы участвовали 12 больных с ХОБЛ и девять здоровых людей в соответствии с правилами клинических испытаний. Система обнаружила всех людей с хронической болезнью легких, уловив у них повышенную концентрацию выдыхаемого диоксида азота. Содержание газа составляет менее одной молекулы на миллион молекул выдыхаемого воздуха, что говорит о высокой чувствительности разработанных сенсоров.

Сегодня ученые стремятся сделать разработку более компактной, а также обучить ее распознавать больше веществ.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.