Сегодня взглянем на события этого года, связанные с манипуляциями с генами, оценим достижения в неотъемлемой медицинской сфере – в диагностике, а также посмотрим на успех в моделировании мозга и оценим прорыв с фундаментальным понятием образования структуры белка. Самые значимые (на мой субъективный взгляд) генетические исследования на человеке я упоминал в 1й части, сейчас поговорим, какие удивительные генетические события были сделаны с животными и растениями.

 

Генетические манипуляции

  1. Одни клетки головного мозга превратили в другие прямо в организме.

На мышах было показано, что с помощью генетической терапии можно эффективно лечить болезнь Паркинcона. Напомню, что это заболевание развивается из-за недостатка нейротрансмиттера (или нейромедиатора, кому как больше нравится) дофамина. А его недостаток часто возникает из-за уменьшения количества специальных дофаминергических нейронов.

Так у мышей с индуцированной болезнью Паркинсона (да, она появилась не сама, а ученые, проводившие исследование, специально уничтожили значимую часть нужных нейронов), у которых оставалось жизнеспособными менее 10% дофаминергических нейронов, изменили гены значительной части астроцитов головного мозга (которых по количеству обычно не меньше, чем нейронов). Изменение вело к тому, что в клетках переставал нормально вырабатываться белок PTB и в результате «биологической магии» (каскада биоорганических, гистохимических и физиологических реакций) астроциты превращались в нейроны. Прямо в мозге мыши, а не в пробирке! Через 3 месяца количество дофаминергических нейронов выросло более 30%, а симптомы болезни Паркинсона полностью перестали регистрироваться. И больше не возвращались)

Мне это исследование еще нравится тем, что оно создает предпосылки к восстановлению запаса нейронов, который с течением нашей жизни истощается быстрее запасов астроцитов. Ждем испытаний на людях)

 

  1. Генномодифицированный свиньи одобрены в США

Помните новость о пересаженной от свинки коже, из прошлой публикации? Можно ожидать что в ближайший год новостей о пользе свинок для человека. Вот и буквально неделю назад Американское Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) выдало разрешение на применение генетически модифицированных свинок (которые не производят потенциально аллергенного галактоза-альфа-1,3-галактоза) для нужд пищевой промышленности и медицины. Некоторые препараты, выделяемые из ткани животных (приводят пример гепарина), станут более безопасными для всех.

 

  1. Генномодифицированный бычок

Это бычка зовут Космо. Когда Космо был эмбрионом, в его геном был встроен ген SRY (с помощью Crispr), который отвечает за развитие самца. Интересно, что этот ген встраивается не в половую хромосому, если у Космо будет потомство с половыми хромосомами XX (женские), развиваться и накапливать массу организм будет как мужской. А в этом и смысл – больше массы, больше мяса. И пока искусственное мясо (про которое подробнее я буду писать скоро, когда буду описывать «будущее еды») еще не находит широкого применения, это хороший вариант и для экологии – чтобы получить одинаковое количество говядины, надо меньше мужских особей чем женских. Стада будут меньше по численности, а значит и нагрузка на экосистему будет меньше.

Но за судьбу Космо можете не волноваться FDA пока не одобрило бычков такой модификации к пище, так что скорее всего он проживет жизнь бычка, которого не собираются съедать.

 

  1. В полку легальных генномодифицированных злаков прибыло.

Первая в мире страна одобрила выращивание на своей территории генетически модифицированной пшеницы — Аргентина. Даже в самое засушливое время ген HB4, взятый из подсолнечника, позволит сохранить хороший урожай! Значимость этого события также в том, что получить хорошую модифицированную пшеницу весьма сложно – надо аккуратно вмешаться в целых 6 наборов хромосом. Это объясняет, почему самый популярный злак еще не модифицировали и не начали применять повсеместно.

 

  1. Табак, который светится

А посмотрите, какую красоту создали в лаборатории биотехнологии из Института биоорганической химии РАН. Да, это табак, который светится в темноте. Изначально исследователи изучили синтез «светящейся» молекулы люциферина (вещества во вьетнамском светящемся грибе Neonotopanus nambi) и смогли разобраться во всех тонкостях химического «цикла кофейной кислоты» (в результате которого получается люциферин).

Затем следовали манипуляции с генами табака, чтобы организм растения сам мог вырабатывать нужный люциферин. Как результат – табак, который светится. При этом «растения светятся все время, непрерывно, но яркость может колебаться. Они начинают светиться ярче, если, например, положить рядом банановую кожуру. Она выделяет этилен, растительный гормон, который, с одной стороны, угнетает рост растений, а с другой — способствует созреванию плодов.

Интенсивность свечения колеблется в зависимости от времени суток, пик яркости приходится примерно на середину ночи. Молодые побеги светятся ярче, старые тусклее. Ярко светятся цветы. А если листу пора умирать, там включается какая-то биохимия, и он вспыхивает перед тем, как погибнуть окончательно.»

 

Диагностика

  1. Экспрес-диагностикум на основе CRISPR

В Covid-эпоху вопрос диагностики вирусных заболеваний стал особенно актуальным. На этом фоне в компании Sherlock Biosciences не только разработали, но и получили разрешение от FDA на использование палетки Sherlock для выявления аж более 150 вирусов, конечно, в том числе и SARS-CoV-2. Важно, что это первое разрешенное FDA использование экспресс-диагностикума на основе CRISPR. Похоже использовалась модификация CRISPR Sherlock, помните, я рассказывал о ней?

 

  1. 3Д сканирование изнутри сосудов

Австралийско-немецкие исследователи разработали самое маленькое в мире устройство для получения изображений изнутри сосудов. Это внутрисосудистый катетер-эндоскоп, который делает сканирование (а точнее методика называется оптическая когерентная томография) изнутри сосуда… и он толщиной практически с человеческий волос! В исследованиях устройство пустили по кровеносным сосудам мышей, а затем и по сосудам людей, получая 3D-сканы стенок сосудов с микроскопическим разрешением.

По мнению исследователей через пару лет подобные устройства могут начать помогать справляться даже со многими проблемами на уровне малых сосудов в головном мозге (и практически любой другой части организма).

 

  1. Определить стресс по поту

Представлен пластырь, способный оценивать количество кортизола в поте человека. По этому гормону исследователи отслеживали уровни стресса. Также разработанный пластырь определяет уровни глюкозы и витамина С и передает информацию на смартфон. Причем данное устройство уже было успешно проверено на 4х людях. Эпоха носимых диагностических штук все ближе.

 

  1. Датчик, отслеживающий заживление раны

Не хотите оценивать свой стресс? Тогда, может, вам будет полезным хотя бы наблюдать за тем, насколько быстро и правильно ли идет процесс заживления раны? А это уже становится реальностью, ведь представлен ее один носимый датчик, который используется с повязками на рану. Устройство показывает, если рана начинает инфицироваться, а также отслеживает деятельность некоторых иммунных реакций в ране. Пока еще ждем испытания на людях. Но это еще одно подтверждение что, скоро все будем обвешаны датчиками и это будет хорошо )

  1. Серьги измеряют уровень сахара в крови

Кстати, носимые датчики вполне могут быть элементами одежды или аксессуарами.

Так в Великобритании был реализован весьма интересный проект «Sense Glucose Earring», в рамках которого изобретены серьги-сенсоры для неинвазивного измерения сахара в крови. Информация об уровне глюкозы считывается непрерывно и передается на мобильное устройство, где специальное приложение может проанализировать полученную информацию и выдать пользователю рекомендации по оптимизации поддержания нормального уровня сахара.

  1. Узи в 1000 раз дешевле

Хорошие медицинские технологии обычно дорогие. И это проблема. Но тенденция будущего в удешевлении всех технологий. Хороший УЗИ аппарат может стоить более 100.000$. Сложная машина должна превращать движения пъезокристала датчика в электричество, которое, в свою очередь, переводить в изображение. Но новая разработка, по словам изобретателей, позволяет обойти все эти процессы и снизить стоимость даже устройств, дающих хорошее изображение, до 100$! Пока прибор был показан в сыром виде, дающий неважное разрешение, но для начала пойдет. Вносим качественные УЗИ аппараты за цену до 1000$ в прогнозы на 2030 год.

  1. Шляпа-томограф

А в Америке придумали носимое устройство для проведения позитронно-эмиссионной томографии головного мозга у человека, находящегося в движении! Просто сравните размер стандартного томографа и этой… томограф-шапки! Но даже сама круть этой шапки не просто в том, что не надо для исследования заезжать в огромное устройство и мучаться от клаустрофобии, а в том, что можно делать исследования мозга, во время того, как он руководит движениями разных мышц! Новый тип устройства – новые исследования – новые открытия работы нашего мозга! «Шапку» исследовали на 4х добровольцах, применяли специальное «меченное вещество» 18-фтордезоксиглюкоза (смысл ПЭТ -отслеживание накопления меченных веществ). Хоть количество вещества составляло всего четверть от обычного, по словам авторов результаты количественно были аналогичные стандартной ПЭТ.

 

  1. Микроскоп смотрит под череп

Хотите еще новостей об инновационных исследованиях мозга? Их есть у меня!

Хоть основную часть био-медицинской магии я оставил на следующую публикацию, одно событие-таки пробралось в эту. Около полутора месяцев назад появились сведения об изобретении микроскопа, способного изучать ткани через кость! Исследователи из Южной Кореи разработали новый оптический микроскоп, который может получать изображения через неповрежденный череп мыши! В итоге ученым доступна микроскопическая карта «живых» скоплений нейронов в тканях мозга.

Нейробиологические исследования ускоряются! Посмотрим, какие события произошли в изучении нервной системы.

 

Изучение мозга

В одной из глобальных дорожных карт прогресса по пути к сверхмозгу я видел отметки в виде таких значимых шагов, как создание подробных трехмерных карт плодовой мушки и мыши. Ранее был полностью картирован только мозг круглого червя C. elegans. Но эти два шага были пройдены (ну ладно, один шаг был приближен, а один пройден) в этом году.

  • Подробная 3D карта связей в мозге плодовой мушки

В самом начале 2020го года миру была представлена красивая трехмерная карта мозга плодовой мушки, которая содержала 25 миллионов нейронов и их многочисленные синапсы. На это ушли годы совместной работы исследовательского кампуса Janelia в Вирджинии и Google Connectomics

 

  • Трехмерный атлас мышиного мозга

А исследователем из Америки удалось создать 3D атлас мышиного мозга, в котором разрешение всего в 10 микрометров! Это, конечно, не изображение всех нейронов и связей, но уже совсем близко. В атласе отмечены 43 участка коры больших полушарий, 329 субкортикальных участков, 81 тракт и по 8 желудочковых структур на каждое полушарие. При этом все структуры можно посмотреть в отдельности. С атласом можете ознакомиться тут.

 

ИИ и медицина

И буквально две новости, как нейросети-машинное обучение и прочий ИИ помогает в медицине.

  • Кардиостимулятор под контролем нейросети

Как говорят некоторые футурологи, современная промышленная революция заключается в том, что мы берем любой объект и добавляем в него искусственный интеллект/нейросеть (подчеркнуть то, что приятнее читать). Вот и дошло дело до медицинских изделий. Кардиостимулятор – отличный пример. Поддерживать одну частоту сокращений сердца – круто, но не совсем физиологично. А вот ускорять сердцебиение во время физических и психоэмоциональных нагрузок и замедлять в спокойное время – это уже кардиостимулятор+нейросеть. Такое чудо-устройство сделали исследователи из Англии (Бристольский университет). На мышах оно себя показало отлично. Ждем испытаний на людях.

 

  • ИИ и структура белка

А это просто одно из самых значимых, на мой взгляд, событий уходящего года, которое точно изменит многое. 50 лет фундаментальный вопрос оставался без ответа – как точно из аминокислот сворачиваются определенные белки определенным образом. Но в начале этого месяца стало известно, что «искусственный интеллект» DeepMind AlphaFold способен просчитывать трехмерную структуру белков точнее, чем лабораторные методики. А белки – это основа всей органической жизни. Каждое движение, каждый вздох, построение всех клеток и органов, каждая реакция в организме – всем руководят белки. Конечно, все помнят о жирах, углеводах, микроэлементах и прочем. Но именно белки «все делают».

Как правильно отметили тут «Много лет среди ученых-биологов считалось, что решение именно этой задачи откроет для человечества невиданные перспективы в биотехнологиях и даст поток новых лекарств, разрабатывать которые станет возможно прямо на компьютере, не прикасаясь к пипеткам». Еще пару значимых моментов из этой же статьи: «компьютер предсказал структуру всех белков абсолютно правильно. Включая те домены и белки, которые были непохожи ни на что известное науке до сих пор». «Сделанный Google прорыв в предсказании белковых структур на практике означает то, что теперь трехлетнюю работу ученых-исследователей можно упаковать в несколько дней вычислений на не самом мощном компьютере». «По сути, DeepMind удалось создать программу, которая (наконец-то) может заменить все трудоемкие физические методы определения структуры недолгими расчетами»

Изучать болезни и производить нужные лекарства. Делать ферменты, чтобы разлагать отходы в мировом океане. Создать белковые структуры, захватывающие избыток углекислого газа из атмосферы. Теперь это все можно делать в разы быстрее!