2021 год был богат на научные открытия. Изучение внутренней структуры Марса было одним из самых ярких по мнению редакции Science.
Трёхмерная структура белка.
Поиски образцов доисторической ДНК в местах стоянок древних людей.
192 мощных лазерных луча направляются на капсулу с топливом.
Направляющая РНК (синяя) от инъекции CRISPR приводит фермент, расщепляющий ДНК (белый), к своей цели (оранжевый).
По уже устоявшейся традиции, подводя итоги 2021 года, прославленное научное издание Science выбрало достижение, достойное звания "научный прорыв года".
В этом году им заслуженно стал "астрономический" скачок в исследованиях трёхмерной структуры белков, ставший возможным благодаря прогрессу в разработке искусственного интеллекта.
Поясним, что в человеческом теле присутствуют сотни и сотни тысяч белков, выполняющих жизненно важные функции. Определение структуры каждого из них не только углубляет наше понимание основ биологии, но и позволяет обнаружить новые многообещающие "мишени" для лекарственных средств.
Белки — это "рабочие лошадки" биологии, пишет издание Science. Они сокращают наши мышцы, превращают пищу в клеточную энергию, переносят кислород по организму и борются с микроорганизмами-захватчиками.
Тем не менее, несмотря на на столь "разносторонние таланты", все белки имеют одну и ту же основу: линейную цепочку из 20 различных видов аминокислот, связанных друг с другом в последовательности, закодированной в нашей ДНК.
После сборки на клеточных фабриках — рибосомах — каждая цепочка складывается в уникальную, изысканно "выточенную" трёхмерную форму. Эти структуры, которые определяют, как белки взаимодействуют с другими молекулами, также определяют их роль в клетке.
В 1950-х годах ведущим подходом для определения трёхмерной структуры белков стал метод, известный как рентгеновская кристаллография. Исследователи начали наносить на карту трёхмерные структуры белков, анализируя, как рентгеновские лучи "рикошетят" от атомов молекул.
В 1960-х годах исследователи уже предполагали, что взаимодействия между аминокислотами приводят белки в их окончательную форму. Но, учитывая огромное количество возможных взаимодействий между каждым отдельным звеном цепи, белки даже небольшого размера могут принимать астрономическое количество возможных форм.
Трёхмерная структура белка. Altounian/I. R. Humphreys et al./Science.
К этому моменту учёные ясно понимали, что для расшифровки всех белков человеческого организма им потребуются сотни лет и сотни миллиардов долларов. Эта конечная цель казалась совершенно недостижимой.
Чтобы ускорить этот процесс, в 1970-х годах учёные начали создавать компьютерные модели, чтобы предсказать, как будет сворачиваться каждый конкретный белок.
Теперь, по прошествии почти 50 лет, исследователи показали, что программное обеспечение, управляемое искусственным интеллектом, может воспроизводить тысячи точных белковых структур — достижение, которое является прорывом 2021 года в науке по версии престижного научного издания Science.
За эти 50 лет была проведена огромная работа, которая сделала этот прорыв возможным. Со временем разработчики компьютерных моделей научились хитростям, позволяющим улучшить их расчёты.
Например, отрезки аминокислот, общие для двух белков, часто складываются одинаково. Если белок с неизвестной структурой разделяет, скажем, 50% своей аминокислотной последовательности с белком, имеющим известную структуру, последний может служить "шаблоном" для построения компьютерных моделей.
Ещё одно важное открытие пришло из области эволюции. Исследователи поняли, что если одна аминокислота изменится в белке, принадлежащем близкородственным организмам, таким как шимпанзе и человек, то аминокислоты, расположенные поблизости в свернутой молекуле, также должны будут измениться, чтобы сохранить форму и функцию белка.
Это означает, что исследователи могут сузить поиски, находя аминокислоты, которые эволюционируют совместно: даже если они находятся далеко друг от друга в развёрнутой цепи, они, вероятно, являются соседями в окончательной трёхмерной структуре.
К 2018 году появилась выдающаяся программа AlphaFold, управляемая искусственным интеллектом. Разработанная дочерней компанией Google DeepMind программа обучается работе с базами данных уже экспериментально решённых структур.
В 2020 году вышла её преемница AlphaFold2. Благодаря сети из 182 процессоров, оптимизированных для машинного обучения, AlphaFold2 проявила себя гораздо лучше других разработанных к этому времени алгоритмов поиска белковых структур.
В 2021 году прогнозы искусственного интеллекта резко улучшись: они стали гораздо быстрее и более надёжными. В середине июля стало известно, что программа RoseTTAFold расшифровала структуры сотен белков, причём все они относятся к классу распространённых лекарственных "мишеней".
Неделю спустя учёные DeepMind сообщили, что они сделали то же самое с 350 000 белков, обнаруженных в человеческом теле — это 44% всех известных человеческих белков!
Исследователи ожидают, что в ближайшее время их база данных вырастет до 100 миллионов белков всех видов, что составляет почти половину от их общего числа.
Код для AlphaFold2 и RoseTTAFold теперь общедоступен, что помогает другим учёным присоединиться к поискам.
Уже сегодня учёные, изучающие структуру вируса SARS-CoV-2, используют AlphaFold2 для моделирования эффекта мутаций в шипиковом белке штамма "омикрон". Встраивая в белок более крупные аминокислоты, мутации изменили его форму — возможно, настолько, что антитела не могут связаться с ним и нейтрализовать вирус.
Впереди исследователей ждёт много работы. Белковые структуры не статичны, они изгибаются и скручиваются, выполняя свою работу. Моделирование этих изменений остаётся сложной задачей.
Однако бурный рост числа научных достижений, основанных на искусственном интеллекте, в этом году открывает невиданные ранее перспективы, которые навсегда изменят биологию и медицину, какими мы их знаем.
Ещё больше прорывных исследований
2021 год подарил нам множество не менее вдохновляющих научных открытий.
Поиски образцов доисторической ДНК в местах стоянок древних людей. Фото Devlin Gandy/University of Cambridge.
Чего стоит новая технология поиска элементов животной ДНК в древних образцах почвы. Благодаря ей исследователи нашли ранее неизвестную генетическую линию неандертальцев, научились определять пол и прижизненные особенности представителей вымерших видов, не имея на руках ни единой окаменелости.
Также в 2021 году была достигнута важнейшая веха в термоядерном синтезе: термоядерный реактор наконец выработал больше энергии, чем было затрачено на его работу. Мы подробно писали об этом выдающемся научном прорыве в нашем недавнем материале.
192 мощных лазерных луча направляются на капсулу с топливом. Иллюстрация LLNL.
Война с пандемией продолжается
Вакцины от новой коронавирусной инфекции, без сомнения, находятся в авангарде сражения с пандемией COVID-19.
Однако стоит упомянуть и о ряде противовирусных препаратов, разработанных (и "перепрофилированных") в течение этого года, которые занимают почётное место в арсенале медицинских "боеприпасов", подготовленных к отражению натиска опасной инфекции.
То же самое можно сказать и о прорыве в разработках моноклональных антител, создаваемых для борьбы не только с новым коронавирусом, но и вирусами гриппа, Зика, цитомегаловируса и многих других патогенов.
Марсианские хроники
В этом году научное сообщество потрясла новость о том, что внутренняя структура Марса была наконец досконально изучена. Это достижение стало возможным благодаря слаженной работе специалистов НАСА и подробным данным, собранным чувствительными приборами на борту марсианского посадочного модуля InSight. Подробности этого открытия мы описывали в одном из наших материалов.
2021 год был богат на научные открытия. Изучение внутренней структуры Марса было одним из самых ярких по мнению редакции Science. Иллюстрация C. Bickel/Science.
Новая физика
2021 год принёс замечательные новости и в области физики элементарных частиц. Самое громкое открытие за долгие годы подтверждает существование необычного явления, впервые обнаруженного два десятилетия назад. Частица, известная как мюон — более тяжёлый и нестабильный "брат" электрона — проявляет больше магнетизма, чем это предсказывала преобладающая теория.
Как сообщалось в апреле этого года, несоответствие всего в 2,5 части на миллиард может быть признаком новых неизвестных частиц, расширяющих горизонты привычной Стандартной модели физики.
Редактирование генома и вопросы этики
Не стоит забывать и о крупных достижениях в области генной инженерии. Технология CRISPR в течение 2021 года "перебралась" из пробирки в организм живых пациентов.
CRISPR-терапия — введение отредактированных генов в организм пациента — уже позволила улучшить зрение слабовидящих добровольцев и начать борьбу с наследственными заболеваниями крови.
Однако узнав новость о рождении первых близнецов с отредактированным геномом, научное сообщество было взволновано потенциальными рисками подобных громких достижений.
Направляющая РНК (синяя) от инъекции CRISPR приводит фермент, расщепляющий ДНК (белый), к своей цели (оранжевый). Иллюстрация Ella Maru Studio/Science Source.
В свою очередь, исследования с участием человеческих эмбрионов всё ещё ограничены жёсткими законодательными рамками.
В этом году учёные предложили этому ряд потенциальных альтернатив: им удалось поддерживать развитие мышиных эмбрионов в пробирке в течение гораздо более продолжительного времени. Также исследователи разработали "реплики" эмбрионов из человеческих стволовых клеток а также "перепрограммированных" взрослых клеток.
В мае 2021 года эта область исследований получила ещё один важный импульс к развитию. Международная организация, устанавливающая руководящие принципы исследования стволовых клеток, ослабила давний запрет на выращивание человеческих эмбрионов в лаборатории на срок более 14 дней. Это послабление позволило учёным исследовать этапы эмбрионального развития, происходящие после этого времени.
Почему это послабление встретило волну общественной критики, мы разбирали в одном из наших материалов.
Ранее мы рассказывали о том, какие научные достижения вошли в десятку важнейших научных прорывов по версии журнала Science в 2020 году.
