Пути бессмертных. Можно ли победить старение?

Неизбежность старения и ухода из жизни всегда воспринималась человечеством болезненно. Люди давно осознали уникальность каждой личности — и в любой традиционной мифологии есть система представлений о том, что душа человека бессмертна и отправляется после окончания его жизни либо в новое тело, либо в загробный мир. Однако вера — это не твёрдое знание, что понимают даже воцерковлённые люди, поэтому мечта о земном бессмертии сохраняется, передаваясь от поколения к поколению. Со временем возник ещё один миф — о существовании «эликсира молодости», которым пользуются боги. С возникновением алхимии многие учёные средневековья пытались получить его, смешивая измельчённые благородные металлы с различными редкими веществами, но безуспешно.

Сохранилось множество легенд о долгожителях, каким-то образом узнавших тайну эликсира. Самая свежая рассказывает о радже Тапасвиджи, который прожил 186 лет и скончался только в 1956 году. По собственному утверждению, он пользовался особым напитком, которым с ним поделился старик-отшельник, но после смерти раджи каких-либо следов чудодейственного эликсира найти не удалось. Понятно, что идея бессмертия вдохновляет и фантастов. Варианты вечного существования можно встретить в самых разных текстах: от вампирских саг и фэнтезийных эпопей до комиксов и футурологических романов.

Наука давно установила, что даже если победить все болезни, включая рак, люди всё равно будут умирать — от старости. Получается, что старость — это тоже своего рода болезнь, которая овладевает нами с возрастом? Некоторые геронтологи, изучающие механизм старения, именно так и считают. Но раз существует болезнь, то её когда-нибудь научатся лечить.

Жанна Кальвин в возрасте 22 и около 120 лет,

старейшая из когда-либо живших на Земле людей

Жанна Кальвин в возрасте 22 и около 120 лет,

старейшая из когда-либо живших на Земле людей

К ХХI веку накопилось свыше двухсот теорий старения, причём каждая из них подразумевает свои способы борьбы с ним. Геронтологи полагают, что ключ к «вечной молодости» следует искать на генном уровне. К этому выводу они пришли, исследуя животных-долгожителей.

Настоящую сенсацию произвёл голый землекоп — небольшой грызун, обитающий в сухих саваннах Кении, Эфиопии и Сомали. Эти невероятно уродливые создания демонстрируют поистине фантастические способности к выживанию. Голые землекопы никогда не болеют раком, могут долгое время обходиться без еды и воды, малочувствительны к боли. Но главное — они живут до тридцати лет, практически не старея (для сравнения — обычная мышь живёт не дольше четырёх лет).

Поскольку голые землекопы относятся к тому же классу животных, что и мы, есть надежда найти в их геноме принципиальное отличие, которое делает их самыми долгоживущими среди млекопитающих таких размеров. (см. тему «Голый землекоп и секрет вечной молодости»; «Люди и голые землекопы похожи способностью медленно стареть»)

Го́лый землеко́п (лат. Heterocephalus glaber)

Тщательное изучение «вечно молодых» грызунов уже приносит первые плоды. Например, учёные установили, что голые землекопы — неотенические животные, то есть их организмы остаются «младенческими» даже при достижении зрелости; этим объясняется их малый вес, отсутствие шерсти и ушных раковин, повышенное любопытство, нарушенные функции по поддержанию постоянной температуры тела и так далее.

Неотению ранее обнаружили у некоторых членистоногих, червей и земноводных. Считалось, что млекопитающие просто не способны выжить при таком механизме адаптации: оставаясь детьми, они вымрут в первом же поколении. Однако голые землекопы нашли способ обойти суровые законы эволюции за счёт эусоциальности: они живут колониями, построенными по типу улья, поэтому рядовым индивидам нет необходимости развиваться до полноценных особей.

Человеку, конечно, такой вариант «вечной молодости» не подходит. Но, может быть, есть другие пути? Наблюдение за клетками голого землекопа в процессе развития показало, что они стареют подобно клеткам мышей, однако при этом проявляют феноменальную устойчивость к повреждениям ДНК. То есть на генном уровне у землекопов есть защита от влияния факторов внешней среды, стимулирующих «износ» организма. Остаётся выяснить, что это за защита и можно ли её применить в организме человека.

В США успешно выполнена первая в мире операция по трансплантации… черепа

Джеймс Бойзен

Еще недавно использование титановых пластин для замены костей черепа, поврежденных в результате травмы или опухоли, считалось в нейрохирурги огромным достижением. А врачи из США достигли новых высот: они пересадили пациенту всю верхнюю часть черепа.

Хирурги одной из клиник американского города Хьюстон (Houston Methodist Hospital) впервые в истории трансплантологии пересадили больному огромную часть черепа целиком вместе с волосами.

Результат уникальной операции потряс самих медиков: всего несколько дней спустя после операции донорская кожа на пересажанном участке черепа начала потеть при повышенной температуре воздуха.

Еще в 1992 году Джеймсу Бойзену (James Boysen), с детства страдавшему диабетом 1-го типа, были пересажены почка и поджелудочная железа – его собственные органы отказали из-за осложнений диабета.

Но у иммуносупрессивных препаратов есть один очень опасный побочный эффект: их регулярный прием резко повышает риск развития злокачественных опухолей. Недавно врачи обнаружили, что в небольших мышцах на голове 55-летнего Джеймса развивается редкая опухоль – кожная лейомиосаркома. Поражены были мышцы, поднимающие волосы.

Милые кости 3D: гиперэластичный костный материал для пластики дефектов черепа

У нас их примерно 205, суммарно они весят около 5-6 кг и каждые 10 лет полностью обновляются на клеточном уровне. А еще есть идиоматическое выражение, утверждающее, что у всех есть это в шкафу. Речь, конечно, идет о скелете и о костях, его составляющих.

Травмы, связанные с повреждением костей, одни из самых распространенных в мире. Порой такие травмы требуют не лечения кости, а ее замену. Трансплантация костей сопряжена с рядом опасностей для пациента, в числе которых последующие боли, инфекции, кровотечения, повреждения сопряженных тканей и т.д.

Некоторые ученые считают, что ключ к успешной костной трансплантологии лежит в применении напечатанных костей, которые будут идеально подходить конкретному пациенту и будут лишены дефектов. Как ученые печатали кости, что для этого было применено и какие результаты показала операция имплантации на крысе? Об этом мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.

Основа исследования

Методы лечения травм костей практически не изменились с самых древних времен. Ученые даже проанализировали 36 скелетов неандертальцев, на которых были признаки переломов. Из них лишь у 11 лечение этих травм можно назвать неудачным.

Однако такая успешность лечения во все времена не касается всех типов переломов. Некоторые травмы удалось успешно и без последствий лечить уже при наличии достаточно современного медицинского оборудования, знаний и методик.

На данный момент в трансплантологии костей часто применяют аллотрансплантаты* или аллопластические материалы.

Аллотрансплантация* — пересадка органа от человека человеку (от особи одного вида особи того же вида).текст, который хотите выделить

Данные методы достаточно продвинуты, но не всемогущи. Черепно-челюстно-лицевые дефекты (врожденные, онкологического или травматического происхождения) достаточно сложны. В таких случаях необходимы имплантаты, специфичны конкретному пациенту.

Следовательно, их нельзя взять у донора, а необходимо изготовить. В таких случаях применяется краниопластика, однако имплантат не будет обладать регенерацией и не будет расти вместе с другими костями пациента.

Также используют губчатое вещество кости, деминерализованную костную матрицу, синтетические костные чипсы или костные замазки, которыми заполняется участок дефекта.

Но эти материалы не пористые и обладают ограниченной связанной пористостью. Из-за этого снижается поверхностная клеточная миграция и васкуляризация (образование сосудов) клеток, что может привести к инкапсуляции*, а не к интеграции тканей. В результате чего сильно возрастает риск инфекции.

Инкапсуляция* — образование капсулы вокруг инородного тела в организме.

Исследователи предлагают использовать трехмерную печать, ибо этот метод позволяет сделать недорогой имплантат, который будет идеально подходить под определенный дефект у конкретного пациента.

Исследователи также отмечают, что в биомедицинской трехмерной печати пока недостает высокоэффективных материалов, которые будут совмещать в себе простоту изготовления, применения в печати и биологическую функциональность. А это значит что нужно создать свой материал, естественно.

Гиперэластичная кость

И имя сего нового материала — «гиперэластичная кость» (гиперэластичный костный материал). Изготавливается этот остеорегенеративный материал путем экструзии при комнатной температуре гидроксиапатита (твердое вещество, 90% от общей массы) и поли(молочно-гликолевой кислоты) (жидкое вещество, 10% от общей массы) в трехмерные формы без необходимости в спекании*, отверждении* или других формах физико-химической стабилизации.

Спекание* — процесс изготовления твердых и пористых материалов из мелкой порошкообразной основы при повышенных температурах и/или высоком давлении.Отверждение* — необратимый процесс превращения жидких реакционноспособных олигомеров и (или) мономеров в твердые неплавкие и нерастворимые сетчатые полимеры.текст, который хотите выделить

Полученный трехмерный напечатанный каркас обладает хорошей эластичностью и высокой абсорбцией. Кроме того, каркас вызывает остеогенную дифференцировку* полученных из костного мозга мезенхимальных стволовых клеток человека без добавления остеоиндуцирующих катализаторов.

Дифференцировка клеток* — процесс формирования специализированного фенотипа клетки, отображающего ее функции. Утрировано, трудоустройство клетки, которая ранее не имела точной профессии.

При этом гиперэластичная кость не вызывала отрицательного иммунного ответа, становилась васкуляризованной и интегрировалась с окружающими тканями, поддерживая рост новой кости. Еще одним достижением является возможность переноса трансдуцированных человеческих жировых стволовых клеток посредством напечатанного имплантата.

Далее мы с вами подробнее ознакомимся с результатами практического испытания. Ученые провели сравнительный анализ остеорегенеративной способности гиперэластичной кости и коммерческого варианта (аутологичная кость) при дефектах черепа критических размеров у крыс. Но сначала немного о подготовке к эксперименту и о том, как именного изготавливался испытуемый материал и имплантат.

Как искусственный интеллект меняет науку

Конспект материала научного журналиста Дэна Фока

Последние алгоритмы ИИ исследуют эволюцию галактик, вычисляют квантовые волновые функции, открывают новые химические соединения и многое другое. Есть ли что-то, что ученые делают, что нельзя автоматизировать?

Кевин Шавински, астрофизик, управляющий компанией ИИ под названием Modulos, утверждает, что методика, называемая генеративным моделированием, предлагает третий способ изучения вселенной.

Человек не в состоянии обработать терабайты данных, получаемых в ходе исследований в области физики и астрономии, и количество этих данных продолжает расти, считает Фок. В подтверждение он приводит в пример Square Kilometer Array — радиоинтерферометр, который после запуска будет производить столько же трафика, сколько весь интернет.

Проект сверхмощного радиотелескопа Square Kilometer Array

«Википедия»

Поэтому учёные начали использовать ИИ. Искусственные нейронные сети — это смоделированные на компьютере нейросети, они находят общие структуры и определяют несоответствия в данных, которые человеку затруднительно обнаружить самостоятельно.

Автор обращает внимание, что хотя компьютеры используются в исследованиях уже около 75 лет, а люди тысячелетиями систематизируют данные, машинное обучение и ИИ сейчас — это нечто новое.

В качестве примера он приводит обобщённое моделирование. Его задача — определить наиболее правдоподобную интерпретацию данных наблюдений на основе исключительно этих данных, без каких-либо заранее заложенных знаний о физических процессах исследуемой системы.

Автор статьи разделяет учёных на два лагеря: представители первого относятся к таким новинкам как к вспомогательным инструментам; представители второго, и их большинство, верят, что роль искусственного интеллекта в науке будет увеличиваться.

Во втором лагере находится астрофизик Фермилаба Брайан Норд. Нейросети на основе искусственного интеллекта помогают ему в изучении космоса, и он верит, что всё, что может сделать учёный, может сделать и машина. «Эта мысль немного пугает», — добавил Норд.

Генерирование данных с помощью нейросетей

В 2007 году сотрудник Швейцарской высшей технической школы Цюриха Кевин Шавински запустил проект Galaxy Zoo. Интернет-пользователи помогали астрономам выбирать категории для галактик, делая свои догадки. Выбранная большинством пользователей категория обычно оказывалась верной.

По словам Шавински, сейчас талантливый учёный с опытом машинного обучения и доступом к облачной вычислительной среде справится с этой задачей за один вечер с помощью ИИ.

Шавински пришёл к использованию обобщённого моделирования в 2016 году. Суть этого метода — ответить на вопрос: 

«Если условие Х, то с какой вероятностью конечным результатом станет Y?». 

Пример такой модели — программа, которая умеет предсказывать, как изменится внешность человека с течением времени.

Генеративная модель пропускает через себя изображения человеческих лиц с указанием на них возраста, а программа определяет общее свойство «у старых людей есть морщины» и таким образом может виртуально «состарить» любое лицо.

Системы обобщённого моделирования, называемые генеративно-состязательными сетями (ГСС), умеют восстанавливать повреждённые изображения, делать размытые фото более чёткими.

Сеть состоит из двух частей: первая — генератор ложных данных, вторая — детектор, который должен отличить ложные данные от реальных. Состязаясь таким образом, сеть учится определять недостающую информацию и постепенно развивается. Так ГСС создают реалистичные лица, которые на самом деле не существуют.

Лица в колонках А и B созданы генеративно-состязательной сетью (ГСС) 
с использованием фрагментов реальных лиц. 
Эта сеть объединила фрагменты лиц из колонки А с лицами из колонки B и создала новые лица

Далее Фок описывает обобщающее моделирование в более широком плане. Эта система берёт наборы данных (обычно изображений), разбивает их на более мелкие «кирпичики», которые учёные называют «потенциальным пространством». Затем алгоритм переставляет эти базовые элементы, наблюдает, как от этого меняются исходные данные, и таким образом узнаёт физические процессы в основе системы.

Тяжелые болезни можно вылечить, "обманув" нервную систему пациента

Воздействуя на нервные клетки электрическими импульсами, можно вылечить такие заболевания, как артрит, астма и диабет, считают ученые.

Компания Galvani Bioelectronics планирует получить разрешение на использование новой методики лечения уже через 7 лет. За разработками также стоят GlaxoSmithKline и Verily (ранее - часть Google, Life Sciences).

В ходе экспериментов над животными ученые закрепляли вокруг нерва миниатюрные силиконовые накладки с электродами, а затем воздействовали на него с помощью источника питания.

Результаты одного из проведенных тестов показали, что это может помочь при лечении сахарного диабета второго типа, когда тело человека игнорирует гормон инсулин.

Ученые сосредоточили свое внимание на наборе химических сенсоров, находящихся рядом с сонной артерией. Эти сенсоры замеряют уровень сахара и инсулина в крови, а затем при помощи нервных сигналов посылают эти данные в мозг, чтобы тот смог координировать реакцию организма на уровень глюкозы.

"Нейронные сигналы возрастают при диабете второго типа. Поэтому когда мы блокировали эти сигналы у больных диабетом лабораторных крыс, чувствительность их тел к инсулину восстановилась", - рассказал в интервью Крис Фамм, вице-президент GlaxoSmithKline по биоэлектронике.

Судя по данным первых исследований, тот же принцип должен работать и в случае других заболеваний.

Технологии природы

С самого момента нашего появления мы не устаём удивляться изобретениям природы. Тысячи лет назад наши предки учились у хищников подкрадываться и охотиться. Но и сейчас, несмотря на все наши технологии, природа не утратила свою привлекательность. Многие изобретения появились благодаря тому, что мы подсмотрели в растительном и животном мире.

Приспособление намибийского жука для сбора воды

Африканская пустыня Намиб не избалована дождями. Земля здесь раскалена до предела, однако каждое утро на песчаные дюны милосердно опускаются лёгкие клубы тумана. Для намибийского жука это идеальные условия существования.

Капли воды из тумана собираются на надкрыльях жука и по желобкам, покрытым водоотталкивающим составом, стекают к его голове. Надкрылья усеяны маленькими гидрофильными выпуклостями. По мере накопления влаги капли становятся больше и, в конце концов, соскальзывают в сторону рта жука, который утоляет ими свою жажду.

Инженеры из Массачусетского технологического института позаимствовали эту конструкцию, чтобы создать материал, способный собирать воду из воздуха. Вещество, созданное из стекла и пластика и усеянное крошечными выпуклостями, очень похоже на губку. Оно является простым и дёшевым в изготовлении – нужно всего лишь нанести гидрофильные выпуклости на листы из водоотталкивающих материалов. Если этим веществом покрыть туристическую палатку, то можно будет каждое утро набирать дневной запас воды.

Кроме того, благодаря инфракрасным отражателям на своих надкрыльях намибийский жук обладает высокой устойчивостью к жаре. Это может помочь в областях, которые нуждаются в термостойком оборудовании – таких, как проектирование ракет, например.

Живые микророботы-миноги

Несомненно, работа врачей была бы намного проще, если бы они могли проникнуть внутрь тела пациента и определить точную причину боли или болезни. Компьютерные технологии обычно дают зернистые изображения с низким разрешением, в то время как аппараты для МРТ являются громоздкими и дорогими.

Изобретение небольших роботов, способных путешествовать по телу вместе с кровью, решило бы многие проблемы медиков. «Киберплазма» – это робот, который в некотором смысле является «живым».

Киберплазма оснащена сенсорами, взятыми из реальных клеток млекопитающих; она реагирует на химические вещества и свет так же, как и живой организм. Помимо комплекта сенсоров света и запаха, которые подпитываются глюкозой, миниатюрный робот также оснащён электронной нервной системой. Она преобразовывает раздражающие воздействия в электрические сигналы, фактически выполняя функции мозга.

Киберплазма смоделирована по образцу миног. Это рыба-паразит длинной трубкообразной формы. Она обладает простой нервной системой, которую легко сымитировать и встроить в робота. Со временем робот-минога может быть использован для путешествий внутри человеческого тела в поисках опухолей, тромбов или химических веществ.

Робот-рука, созданный по образцу слоновьего хобота

Хобот слона состоит из 40 000 мышц, и он такой же проворный, как и человеческие руки. Им одинаково удобно собирать яблоки с ветки и выдергивать деревья вместе с корнем. Эта универсальная «конструкция» вдохновила учёных на создание роботизированной руки. Немецкая компания "Festo" разработала "Bionic Handling Assistant" («Бионическую руку-помощник») – конечность, которая объединила ловкость человеческих рук с возможностями механики.

Имеющий четыре металлических когтя, робот обучается так же, как и человек – методом проб и ошибок. Пытаясь достать и захватить объекты, он начинает «понимать», какие мышцы ему нужно задействовать. Робот способен воспроизводить движение, которое он запомнил, путём корректировки давления в трубках, вмонтированных в его искусственные мышцы.

Наножук и рецепт невидимости

Они живут там, куда доползет не каждый дипломированный биолог. Они ставят с ног на голову наши представления о том, как должен работать живой организм. Они умеют то, о чем мы можем только мечтать. А мы? Завидуем. Отправляемся за ними в долины, глубины и трясины. Тратим лучшие годы жизни и фамильное наследство на поиски их секретов. Что мешает нам повторить их успех? Наши следующие герои гораздо лучше, чем люди, продвинулись в нанотехнологиях — это микроскопический жук и невидимая паразитическая оса.

Бойцы невидимого фронта

Со времен Левенгука люди уже успели привыкнуть к мысли, что мир вокруг них населен множеством организмов, разглядеть которых невооруженным глазом невозможно. Обычно в их роли выступают бактерии («И это все на твоих немытых руках!») или одноклеточные животные и растения («Ну-ка, кто там в грязной воде живет?»). Но можем ли мы себе представить, что незримое создание будет бегать, летать и обладать сложным поведением? Таких невидимок-насекомых открывают все больше и больше. Сразу же встает вопрос: могут ли они жить полноценной жизнью насекомого, невзирая на свой размер? И чем им приходится пожертвовать ради исчезновения с радаров хищников?

Наш первый герой — наножук (по паспорту Scydosella musawasensis). Живет в Южной Америке, питается жидкостью с поверхности грибов. Средний размер — 338 микрометра, то есть треть миллиметра. Меньше него — только паразитические насекомые, такие как оса Megaphragma mymaripenne — 200 мкм. Она относится к группе наездников, то есть откладывает яйца в личинки других насекомых, которые, в свою очередь, живут в листьях растений. Объекты такого размера человеческий глаз не видит без специального контрастирующего фона (например, яркой подсветки).

Scydosella musawasensis (слева) и Megaphragma mymaripenne (справа). Изображения: Alexey A. Polilov / Zookeys, PLoS One / CC BY4.0

Одно из самых известных одноклеточных животных — инфузория туфелька — может достигать 300 мкм в длину. То есть целая паразитическая оса, состоящая из тысяч клеток, меньше, чем одна-единственная инфузория. И равна по размеру примерно четырем средним клеткам человека. Отдельный интересный вопрос заключается в том, как таких животных обнаруживать и изучать. Если бактерий можно обнаружить в мазке с поверхности, а водоросли — в капле воды, откуда они не убегут, то как быть с летающими насекомыми? Наножука и наноосу можно найти, изучая под микроскопом грибы и растения, на которых они живут. И это только потому, что мы уже знаем, что они там могут быть. В то же время множество других микроскопических насекомых, живущих вокруг нас, нам, вероятно, еще незнакомы.

Изображение: Анатолий Лапушко

Как выглядят микроскопические биороботы и зачем они нужны

Человек и микромир — слабо совместимые вещи. Для интеллекта естественного происхождения возможен единственный вид носителя — сравнительно крупный макроорганизм, обладающий сложным мозгом из триллионов нервных клеток. Такому существу для выживания не нужно знать, что происходит на пару этажей ниже — в микромире, среди суетливо копошащихся инфузорий и бактерий. Но чего только не может добиться любопытство, помноженное на стремление жить еще дольше и лучше, да еще и сдобренное возможностями современных технологий!

До недавнего времени природа обладала абсолютной монополией на создание систем микро- и нанометрового масштаба. Но мы полны решимости оспорить ее безусловное лидерство в этой весовой категории. Роботы, сравнимые по своим размерам с бактериями или, на худой конец, с клетками крови и способные самостоятельно передвигаться внутри человеческого тела, произвели бы настоящую революцию в медицине. Такое устройство могло бы легко добраться до самых труднодоступных участков тела человека без травматичных разрезов, неизбежных в классической хирургии. Еще большие перспективы открываются в направленной доставке лекарств: например, токсичные химиотерапевтические препараты можно было бы доносить непосредственно до опухоли, даже если она расположена в самом неудобном месте.

Вот только на пути создания таких систем стоит куча препятствий. Стоит начать с того, что внутри нашего плотно скомпонованного организма практически нет свободного места для передвижения. Кости, мышцы, да и все остальные твердые ткани тела становятся непреодолимым препятствием для микромашин. Единственную возможность для направленного движения дают полости, заполненные биологическими жидкостями, — сосуды кровеносной и лимфатической систем, желудочно-кишечный тракт, спинномозговой канал и желудочки головного мозга, межклеточные промежутки в тканях.

Но и само по себе передвижение микромашин в биологических жидкостях — очень непростая задача. Объекты микрометровых размеров обладают очень малой массой, а значит, и инерцией. Это выводит на первый план взаимодействие его поверхности с молекулами окружающей жидкости (строго говоря, тут работает вездесущее правило соотношения объёма и площади поверхности). При движении вперед ему приходится буквально протискиваться через молекулы окружающей жидкости, противостоя силе вязкого трения. А вязкость большинства биологических жидкостей довольно велика — например, для крови эта величина в 3—6 раз больше, чем для воды. Кроме того, на микрометровых масштабах намного более значительную, но, к счастью, не главную роль начинает играть броуновское движение. Случайные и абсолютно непредсказуемые удары молекул с разных сторон начинают влиять на движение нашей микроподлодки, хотя опыты и показывают, что доминирующей силой броуновское движение становится в еще меньших масштабах — для нанобъектов размером от 600 нанометров и меньше.

То есть для того, чтобы наш микроробот плыл туда, куда нам нужно, необходимо постоянно прикладывать к нему силу и задавать направление движения. Как же это сделать? Двигатель должен обладать достаточным запасом топлива, которое вряд ли удастся поместить внутрь миниатюрной машины. За годы исследований было предложено множество остроумнейших конструкций, призванных решить эту проблему. Это и микроботы, толкаемые вперед звуковым давлением, которое создается ультразвуковыми волнами, и даже настоящие микроракеты из платинового катализатора, разлагающие перекись водорода и мчащиеся вперед на шлейфе из пузырьков кислорода. Большинству этих технологий очень далеко до практического применения, и часто основную роль в этом играет чересчур высокая стоимость аппаратов. Но что если при изготовлении наших микророботов использовать природных микробов? Раз уж мы не можем превзойти эволюцию, может, стоит сразу взять готовое, слегка подправив под свои нужды?

Биологи научились очищать инфицированные клетки от генов ВИЧ

Комплекс Cas9 с РНК-гидом

Генетики показали возможность глубокого редактирования генома зараженных ВИЧ иммунных клеток. Использование новых технологий CRISPR/Cas9 позволяет удалить из него все вирусные гены – и, более того, надежно препятствует их повторному встраиванию. О работе рассказывает публикация в журнале Scientific Reports.

 Несколько лет назад команда Кэмеля Кхалили (Kamel Khalili) уже демонстрировала способность технологий CRISPR/Cas9 обнаруживать встроившийся в хромосомы клеток геном вируса по характерным длинным концевым последовательностям – и успешно вырезать его. В своей новой работе ученые из Темпльского университета вновь использовали CRISPR/Cas9 для удаления ВИЧ из зараженных Т-лимфоцитов, показав, что система позволяет вырезать все до единой копии вирусного генома и препятствует его повторной встраиванию в хромосомы.

В экспериментах использовали линию несущих CD4-рецепторы человеческих Т-лимфоцитов – обычную мишень вируса иммунодефицита. Их геном содержал многочисленные копии модифицированного ВИЧ, лишенные части вирусных генов. Кроме того, один из генов ВИЧ был заменен геном флуоресцентного белка. Это позволило наглядно отслеживать работу вируса: при активации его в клетке вырабатывались флуоресцирующие молекулы. Внесение в такие клетки генов Cas9 не сказывалось на функционировании вируса, однако при экспрессии РНК-гидов они начинали связываться с генами ВИЧ, вырезая их из генома.

Полное секвенирование ДНК экспериментальных клеточных линий показало, что первоначально в нем содержались четыре связанные с ВИЧ вставки на 1-й и 16-й хромосомах, и все они были точно и успешно вырезаны CRISPR/Cas9-системой. Более того, если экспрессия генов Cas9 и РНК-гидов в клетке продолжалась, они эффективно защищали ее от повторного заражения и встраивания вируса в ДНК.

Колыбель для блошки. Три истории о биологическом оружии

Сотрудники Отряда 731 в защитной одежде

Два одеяла и платок

Биологическое оружие появилось на территории США еще до того, как появились сами штаты. Его изобретателем считается британский генерал Джеффри Амхерст, предложивший использовать против восставших в 1763 году индейцев зараженные оспой одеяла. Эта история довольно хорошо известна — к примеру, она упоминается в фильме Джима Джармуша «Мертвец». Существенно меньше известны масштаб и обстоятельства применения этого биологического оружия.

Эпизод с зараженными одеялами обязан своей известностью двум американским историкам — Френсису Паркману (Francis Parkman) и Говарду Пекэму (Howard H. Peckham). Оба они основывают свои выводы на переписке между генералом Амхерстом, командиром Южного отделения британских войск полковником Генри Буке, начальником форта Питт (будущего Питтсбурга) Симеоном Экуэром и другими британскими военными во время восстания Понтиака. Переписка, касающаяся этого эпизода, собрана Бернардом Кнолленбергом (Bernhard Knollenberg) в его статье 1954 года. О ней также можно почитать в работе Питера д’Эрико.

Портрет Джеффри Амхерста работы Джошуа Рейнолдса

Подходила к концу Семилетняя война, в Северной Америке известная как франко-индейская. Восстание делаваров и других сочувствующих племен в 1763 году поставило британские войска в тяжелое положение. К июлю под натиском индейцев армия потеряла несколько фортов, а в отдельных из них вспыхнула оспа. В письме к генералу Амхерсту, Буке пишет о такой вспышке в форте Питт. Из этого письма мы узнаем, что управляющий фортом капитан Симеон Экуэр распорядился построить для больных госпиталь. Именно этот госпиталь и стал источником тех одеял, которые сейчас известны любому американцу.

По данным Кнолленберга, впервые в сохранившихся документах о возможности применения оспы против индейцев упоминает Уильям Трент. Он торговал мехом, а во время Семилетней войны в Северной Америке занимался строительством фортов, поддержкой дорог и, по мере возможности, бизнесом. Во время осады форта он был главой местного ополчения.

24 июня 1763 года Трент делает в своем журнале запись о визите в осажденный форт Питт двоих индейцев-переговорщиков:

«Из уважения мы отдали им два одеяла и платок из госпиталя. Я надеюсь, это возымеет должный эффект». 

В официальном отчете об этом визите про одеяла (в отличие от еды и алкоголя) ничего не сказано.

В следующий раз об оспе упоминает уже сам Амхерст в приложении к письму Буке. Седьмого июля он пишет: 

«Нельзя ли каким-либо образом организовать распространение оспы среди незатронутых [ею] племен индейцев? В текущей ситуации мы должны использовать любую уловку, чтобы уменьшить их [количество]». 

Буке отвечает, что готов провернуть операцию с одеялами из госпиталя, и в дополнение предлагает травить индейцев английскими  гончими. Идею с одеялами Амхерст одобряет, а по поводу гончих отвечает, что «Англия слишком далеко». Буке обещает выполнить все распоряжения, но даже не упоминает об одеялах в письме начальнику форта. После 19 июля в переписке военных о зараженных одеялах больше нет ни слова.

При чтении писем становится очевидно, что британцы вообще не воспринимали индейцев как людей, говоря о них как о «заразе», которую надо непременно «вырвать с корнем». Амхерст убеждает своих подчиненных не брать пленных, ни в чем не доверять индейцам и сделать все для их полного уничтожения. Что же касается планов по использованию против врага оспы, то они скорее говорят об отчаянии на фоне отступления и остаются такими же фантастическими, как и намерение травить индейцев гончими.

Передача зараженных оспой одеял

Фактически, приходит к выводу Кнолленбер, документальные свидетельства «применения» оспы британцами сводятся к тем самым двум одеялам и платку, которые Трент (или кто-то другой из населения форта) по собственной инициативе подарил переговорщикам. Хотя военные обсуждали и даже одобрили возможность использования против индейцев зараженных вещей, нет свидетельств того, что они эти планы осуществили или попытались осуществить.

В Китае ребенок родился спустя четыре года после смерти родителей

В Китае ребенок родился спустя четыре года после гибели его родителей в автокатастрофе. Как сообщает газета The Guardian, еще в 2013 году супруги Шен и Лиу заморозили четыре эмбриона, рассчитывая завести ребенка с помощью процедуры ЭКО. Однако за пять дней до визита к врачу они попали в смертельное ДТП.

После гибели пары родители Шена и Лиу обратились в суд с просьбой, чтобы им разрешили использовать оставленные их детьми эмбрионы, которые хранились в больнице города Нанкин. Подобных прецедентов еще никогда не было в истории страны. После долгого судебного разбирательства разрешение было получено.

Это стало первым в истории Китая случаем наследования замороженных эмбрионов. Однако возникла другая проблема: в Китае запрещено суррогатное материнство, поэтому дедушки и бабушки доставили эмбрион в Лаос, где такая практика разрешена. Причем, поскольку контейнер с жидким азотом не бралась транспортировать ни одна авиакомпания, его пришлось везти в автомобиле.

Что такое крионика и можно ли найти бессмертие в жидком азоте

Прошло более полувека с того дня, когда в Калифорнии крионировали тело первого человека, охладив его до температуры ниже -70 градусов Цельсия. Этим человеком стал Джеймс Бедфорд, профессор психологии Калифорнийского университета. Бедфорд, неизлечимо больной раком, откликнулся на предложение Крионического общества Калифорнии, которое обещало бесплатно заморозить тело первого добровольца после его смерти. С тех пор тело Бедфорда пребывает в охлажденном состоянии в жидком азоте в ожидании, когда наука разовьется настолько, что сможет подарить ему еще один шанс на жизнь. За прошедшие с тех пор 51 год крионика значительно развилась и даже превратилась в бизнес, а счет замороженных людей, ожидающих воскрешения, идет уже на многие десятки. О том, что это за явление и какие сложности стоят на пути замораживания целых организмов с перспективой их последующего возвращения к жизни, рассказывает биолог и научный журналист Александр Ершов.

Представьте, что у вас есть любимая бабушка, которая в последнее время чувствует себя совсем нехорошо. У бабушки тяжелое наследственное заболевание, вызванное хорошо известной медикам единичной мутацией. И хотя о механизме возникновения и развития болезни известно почти все, лечить ее наша несовершенная медицина пока не умеет. И вот, регулярно натыкаясь на новости о геномном редактировании, о ДНК-вакцинах и первых успехах тестирования системы CRISPR/Cas9, вы понимаете, что еще буквально каких-то 20–30 лет и ваша бабушка могла бы, получив небольшой курс ДНК-терапии, выздороветь. Однако, как мы и договорились изначально, бабушка чувствует себя плохо уже сегодня и никаких 20–30 лет в запасе у вас нет.

Очевидно, что самым логичным выходом из ситуации было бы как-то выиграть время, «заморозив» течение болезни. Например, заморозить бабушку в буквальном смысле — ее тело можно сохранить до лучших времен в жидком азоте с расчетом на то, что в будущем любой недуг, каким бы тяжелым он ни был, медики смогут вылечить. Сделать заморозку при жизни невозможно юридически (да и бабушка против), но уже сегодня можно распорядиться, чтобы после констатации факта смерти тело как можно быстрее было сохранено для будущего.

Компании, которые предлагают такие услуги, уже есть. Причем не только где-то там в США, но и, например, в Подмосковье. Компания «КриоРус», хранилища которой расположены в Сергиевом Посаде, занимается этим уже много лет и за какие-то 36 тысяч долларов готова обеспечить бессрочное хранение всего тела. Если это покажется вам дорого, то за смешные 15 тысяч долларов можно сохранить отдельно голову или мозг. Кроме того, компания готова предоставить своим клиентам даже рассрочку или ежегодный абонемент. Согласитесь, было бы странно не воспользоваться такой доступной услугой, тем более что единственная альтернатива в данном случае — это смерть, похороны и окончательный распад.

В примере с гипотетической бабушкой такое решение действительно кажется наиболее логичным и простым. И многие люди, сталкивающиеся с подобной дилеммой не гипотетически, а вполне реально, решаются на этот шаг. Сегодня их счет идет уже на сотни человек.

Детям в Китае вырастили новые уши из их собственных клеток

Команда китайских ученых вырастила уши для пятерых детей с недоразвитием ушной раковины из собственных клеток этих детей и успешно пересадила их маленьким пациентам

О результатах исследователи рассказали в статье в журнале EBioMedicine.

Участниками эксперимента стали дети 6-9 лет, рожденные с патологиями развития ушной раковины. Для создания новых ушей ученые использовали собственные хондроциты детей - клетки хрящевой ткани.

С помощью компьютерной томографии была разработана 3D-модель будущего уха и создан каркас для его выращивания. В процессе каркас был постепенно полностью замещен хондроцитами. Сама технология была разработана еще несколько лет назад, но настолько эффективное применение нашла только сейчас. С момента пересадки ушей детям прошло уже 30 месяцев, что указывает на возможность долгосрочных результатов.

Акула: уникальная структура кожи

Акула — уникальный пловец, быстрый и бесшумный, и таких результатов она достигла во многом благодаря уникальной структуре кожи. Кожа акулы покрыта крошечными чешуйками (кожными зубчиками), которые представляют собой дентиновые пластинки с рельефной поверхностью. Каждая пластинка оканчивается выступающим эмалевым шипом, внутри у нее, как у настоящего зуба, есть кровеносные сосуды и нервные окончания. У разных видов и даже у разных представителей одного вида форма чешуек варьирует. На плавниках и туловище акулы зубчики тоже разной формы.

В последние годы ученые активно интересуются тем, как шероховатая чешуя влияет на сопротивление воды. Этой проблемой несколько лет занимаются специалисты Гарвардского университета под руководством профессора Джорджа Лаудера (George Lauder). Ученые анализировали стационарные модели чешуи, а также гидродинамические свойства кусочков реальной кожи.

Эти эксперименты показали, что шероховатость улучшает гидродинамические свойства поверхности, но, увы, исследователи не могли изменять структуру чешуек и, следовательно, детально изучать влияние разных параметров на скорость плаванья. Так, в экспериментах с натуральной акульей кожей они использовали в качестве контроля отполированные лоскутки со сточенными чешуйками. Однако обработанная поверхность все равно оставалась шероховатой, «гладкого» контроля исследователи не добились. Поэтому они приняли решение изготовить искусственную кожу, состоящую из жестких зубчиков, прикрепленных к гибкой мембране, и испытать ее в разных гидродинамических условиях. В этом случае форму и структуру чешуек можно изменять, а чистую мембрану использовать для сравнения.

Клоны и «Закон Шестого дня»

Помните фильм «Шестой день»?

В начале третьего тысячелетия самым суровым Законом стал «Закон Шестого дня». Он запрещал клонирование людей и создание искусственных копий человека. Но огромная подпольная империя вопреки запрету выращивает человечество нового будущего, сотни управляемых теней… 

 Но, возможно, это уже является реальностью?

Исследователи превратили бактерию в молекулярный магнитофон

Если превратить бактерию в микроскопический регистратор данных, это позволит собирать информацию буквально обо всём: например, для диагностики болезней или мониторинга окружающей среды.

Эта мысль давно не даёт покоя учёным, и вот теперь команда из Медицинского центра Колумбийского университета (США) осуществила смелые мечты. Исследователи взломали иммунную систему бактерий кишечная палочка (Escherichia coli) и превратили их в "молекулярные магнитофоны". Таким образом специалисты смогут в буквальном смысле записывать и отслеживать всё, что происходит в организме человека и не только.

Авторы выбрали для работы обычный штамм кишечной бактерии E. coli. Чтобы модифицировать микроорганизм, они воспользовались технологией CRISPR-Cas.

Поясним, что система CRISPR представляет собой особые локусы бактерий из прямых повторяющихся последовательностей ДНК. При наличии генов Сas эти локусы помогают бактериям вырабатывать иммунитет под постоянным натиском вирусов в их среде. CRISPR копирует фрагменты ДНК врага и генерируют из них короткие последовательности, которые постепенно накапливаются.

Такая "антивирусная библиотека" нужна, чтобы при повторных атаках патогенов будущие поколения микроорганизмов смогли выжить: CRISPR-Cas тут же распознает патоген и устранит.

"Система CRISPR-Cas является естественным биологическим запоминающим устройством. С инженерной точки зрения это просто прекрасно, потому что мы имеем уже готовый механизм накопления и хранения информации, который совершенствовался в ходе эволюции", — рассказывает ведущий автор исследования Харрис Ван (Harris Wang).

Несмотря на то, что технология редактирования генов уже используется для борьбы с различными болезнями, у неё остаётся огромный нереализованный потенциал – запись и хранение информации, говорят эксперты. Кстати, преимущество биологических "ДНК-накопителей" заключается в огромной плотности хранимой информации, а также долговечности: информация на них может храниться тысячелетиями.

Ранее инструмент редактирования генов CRISPR уже помог учёным превратить ДНК бактерий в "жёсткий диск" и записать на него видео. Но в новой работе учёные пошли иным путём.

Они модифицировали фрагмент ДНК под названием плазмида. Это небольшая молекула, которая содержит гены, повышающие устойчивость бактерии к неблагоприятным внешним факторам.

Специалисты наделили плазмиды двумя различными функциями. Одна группа превратилась в "хронометр" и начала регулярно копировать спейсерную последовательность в локус CRISPR. Вторая группа также предназначена для копирования, но лишь когда бактерия обнаруживает специфический внешний сигнал.

В отсутствие такого сигнала работает только плазмида-рекордер, а если микроорганизм получает сигнал, то активизируется и вторая плазмида, добавляя свои последовательности.

В итоге получается смесь из записанных последовательностей – временных и сигнальных. А учёные могут изучить локус CRISPR и при помощи вычислительных инструментов "прочитать" записи, а также определить время, в которое они сделаны.

Тела грядущих дней: прошлое, настоящее и будущее киборгов в девяти вопросах

Лет тридцать назад киборгов было принято бояться. То ли люди, дополненные машинами, то ли машины, оживленные людьми, они представлялись жестокими, всесильными и абсолютно неизбежными — такими стопроцентными обитателями недалекого будущего. Реальность распорядилась иначе. Теперь управляемые силой мысли кибернетические протезы помогают инвалидам, а эксперименты энтузиастов с вживлением компьютерных чипов, расширяющих обычные возможности людей, вызывают скорее удивление, чем страх. Почему так получилось и что будет дальше, мы пофантазировали с тремя людьми, близкими к миру киборгов.

Найджел Акланд (Nigel Ackland) работал металлургом на одном из лондонских заводов. Несколько лет назад в результате несчастного случая он лишился правой руки, которая была ампутирована по локоть. После этого Найджел несколько лет пользовался обычными протезами, пока компания RSLSteeper не предложила ему поучаствовать в испытаниях бионической руки BeBionic 3.0, управляющейся силой мысли. Устройство считывает нервные импульсы из верхней, ампутированной части руки, обрабатывает их и преобразует в сигналы, управляющие движением роботизированных мышц. Найджел с помощью своей кибернетической руки может справляться только со сравнительно простыми задачами: завязать шнурки, разбить яйцо в яичницу, налить бокала пива. Но без протеза, по его словам, он уже чувствует себя абсолютно беспомощным.

Валерий Спиридонов — программист из Владимира. Валерий с раннего детства страдает от спинальной мышечной атрофии — врожденного генетического заболевания, приводящего к патологическому ослаблению мышц. Сейчас он может поднимать грузы не тяжелее нескольких сотен граммов и передвигается только на инвалидной коляске. Средняя продолжительность жизни при таком заболевании, по словам Валерия, не превышает двадцати лет. Поэтому в 2015 году он вызвался стать первым добровольцем в опытах итальянского хирурга Серджио Канаверо, готовящего операцию по пересадке головы человека на тело погибшего донора. Сейчас состояние этого проекта не ясно: скорее всего, первые операции Канаверо проведет в Китае и, соответственно, первыми пациентами хирурга будут китайцы. Операцию планируется провести в декабре 2017 года, но с Валерием по поводу этого времени и необходимой подготовки пока никто не связывался.

Ольга Левицкая, нейробиолог, CEO Cyber Myonics, аспирант НИУ ВШЭ. Главный разработчик и испытатель кибермионического костюма CyberSuit, использующегося для считывания и воспроизведения движений и ощущений. Три года назад Ольга в результате рассечения нерва потеряла возможность двигать частью левой руки. Тогда она собрала команду разработчиков, вместе с которыми была создана кибермионическая перчатка. С ней, по словам Ольги, ей удалось не только вернуть подвижность руки, но еще и научиться играть на контрабасе с нуля за 21 день. Перчатка сначала «записывала» движения профессионального музыканта, а потом подавала аналогичные нервные импульсы на неподвижную руку Левицкой, замещая деятельность травмированного нерва. Сейчас в Cyber Mionics разрабатывают несколько версий киберкостюмов для разных нужд, однако для потребителей пока доступны только костюмы для ускоренного освоения игры на гитаре и барабанах.

Найджел Акланд и Валерий Спиридонов.

Фотография из архива Валерия Спиридонова

• Деревянные ноги у пиратов, крюки — есть ощущение, что раньше отношение к протезам, не похожим на части человеческого тела, и вообще отношение к увечьям было нейтральнее. Они принимались почти как норма для некоторых профессий. Теперь же, кажется, каждый человек, лишившийся на производстве, например, пальца или фаланги пальца хочет получить протез, максимально похожий на настоящий палец. С чем это связано, по вашему мнению? С техническим прогрессом, принесшим новые возможности? С усложнением жизни, где тяжело справиться без пальца? Или с повышенным социальным давлением?

Акланд: Я бы не сказал, что отношение к крюкам и увечьям было нейтральным. По опыту последних десяти лет, которые я прожил с ампутированной конечностью, отношение к ним было очень негативным. На меня глазели, показывали пальцем, избегали, надо мной смеялись, кричали и оскорбляли. Со мной разговаривали, как с умственно отсталым, и все потому, что я потерял руку в результате несчастного случая.

Мне кажется, что мы осознаем свою смертность, глядя на другого. Когда вы видите кого-то вроде меня — человека без руки или с крюком — это суровое напоминание о том, как легко ломаются наши тела. Вы не думаете, что такое может случиться с вами, пока не встретите такого, как я. И вот вы уже ставите себя на мое место, представляете, как бы на вас смотрели прохожие — точно так же, как вы разглядываете меня. Только тогда вы понимаете, что это может случиться и с вами. Пугающая мысль, правда?

Технологии наподобие моей бионической руки меняют отношение людей к тому, каково это — быть ампутантом. Люди больше не воспринимают меня умственно отсталым. Они видят мою руку, как я «естественно» и легко ее контролирую, и страх исчезает. Люди — социальные животные, и без принятия окружающих мы превращаемся в изгоев, а жизнь может быть очень жесткой. Эта технология возвращает нам принятие, она делает ампутацию приемлемой. Если бы экзокостюмы были доступнее, я думаю, что такое же принятие получили бы и инвалиды-колясочники.

Социальное давление не заставляет меня носить протез — у меня есть выбор. Технология дает мне выбор, и я выбираю протез потому, что он дает мне чувствовать себя цельным, а вам — не пугаться моего вида. Беспроигрышная ситуация.

Спиридонов: Человек, который стоит перед выбором: восстанавливать ли ему потерянный палец или нет, и без всякого социального давления заинтересован в операции, потому что с потерей каждой части тела мы теряем какую-то часть своих функций. Я не думаю, что влияние общества здесь велико. Тем более мы видим, что сейчас люди приходят к достаточно замкнутой жизни, когда каждый может найти себе развлечение в гаджете или в интернете, — любое влияние социума сейчас скорее ослабевает, чем возрастает.

Другое дело — развитие технологий. Сегодня имплантаты можно делать уже не такими страшными и уродливыми, как крюки пиратов, а вполне эстетически приемлемыми. Даже красивыми, вызывающими зависть. Развитие технологий привело к тому, что теперь люди вживляют в себя различные чипы уже не по медицинским показателям, а из тяги к экспериментам. Сегодня это уже не пугает.

10 научно-фантастических технологий, приближающих нас к бессмертию

Средняя продолжительность жизни постоянно увеличивается, поскольку мы улучшаем наши познания в медицине и всё больше узнаем о премудростях нашего тела. Мы уничтожили болезни, обнаружили эффективные лечения для тех, что не смогли уничтожить, и выяснили, как продлить жизнь больным, болезни которых мы ещё не научились лечить. Сегодня мы, благодаря технологиям, стали ещё ближе к бессмертию, а сами технологии словно взяты прямо из научной фантастики.

1. Фабрики крови

Кровь так важна для нашего выживания, что стала метафорой. Все мы стали "кровью нации", потому что нация без людей просто невозможна, как человек без крови. Чрезмерная потеря крови быстро приводит к смерти, таким образом, переливание крови основной медицинский инструмент, для таких больных. Есть две главных проблемы с переливанием крови. Прежде всего, донорская кровь должна быть сдана другими людьми, что может привести и приводит к дефициту. Второе - то, что у всех разные группы крови, и переливание неправильной группы крови приведёт к атаке иммунной системы на донорскую кровь, которую она посчитает чужеродной, что в свою очередь повлечет множество проблем.

Науке удалось решить обе эти проблемы, производя эритроциты универсального типа O- (которые можно переливать абсолютно всем). Это - первый раз, когда кровь была создана в лаборатории, и это может стать концом донорства крови и началом промышленного производства крови.