Профилактика ВИЧ, РНК-пестициды и черные дыры: прорывы года по версии Science

Ежегодно журнал Science публикует список из более чем 10 ключевых прорывов и неудач года. 2024 год отметился новым методом профилактики ВИЧ, успешным запуском многоразовой ракеты Starship, открытием азотфиксирующих органелл внутри водорослей и другими прорывами. О том, как телескоп James Webb помогает узнать о формировании ярких галактик в прошлом, зачем нужны РНК-пестициды и почему борьба с изменением климата стоит на месте, читайте в нашем материале.

Медицинские прорывы: профилактика ВИЧ и лечение волчанки

Журнал Science каждый год публикует список из важнейших открытий или прорывов в науке, особенно сильно повлиявших на ее развитие. Главным прорывом 2024 года по мнению редакции журнала стал новый метод борьбы с ВИЧ. Американские исследователи недавно представили инъекционный препарат ленакапавир — средство доконтактной профилактики (PrEP), которое защищает от инфекции на протяжении шести месяцев после одной инъекции.

В 2024 году ВИЧ поразила более миллиона человек, а эффективная вакцина по-прежнему недоступна. Новое лекарство уже дало результат: клинические испытания на более чем 5 тысячах африканских девочек-подростков и молодых женщин показали, что ленакапавир сводит вероятность заражения ВИЧ к нулю. Спустя три месяца еще одно исследование с участием более чем 2 тысяч человек из разных континентов подтвердило эффективность препарата — ученые выявили только два случая заражения.

В отличие от традиционных противовирусных препаратов, которые разрушают вирусные ферменты, ленакапавир воздействует на капсид — защитную оболочку вируса, состоящую из белков. Препарат блокирует взаимодействие вируса с клеткой, «скрепляет» капсид, мешая ему проникнуть в ядро и воспроизвести вирус, и останавливает формирование новых вирусных частиц.

Ленакапавир уже используется как средство для пациентов с ВИЧ, которым не помогают другие препараты. Однако пока он не доступен для массового применения — фармацевтическая компания Gilead, разработавшая препарат, еще не озвучила цену и заключила сделку с производителями дженериков — копий ленакапавира — только с 120 развивающимися странами. Одобрение регистрирующих органов ожидается не ранее середины 2025 года.

Недавно Gilead начала тестировать новую форму ленакапавира, которая сможет обеспечивать защиту до года после одной инъекции. Тем не менее эксперты подчеркивают: ленакапавир — это важное дополнение к средствам борьбы с ВИЧ, но не замена вакцине.

2024 год отметился прорывом и в лечении аутоиммунных заболеваний, в том числе волчанки, склеродермии и рассеянного склероза. Все они возникают из-за сбоя в работе иммунной системы, которая начинает атаковать собственные ткани организма. Стандартные методы лечения, включая иммунодепрессанты, могут замедлить болезнь, но часто не останавливают ее прогрессирование и вызывают серьезные побочные эффекты.

Немецкие ученые решили применить в лечении аутоиммунных заболеваний CAR-T-терапию, изначально разработанную для терапии рака крови. Метод основан на генной модификации иммунных Т-клеток. В случае рака модифицированные Т-клетки уничтожают злокачественные В-клетки, лежащие в основе лейкозов и лимфом. Однако В-клетки также играют ключевую роль в аутоиммунных процессах, вырабатывая аутоантитела, которые повреждают органы и ткани.

В 2024 году результаты нескольких клинических испытаний показали, что CAR-T-терапия может эффективно бороться с аутоиммунными заболеваниями. Немецкие исследователи наблюдали 15 пациентов с волчанкой, склеродермией и миозитом (воспалением мышц), проходивших лечение CAR-T от 4 до 29 месяцев назад. Все восемь пациентов с волчанкой достигли ремиссии и смогли отказаться от лекарств. У других участников исследования симптомы заболевания заметно уменьшились, а необходимость в иммунодепрессантах отпала. Также появились отчеты о применении метода при миастении и синдроме мышечной скованности — редком неврологическом расстройстве, приводящем к инвалидности. Всего успешную терапию прошли более 30 пациентов с тяжелыми формами аутоиммунных заболеваний.

Исследователи отмечают, что CAR-T-терапия способна разрушать В-клетки даже в тех тканях, куда не проникают другие методы лечения — например, в лимфоузлах. В будущем ученым предстоит определить, насколько часто возникают тяжелые побочные эффекты при CAR-T-терапии и как долго будет сохраняться ремиссия у пациентов. Текущие результаты уже позволяют говорить о CAR-T-терапии как о перспективном подходе, который может изменить лечение аутоиммунных заболеваний.

Галактики и черные дыры на заре Вселенной

С момента запуска космического телескопа James Webb (JWST) в 2022 году ученые получили много данных о ранних эпохах Вселенной. Обсерватория NASA обнаружила значительно больше ярких галактик, существовавших менее чем через миллиард лет после Большого взрыва, чем предсказывали теории. Новые исследования древнего света, проведенные в 2024 году, начинают объяснять, что происходит в этих ранних уголках космоса.

JWST — крупнейший и самый мощный космический телескоп, способный улавливать слабое инфракрасное излучение от далеких небесных тел. В первые месяцы работы телескоп выявил в тысячу раз больше галактик-кандидатов, чем ожидалось. Их яркость удивила исследователей: по современным теориям, особо большие галактики, похожие на Млечный Путь, не могли сформироваться настолько быстро.

Одна из гипотез предполагает, что галактики были не такими большими, как казалось, а лишь непропорционально яркими. Это могло произойти из-за особого состава звезд в ранней Вселенной, если они были в десятки и сотни раз массивнее Солнца и выделяли огромное количество света. Другая теория связывает яркость с активностью черных дыр, которые поглощали межзвездный материал и производили яркие выбросы энергии.

Данные с телескопа James Webb показали, что обе гипотезы могут быть верны. С помощью спектроскопии ученые доказали, что ранние галактики содержали огромное количество газа и пыли из тяжелых элементов, в том числе углерода и кислорода. Эти вещества могли появиться только в результате взрывов массивных звезд, которые взрывались в виде сверхновых.

Другие исследования указывают на активные черные дыры как еще один источник свечения. Некоторые ученые утверждают, что в условиях молодой Вселенной колоссальные облака материи могли быстро сжиматься под собственной гравитацией, образуя «предшественников» гигантских черных дыр.

JWST уже изменил представления ученых о том, как выглядела Вселенная в первые миллиарды лет. Хотя многие вопросы остаются открытыми, полученные данные помогают понять, как формировались первые звезды, галактики и черные дыры.

Прорывы для сельского хозяйства

В 2024 году Агентство по охране окружающей среды США одобрило новый класс пестицидов на основе РНК, которые могут стать более безопасной и точной альтернативой традиционным инсектицидам. В отличие от химических препаратов, убивающих как вредителей, так и полезных насекомых, РНК-пестициды нацелены на конкретные гены-мишени. Первый одобренный продукт, разработанный компанией GreenLight Biosciences, направлен против колорадского жука — насекомого, устойчивого к существующим химикатам и ежегодно уничтожающего урожай картофеля на сумму более 500 миллионов долларов по всему миру.

Препарат под названием Calantha действует через механизм РНК-интерференции (RNAi) — естественный процесс, используемый клетками для регуляции генов и защиты от вирусов. Опрыскивание листьев этим средством приводит к блокировке экспрессии ключевого белка в организме личинок, которые питаются обработанными растениями. В результате вредители погибают за несколько дней.

Однако не все насекомые подвержены воздействию РНК-инсектицидов одинаково. Например, капустные моли и осенние червецы, одни из самых опасных сельскохозяйственных вредителей, быстро разрушают РНК с помощью кишечных ферментов. Сегодня ученые работают над тем, чтобы упаковать РНК в крошечную защитную оболочку.

Несмотря на перспективность, ученые предупреждают о риске устойчивости к РНК-инсектицидам. Лабораторные исследования уже показали, что колорадский жук и кукурузный червец могут адаптироваться к воздействию высоких доз разработанного средства. Чтобы избежать этой проблемы, необходимо использовать новые препараты ответственно, сохраняя их эффективность на долгие годы.

До недавнего времени считалось, что только бактерии способны фиксировать азот из атмосферы и превращать его в аммиак — соединение, необходимое растениям для производства белков. Однако в этом году ученые обнаружили нитропласты — уникальные азотфиксирующие органеллы внутри клеток морских водорослей. Это открытие не только меняет представления об эволюции клеток, но и открывает возможность создания сельскохозяйственных культур, способных самостоятельно производить удобрения.

Исследования ДНК показали, что нитропласты появились около 100 миллионов лет назад, когда морские водоросли поглотили азотфиксирующие цианобактерии. Со временем эти бактерии утратили часть своих генов и способность к независимому существованию, став частью клеток водорослей. Этот процесс напоминает происхождение хлоропластов и митохондрий — органелл растений и животных, которые также произошли от поглощенных микробов.

Дополнительно ученые исследовали закрепление нитропластов в клетках в диатомовых водорослях — организмах с кремниевыми оболочками. Оказалось, что их симбиоз с азотфиксирующими цианобактериями произошел гораздо позже, чем у других водорослей — около 35 миллионов лет назад. Бактерии еще не перенесли ни один из своих генов в клетки водорослей, что позволяет предположить, что они еще не сформировались в качестве органелл.

Сегодня растения получают азот из удобрений, однако новые данные позволят упростить этот процесс и создать культуры, которые будут самостоятельно фиксировать азот с помощью цианобактерий.

Новый тип постоянного магнетизма

На протяжении почти века ученые знали о двух типах материалов с постоянным магнетизмом: ферромагнетики и антиферромагнетики. В этом году физики подтвердили существование третьего типа — альтермагнетиков, которые объединяют свойства обоих предыдущих типов и могут открыть путь к созданию сверхбыстрых магнитных переключателей для электроники.

В ферромагнетиках — например, в железе — неспаренные электроны на соседних атомах вращаются в одном направлении, намагничивая материал так, что он прилипает к поверхностям, в том числе к холодильнику. А в хроме и других антиферромагнетиках электроны на соседних атомах вращаются в противоположных направлениях, и материал в целом не обладает магнетизмом, но имеет магнитную структуру атомного масштаба.

Новые альтермагнетики, впервые описанные теоретиками пять лет назад, кажутся антиферромагнетиками: их электроны вращаются в противоположных направлениях, и суммарный магнетизм равен нулю. Однако более глубокий анализ показал, что материалы нарушают симметрию обращения времени — ключевой признак ферромагнетизма и физическую концепцию, при которой свойства материалов останутся неизменными, даже если время пойдет вспять.

В этом году международная команда ученых экспериментально подтвердила существование альтермагнетиков, исследуя теллурид марганца и антимонид хрома. Уникальная структура и отсутствие суммарного магнетизма в будущем позволит альтермагнетикам работать быстрее и эффективнее традиционных ферромагнитных материалов.

Ранняя эволюция организмов

В 2024 году международная команда ученых обнаружила микроскопические окаменелости древних водорослей в Китае, которые изменили представления об эволюции сложной жизни. Возраст находки — 1,6 миллиарда лет — доказывает, что многоклеточность у эукариот возникла гораздо раньше, чем предполагалось. До этого открытия ученые считали, что эукариоты — организмы с ядром в клетках, то есть растения, животные и грибы — существовали как отдельные клетки на протяжении 1 миллиарда лет. Лишь позже они сформировали первые цепочки, что проложило путь к сложным многоклеточным организмам, распространившимся около 550 миллионов лет назад. Новые данные показывают, что простая многоклеточность появилась на миллиард лет раньше, хотя сложные формы жизни развивались значительно медленнее.

Первые подобные окаменелости ученые обнаружили несколько десятилетий назад в китайской формации Чжуаньлингоу возрастом 1,6 миллиарда лет. Тогда находка — Qingshania magnifica — осталась незамеченной из-за публикации в малоизвестном журнале. В 2015 году китайские палеобиологи вернулись в этот регион и провели масштабные исследования, в результате которых нашли и изучили еще 278 экземпляров Q. magnifica.

Оказалось, что окаменелости представляют собой цепочки до 20 цилиндрических клеток с прилегающими стенками, подобными клеткам современных растений. Некоторые из них содержат небольшие сферы, напоминающие споры, что указывает на наличие репродуктивных структур. Химический анализ подтвердил, что эти цепочки не являются цианобактериями — микробами, которые начали образовывать простые цепочки более 3 миллиардов лет назад. Исследователи пришли к выводу, что Q. magnifica — это древняя нитевидная зеленая водоросль, похожая на современные виды.

Аналогичные окаменелости простых многоклеточных эукариот ученые находили ранее в Индии, Канаде и Австралии. Эти открытия позволяют предположить, что эукариоты сделали ранний шаг к многоклеточности, но дальнейший путь к развитию сложных форм жизни, которые мы видим сегодня — от медуз до секвой и человека — был гораздо медленнее.

Мантийные волны формируют континенты

Традиционно считалось, что процессы, связанные с разрывом континентов — рифтогенезом, — носят локальный характер. Горячая магма поднимается из мантии, порождая вулканы вдоль рифтовой зоны, в то время как холодные недра континентов остаются неизменными. Однако исследование, опубликованное в августе 2024 года в журнале Nature, опровергло это представление. Ученые доказали, что движение мантии создает обширные волны, которые воздействуют на весь континент, изменяя его рельеф.

Согласно новым данным, при разрыве континентов поднимающаяся мантия взаимодействует с холодными континентальными плитами, вызывая вихревые потоки в горных породах. Эти вихри двигаются со скоростью в несколько сантиметров в год, распространяясь по континенту, как волны под кораблем. Они порождают тектонические процессы, которые проявляются на поверхности Земли.

Ученые считают, что именно мантийные волны могли создать плато в старых и холодных областях континентов, таких как Бразильское плоскогорье или Западные Гаты в Индии. Волны вымывают тяжелые породы из нижних слоев континентальной коры, оставляя более легкие, которые затем поднимаются на 1–2 километра и формируют плато.

Годом ранее те же исследователи предположили, что мантийные волны участвуют в создании редких извержений кимберлитов, которые выбрасывают алмазы на поверхность. Такие волны могут быть причиной усиленной эрозии, периодов массового вымирания морских видов, а также неожиданной сейсмической активности в «спокойных» областях плит.

Новые данные подтверждают, что взаимодействие мантии и континентов гораздо более динамично, чем предполагалось ранее.

Космический корабль Илона Маска

13 октября 2024 года ракета-носитель Starship, крупнейшая и мощнейшая в мире, совершила историческую посадку. Спустя всего семь минут после запуска 120-метровая конструкция из нержавеющей стали вернулась на стартовую площадку. Снижаясь со сверхзвуковой скоростью, ракета включила часть двигателей, замедлила движение до почти полного зависания и была захвачена специальными «когтями» земной установки. Этот успех стал важным шагом в создании доступных ракет большой грузоподъемности, которые способны кардинально сократить затраты на космические исследования.

Ключевое достижение SpaceX — восстановление и повторное использование не только разгонной ступени, но и всей конструкции ракеты. На текущий момент компания Илона Маска уже в 10 раз уменьшила стоимость доставки грузов на орбиту с помощью частично многоразовых ракет Falcon 9 и Falcon Heavy. Новый Starship, полностью многоразовый космический корабль, может снизить эту стоимость еще на порядок.

Сейчас доступ к космосу настолько дорог, что каждая миссия требует десятилетий подготовки, а оборудование должно быть максимально надежным. Новые технологии изменят подход: ученые смогут чаще проводить эксперименты, используя недорогие устройства и создавая целые флоты исследовательских инструментов. Например, вместо одного марсохода можно будет отправить десятки, а космические телескопы смогут собираться из множества небольших сегментов прямо в космосе. Это сделает исследования не только доступнее, но и быстрее.

Древняя ДНК раскрывает тайны семейных уз

Современные технологии анализа древней ДНК раскрыли не только пути миграции древних людей и особенности их рациона, но и семейные тайны. В 2024 году ученым удалось реконструировать генеалогические древа людей, живших тысячи лет назад. Это стало возможным благодаря усовершенствованным методам извлечения ДНК из костей и зубов и снижению стоимости анализа.

Раньше исследования фокусировались на демографических тенденциях, анализируя ДНК отдельных индивидов, разбросанных во времени и пространстве. Сегодня, изучая тысячи древних геномов, исследователи могут выявлять связи между людьми — от ближайших родственников до пятой и шестой степеней родства. Например, в степях Евразии были обнаружены двое людей, живших 5 тысяч лет назад, которые оказались дальними родственниками, хотя их захоронения находились в 1,5 тысячах километрах друг от друга.

Генетика и археология позволяют воссоздавать сложные семейные древа. Например, на одном кладбище в Германии удалось выявить родственные связи, охватывающие до восьми поколений. При этом ДНК предоставляет только ограниченную информацию до второй степени родства, но археологические данные — возраст останков, их расположение на кладбище — помогают уточнить детали.

Эти открытия проливают свет на социальную организацию древних обществ. Так, ДНК кельтских вождей на юге Германии показала, что их власть передавалась по материнской линии — это явление называется матрилинейностью. А у европейских фермеров каменного века, напротив, основная роль принадлежала мужской линии. Кроме того, ДНК позволило установить, что две женщины, жившие в Европе более 40 тысяч лет назад, принадлежали к одной большой семье, несмотря на то, что умерли в сотнях километров друг от друга.

По мере расширения баз данных ДНК и анализа все большего числа останков, ученые надеются получить еще больше информации о социальных структурах и связях между людьми в далеком прошлом.

Мир проигнорировал уроки COVID-19

COVID-19 стал жестоким напоминанием о том, насколько плохо мир подготовлен к пандемиям вирусов. Согласно отчету независимой комиссии, созданной Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) в мае 2021 года, «токсичный коктейль» из плохой координации, медленных мер реагирования и отсутствия глобального равенства в доступе к вакцинации и медикаментам превратил пандемию в катастрофический гуманитарный кризис. В отчете были предложены меры, включая усиление эпиднадзора, обеспечение равного доступа к вакцинам, лекарствам и диагностическим средствам, а также укрепление роли ВОЗ для предотвращения повторения подобной катастрофы. 2024 год показал, что эти рекомендации, возможно, не были услышаны.

Сегодня вирус птичьего гриппа H5N1 стал причиной беспрецедентной вспышки среди молочного скота в США. Было подтверждено 58 случаев заражения людей, из которых 31 был связан с крупным рогатым скотом. Медленное обмен информацией и сбор данных о данной вспышке вызвали сравнения с реакцией Китая на первые недели распространения COVID-19. Хотя вирус птичьего гриппа H5N1 пока не взят под контроль, недавнее обнаружение жизнеспособного вируса в непастеризованном молоке в Калифорнии вызвало серьезные опасения у ученых, занимающихся гриппом.

Другое вирусное заболевание, оспа обезьян, получило широкое распространение в Демократической Республике Конго (ДРК) и соседних странах. Это событие стало неожиданностью для мирового медицинского сообщества, несмотря на то, что другой вариант оспы вызвал глобальную вспышку всего два года назад. В ДРК не было доступных вакцин против оспы обезьян, и поступление вакцин было медленным. Дети, наиболее уязвимая группа населения, вообще не получают прививок, и неясно, удастся ли контролировать распространение заболевания.

Между тем, переговоры по договору о борьбе с пандемиями, направленному на улучшение глобальной готовности, зашли в тупик из-за разногласий между богатыми и бедными странами. Эти переговоры продолжатся в 2025 году, но многие опасаются, что переизбрание бывшего президента США Дональда Трампа может привести к отмене соглашения. Трамп также может принять решение о выходе из ВОЗ, как сделал во время своего первого президентского срока. Ученые и мировое сообщество обеспокоены выбором Трампом Роберта Ф. Кеннеди-младшего, который неоднократно делал ложные заявления о вакцинах, на роль главного советника в области здравоохранения США.

Рекомендации группы экспертов 2021 года свидетельствуют об «опасном отсутствии прогресса» в выполнении предложенных мер. Сопредседатели комиссии, бывший премьер-министр Новой Зеландии Хелен Кларк и бывший президент Либерии Эллен Джонсон-Серлиф, в своем отчете, подготовленном летом 2024 года, предупредили, что политические лидеры подвергают риску своих избирателей и ставят под угрозу будущее человечества.

Переговоры по охране окружающей среды терпят неудачу

Несмотря на важность трех ключевых планетарных проблем — изменения климата, утраты биоразнообразия и загрязнения пластиком — участники переговоров на конвенциях ООН в этом году добились крайне малого.

Переговоры на КС-29 Рамочной конвенции ООН об изменении климата продолжались две недели и завершились 24 ноября в Баку, Азербайджан. В последние часы делегаты из богатых стран пообещали увеличить финансирование, чтобы помочь развивающимся странам отказаться от ископаемого топлива и справиться с продолжающимся ущербом от изменения климата. Окончательное соглашение, достигнутое на встрече, предусматривает выделение 300 миллиардов долларов ежегодно к 2035 году, что утроит текущую сумму, однако это далеко не достигает 1,3 триллиона долларов в год, которые, по мнению развивающихся стран, им понадобятся. Делегат из Индии назвал новый целевой показатель «ничтожным», а делегат из Панамы охарактеризовал результаты переговоров как «полный провал».

На встрече участников Конвенции о биологическом разнообразии, которая проходила в октябре в Кали, Колумбия, страны надеялись ускорить выполнение задач, согласованных два года назад — в том числе сохранение 30% местообитаний к 2030 году. На предыдущей конференции они также договорились о необходимости инвестировать не менее 200 миллиардов долларов в год в природоохранную деятельность, включая охрану природных заповедников. Однако в Кали участники не смогли договориться о цифре, а также о том, где и как следует хранить эти средства. Есть один положительный момент: новое положение требует, чтобы компании, использующие генетические данные, полученные от природы, делились доходами, помогая странам-источникам.

Глобальный договор по пластмассам, который Ассамблея ООН по окружающей среде планировала подписать на заключительной сессии в Пусане, Южная Корея, в этом месяце, должен был стать первым в мире соглашением, направленным на прекращение загрязнения пластиком. Коалиция из некоторых стран надеялась ограничить производство новых пластмасс из нефти, но нефтедобывающие государства заблокировали эти усилия. Все участники согласились с необходимостью улучшения переработки и обращения с отходами, но без необходимого консенсуса по ограничениям производства переговоры закончились безрезультатно. Несмотря на существующие проблемы в решении глобальных задач, прорывы 2024 года указали на потенциал науки в ближайшие годы. Достижения и проблемные места открывают новые перспективы в лечении болезней, исследовании космоса и прошлого Земли.

Текст: Ксения Земскова