Топ 10 научных открытий 2024 года⁠⁠

Ученые создали её с  помощью одной-единственной мутации.

В природе позвоночных с шестью конечностями почти не бывает. Хотя есть интересные исключения, например, гигантский морской дьявол, или манта — самый крупный из скатов. У него, кроме двух пар классических плавников, есть еще одна пара спереди, чтобы направлять в рот планктон и молодь рыб.

Ещё в природе встречаются лягушки с шестью конечностями. Когда головастиков заражают паразитические плоские черви Ribeiroia, у амфибий вырастают дополнительные лапы.

У птиц и млекопитающих тоже встречаются дополнительные конечности. Но крайне редко. Эта аномалия называется полимелия и происходит по разным причинам — например, если в эмбрионе рождаются два близнеца и развивается только один, а от второго остаются лишь конечности.

Словом, эмбриональные программы развития — вещь отлаженная. Так что шестиногая мышь — довольно уникальное явление. Но самое удивительное в ней — даже не количество ног. А то, откуда они выросли. Изначально план ученых был довольно безобидный — посмотреть, как изменение в активности генов у мыши влияет на развитие спинного мозга. Но в  процессе выяснилось, что, если деактивировать один-единственный ген, то пара дополнительных конечностей вырастет на месте гениталий. Это объясняет, почему природа до сих пор не вывела огромного количества шестиногих видов позвоночных.

В 2024 году Илон Маск наконец имплантировал человеку первый мозговый чип. Его получил Ноланд Арбо, 30-летний пациент с квадриплегией — это когда парализованы руки и ноги. Имплант размером с монетку позволил Ноланду водить курсором мышки по экрану, играть в Civilization VI, онлайн-шахматы и Mario Kart.

С устройством пока не все гладко — недавно оно внезапно начало отсоединяться от черепа Арбо и тормозить, так что компании пришлось срочно модифицировать алгоритм записи и колдовать над переводом сигналов из мозга в движения курсора. Но в  целом эксперимент оказался успешным. А в  ноябре Нейролинк объявил о запуске нового исследования, где с помощью мозгового импланта будут управлять роботизированной рукой.

За хайпом можно упустить тот факт, что подобные импланты успешно устанавливались и раньше, задолго до Маска.

В 2016 году был проведен опыт на обезьянах. Макакам-резусам, задние конечности которых были парализованы из-за повреждений спинного мозга, ввели в моторную кору головного мозга электроды. Они считывали сигналы, отвечающие за движения ног. А затем по вай-фаю передавали эти сигналы на устройство, расположенное в спинном мозге. И обезьяны встали и пошли.

В прошлом году нейроинтерфейс впервые позволил человеку с повреждениями спинного мозга самостоятельно стоять и ходить. А неинвазивные интерфейсы успешно опробовали еще в 2013 году. Там люди управляли квадрокоптерами силой мысли, которая считывалась с их головы с помощью обычной электроэнцефалограммы.

Чем больше денег вливается в нейротехнологии, тем больше конкуренция. А от этого выиграют, прежде всего, парализованные пациенты, утратившие возможность управлять собственным телом.

Ученые научили бактерию жить внутри гриба! У нас в клетках есть митохондрии — это такие «электростанции», которые производят энергию для большинства клеточных процессов. А еще они контролируют клеточное самоубийство, программируемую клеточную смерть — это когда клетка сама себя уничтожает, чтобы, например, не стать раковой.

Митохондрии появились благодаря тому, что древние бактерии когда-то поселились внутри древних клеток архей, образовав с ними взаимовыгодный союз. И после этого сильно упростились. Мы знаем, что подобное происходило в природе не один раз. Пластиды в растениях — тоже бывшие бактерии. Но можно ли нечто похожее повторить в лаборатории?

Так вот, ученые подселили одноклеточный организм, бактерию, внутрь клетки другого организма, гриба. И таким образом как бы воспроизвели первый этап появления митохондрий. Хотя у гриба и так есть митохондрии — и он не архея.

Отношения бактерии и гриба складывались непросто, они притирались друг к другу несколько поколений. Ученым пришлось создать условия искусственного отбора и оставлять только те грибы, в которые бактерия успешно заселялась и давала потомство. И этот процесс сожительства генетически изменил и гриб, и бактерию.

Бактерия может сильно упроститься и перестать вырабатывать некоторые токсичные для гриба вещества. И даже, более того, научиться производить вещества полезные. Прямо как наши митохондрии, которые когда-то раскрыли свой креативный потенциал благодаря аналогичному симбиозу.

В 2024 году вышла масса работ об устройстве нервной системы. Например, учёные опубликовали полную карту всех нейронных связей в мозге взрослой плодовой мушки, дрозофилы. Такая карта называется коннектом — по аналогии с геномом. Она показывает не только отдельные нейроны, но и связи между ними. И так помогает понять, как мозг думает, запоминает и управляет телом, что изменяется в нем при разных нарушениях.

У мухи визуализировали примерно 139 тысяч нейронов и более 50 миллионов связей между ними. На сегодняшний день это пока максимум, который мы можем охватить. Это больше, чем у круглого червя нематоды, у которого 383 нейрона, но намного меньше, чем у мыши с ее 100 миллионами нервных клеток.

Коннектом червя, кстати, создали еще много лет назад. И даже доказали, что с помощью него можно воспроизводить поведение животного. Коннектом интегрировали в тело робота из Лего — получился буквально робот с виртуальным мозгом червяка.

Мозг мушки умеет сложные вещи: ходить, летать, запоминать и учиться, ухаживать за партнером, ориентироваться в пространстве, используя разные чувства. И подобная карта поможет понять, как работает мозг насекомых и более сложных существ.

Ученые раздобыли фрагмент мозга 45-летней женщины. И нарезали его на 5000 кусочков длиной в 34 нанометра — если что, ширина молекулы ДНК около 2.5 нанометров. Это очень большая степень детализации! Получилось рассмотреть индивидуальные связи между нейронами на невиданном до сих пор уровне.

Ученые взяли фрагмент мозга у женщины, которая проходила плановую операцию на мозге для лечения эпилепсии, и вот остался кусочек. Вообще пациенты с эпилепсией сделали прямо-таки замечательный вклад в изучение мозга. Например, благодаря им мы разобрались в том, как работают человеческие ассоциации, поток сознания и формирование сложных концепций.

В крошечном фрагменте мозга обнаружили 57 тысяч клеток и 150 миллионов связей. А все данные были объемом в 1,4 петабайта — это всего 1400 терабайт. И все это — в результате анализа небольшого фрагмента, составляющего всего одну миллионную от размера мозга.

Но эти же исследования показывают, насколько мы пока далеки от мечты оцифровать мозг человека. Слишком большие ресурсы нужны. Кроме того, в случае с кусочком мозга образец в процессе пришлось уничтожить.

Были и другие примечательные открытия в этой области. Например, ученые продвинулись в изучении работы генов в мозге. Этим занимается пространственная транскриптомика — метод, который показывает, какие гены проявляют активность и где они в точности расположены. Например, с помощью транскриптомики можно увидеть, где включаются гены в ответ на лекарство или во время каких-либо действий. Или понять, как работают гены в очаге болезни — скажем, при болезни Альцгеймера.

Бактерии научились противостоять антибиотикам и даже передавать друг другу гены устойчивости. А человечество способствует их закалке: принимает антибиотики даже когда не надо, при первых признаках простуды. Использует слишком много антибиотиков в животноводстве, а потом устойчивые бактерии передают свои навыки патогенным коллегам.

При этом новые классы антибиотиков мы не открывали уже очень давно. А число случаев устойчивых к антибиотикам инфекций растет. Такие бактерии особенно любят обитать в больницах, где, опять-таки, часто используют антибиотики.

Новые антибиотики в целом уже давно не открывают. Но их создают. Ученые ищут у бактерии конкретную мишень — важную молекулу на поверхности клетки или особый метаболический путь. Причем нужно найти такую молекулу или путь, которые есть у бактерии, но отсутствуют у нас, чтобы у лекарства не было побочек. А потом исследователи предсказывают и искусственно синтезируют молекулы, которые попадут в эту мишень.

Одна из самых обнадеживающих работ вышла в Science. Команда разработала новый суперантибиотик — крезомицин. Он борется с грамположительными и грамотрицательными бактериями, в том числе с теми, которые обладают устойчивостью к другим антибиотикам. Его секрет — в идеальной форме, за счет которой он надежно связывается с рибосомами бактерий — это молекулярные мини-фабрики по синтезу белков.

Другая группа ученых разработала целый класс антибиотиков против грамотрицательных бактерий. К таким относятся, например, кишечная палочка, сальмонелла или клебсиелла пневмонии — одна из самых частых причин внутрибольничных инфекций. Ученые обратили внимание, что у таких бактерий есть мишень, по которой не бьют обычные антибиотики — синтез липополисахаридов. Липополисахариды — это компонент наружной части клеточной мембраны у грамотрицательных бактерий. То есть антибиотик даже не на все бактерии действует, а значит, и человеку вряд ли навредит.

Но разрабатывают не только новые антибиотики, но и  способы обхода проблем, которые антибиотики вызывают. Например, есть такая грамположительная бактерия Clostridium difficile. В США от нее ежегодно умирает от 13 до 20 тысяч человек. Она плохо смывается обычным мылом — и хорошо выживает даже в больничных помещениях, которые постоянно дезинфицируют. Эта бактерия вызывает тяжелую инфекцию кишечника и особенно опасна для людей с нарушенным иммунитетом, пожилых и тех, кто долго принимал антибиотики и нарушил микрофлору кишечника. Когда обычные бактерии в кишечнике умирают, освобождается пустая ниша. В ней могут размножиться бактерии патогенные, ранее не выдерживавшие конкуренции с сородичами. До сегодняшнего дня от клостридиума не было вакцин, а людей лечили исключительно большими дозами антибиотиков или, в тяжелых случаях, фекальной трансплантацией.

И вот наконец ученые разработали вакцину для защиты от этой бактерии. Она создана на основе мРНК и липидных оболочек и уже показала хорошие результаты — правда, пока на мышах.

Ученые нашли фермент, рибозим, который блестяще копирует и воспроизводит РНК. Примерно так, как это было на заре всего живого.

Для запуска эволюции нужны репликаторы. Молекулы или системы молекул, способные копировать самих себя. Белки на эту роль не подходят: они умеют очень многое, но не умеют копировать себя. ДНК прекрасно хранит и передает генетическую информацию, но химически слишком инертна. А молекулы РНК как раз умеют все. Поэтому большинство ученых склоняется к тому, что именно с них началась жизнь и ее эволюция. В частности, молекулы РНК прекрасно подходят на роль репликаторов.

Некоторые РНК умеют копировать другие РНК. Примеры таких РНК-ферментов — рибозимов — знали и раньше. Но точность копирования была невысокой. А в новом исследовании представили новый рибозим. Он при копировании совершает довольно мало ошибок. Но, самое главное, он эффективно осуществляет полный цикл воспроизводства целевой молекулы РНК.

Эта новость — просто космическая, в прямом смысле слова. Компания SpaceX запустила зонд NASA Europa Clipper. Он отправится к спутнику Юпитера, Европе, полетает вокруг нее и выяснит, есть ли там условия для жизни.

Еще в 90-х годах стало известно, что подо льдом Европы — огромный соленый океан. Воды в нем больше, чем во всех океанах Земли вместе взятых. Это обнаружилось в ходе миссии NASA Galileo. Причем вода может оказаться жидкой. Дело в том, что спутник покрыт льдом, который гнется туда-обратно из-за огромного гравитационного влияния Юпитера, создавая тепло. Такое нагревание может создавать и циркулирующие потоки воды, несущие различные химические молекулы, которые могут взаимодействовать друг с другом, потенциально создавая жизнь.

Также под поверхностью спутника могут находиться гидротермальные источники — вроде тех, что, по одной из версий, сыграли роль в зарождении жизни на нашей планете. Так что Европа — идеальный кандидат для поиска внеземной жизни. Зонд оценит толщину ледяной коры, глубину океана, соленость, содержание различных минералов, изучит тепловое излучение и величину магнитного поля.

Недавно такой воодушевляющий мэтч произошел в сфере изучения старения мозга. Есть такой американский ученый Жан Эбер, он нейробиолог и генетик. Эбер известен крутыми исследованиями в сфере борьбы со старением. В частности, он показал, что стареющий мозг можно постепенно обновлять. Например, если у мышей удалить кусочек старого мозга и поставить на это место клетки-предшественники нейронов, последние превратятся в новые нейроны. Прорубят новые связи, интегрируются в общую нейронную сеть и включатся в работу мозга.

А еще американец работает над заменой неокортекса тканями, выращенными в лаборатории. Это может помочь лечить последствия инсультов и различные заболевания мозга. Так вот, в 2024 году Жан Эбер получил финансирование от ARPA-H. Эта организация создана по аналогии с Агентством передовых оборонных исследовательских проектов, многим известная как DARPA. Но входит в состав Минздрава США и поддерживает прорывные, супер-рискованные исследования в области биомедицины и здравоохранения.

2024 год стал годом громких начинаний в сфере исследований именно таких вакцин. Некоторые из них и правда превентивные, а другие правильней называть лекарствами от рака. Ученые из Оксфордского университета получили финансирование на создание первой в мире вакцины для профилактики рака яичников. Она превентивная, то есть ее можно будет вводить здоровым женщинам для профилактики.

Но параллельно появляются и уникальные персонализированные вакцины, которые вводят пациентам с уже существующими опухолями. Ключевое слово здесь — индивидуализированные. Дело в том, что даже рак одного и того же органа у разных пациентов зачастую протекает по-разному. Может отличаться иммунный ответ, микроокружение опухоли, реакция на терапию и так далее. Но, главное, что сама раковая клетка — всегда уникальный мутант. У нее будут сломаны какие-то гены, она будет производить какие-то неправильные белки. Но наша иммунная система умеет с этим бороться. Многие онкологические заболевания не возникают только потому, что их вовремя останавливает иммунитет.

Один из вариантов «прокачать» противораковый иммунитет — взять из раковых клеток пациента специфические для них антигены и сделать с их помощью вакцину. Такие вакцины уже есть и успешно исследуются. Так, появились мРНК-вакцины от рака легких. Сейчас они проходят испытания в 34 исследовательских центрах в семи странах. В Великобритании первому пациенту ввели персонализированную мРНК-вакцину против меланомы. Центр Гамалеи в России тоже заявил, что разрабатывают мРНК-вакцину от меланомы.

Берем раковые клетки конкретного пациента. Анализируем их уникальную ДНК. Находим свойственные этим клеткам антигены. Засовываем антигены в оболочку, например, из липидов, как в обычных мРНК-вакцинах. Получаем персонализированную противораковую вакцину, которую вводим пациенту. Есть и другие варианты создания противораковых вакцин и вообще иммунотерапии.

Но и это еще не все. Существуют специальные вирусы, которые умеют разрушать раковые клетки — онколитические вирусы, их вводят прямо в опухоль. Против некоторых видов рака такой подход уже получил одобрение FDA. Интерес к онколитическим вирусам растет.

У 50-летней Беаты Халасси случился рецидив рака груди. Если что, это был трижды негативный рак молочной железы, наиболее агрессивный. Но Беата — не обычный человек, она вирусолог. Она сама сварила в своей лаборатории два вида онколитических вирусов и ввела их себе. Не рекомендую ставить такие опыты у себя дома. Опухоль уменьшилась в размерах, стала менее плотной. А через два месяца перестала проникать в кожу и мышцы — и ее получилось просто вырезать.