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
- 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)
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- 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?
- 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).
- 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.
- 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 )
- 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.
- 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.
- 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.
- 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!