Метка: Биология и медицина

Секвенирование биополимеров (белков и нуклеиновых кислот — ДНК и РНК) — определение их аминокислотной или нуклеотидной последовательности. В результате секвенирования получают формальное описание первичной структуры линейной макромолекулы в виде последовательности мономеров в текстовом виде, что позволяет, например, использовать их для идентификации мишеней для лекарственной терапии онкологических больных.

Анализ ДНК сейчас настолько дёшев, быстр и доступен, что более миллиарда геномов человека были секвенированы по всему миру. Ещё в 1990 году, когда впервые были сделаны исследования по выявилению и сопоставлению всех 3,3 млрд пар оснований у человека – известные как проект «Геном человека» – стоимость превышала миллиарды долларов. Потребовалось более десяти лет и вовлечения многих ученых со всего мира, чтобы провести крупнейший в истории сотрудничества биологический проект.

В течение нескольких лет после завершения проекта «Геном человека», время и стоимость сократились в разы. Благодаря новым методикам чтение ДНК стало доступным для гораздо большего количества людей. Стоимость одного генома упала на порядки – от $100 млн. в 2001 году до менее миллиона долларов к 2008 году, меньше чем $10000 в 2011 году и $1,000 к 2016 году. Эта тенденция даже обгоняла закон Мура.

Секвенирование ДНК начало набирать популярность во второй половине 2010-х годов. В Великобритании, например, в 2015 году Национальная служба здравоохранения (НСЗ) предложила ставить медицинские диагнозы сначала через генетическое тестирование, а три года спустя было завершен проект «100 000 геномов». Аналогичные инициативы были предприняты во многих других странах, когда все преимущества крупных медицинских баз данных стали очевидными. Стремление к портативности и увеличению поставок тестовых наборов, например, таких, как предлагает компания “23andMe”, привело к дальнейшему ускорению этой тенденции. Помимо выявления рисков для здоровья, разработки персональных необходимых процедур лечения, можно извлечь информацию о своих предках и истории семьи.

К 2025 году было секвенировано миллиард человеческих геномов – около одной восьмой части населения земного шара. Количество геномных данных теперь достигает эксабайта (1 млн. терабайт), что больше всех видео файлов с сайта YouTube, доступных на конец 2016 года. Это создало огромный спрос на улучшенные возможности хранения информации, что привело к увеличению облачных вычислительных сетей. Объём и сложность больших объёмов данных потребовали гораздо более широкого применения для медицинских и научных целей программ ИИ, таких как IBM Watson. Среди последних достижений, выявлены тысячи генов, отвечающие за интеллект. Благодаря им представлены новые идеи и перспективы для лечения нарушений познавательных способностей. Учитывая, что генетические различия влияют на около 75% IQ человека, эти гены сыграют роль в создании супер-умных людей в отдаленном будущем.

Несмотря на достигнутый прогресс в области генетики, есть проблемы конфиденциальности и безопасности хранения в интернете такого огромного количества медицинской информации. Заголовки новостей пестрят хакерскими скандалами, связанными с кражей и продажей персональных данных. Страховые компании и другие корпорации, особенно в США, стремятся добраться до лакомовых кусочков данных, чтобы активизировать свои лоббистские интересы. Возрастает беспокойство по поводу возможной несправедливости, предубеждений и дискриминации по генетическим признакам.

Больше…

Болезнь Альцгеймера является наиболее распространенной формой слабоумия. Этим неизлечимым, дегенеративным заболеванием, ведущим к смерти, страдают более 27 млн. ​​человек по всему миру, в основном в возрасте старше 65 лет. Наиболее распространенным симптомом является невозможность приобретения новых воспоминаний и трудности осознания недавно произошедших фактов. Дальнейшие  симптомы развития болезни включают спутанность сознания, раздражительность и агрессивность, колебания настроения, речевые нарушения, потерю долгосрочной памяти и общий уход пациента в себя на фоне притупления его чувств. Функции организма постепенно утрачиваются, что в конечном итоге приводит к смерти.

До недавнего времени механизмы, вызывающие болезнь, были мало изучены. Однако, в 2011 году были выявлены гены, играющие ключевую роль в таких биологических процессах метаболизма, как развитие воспалений, отложение холестерина и клеточная транспортировка. Это  обеспечило появление новых потенциальных методов лечения в виде лекарственных средств, терапии поведенческих изменений и других. Были найдены новые способы доставки лекарств в мозг: например, с использованием в качестве носителей собственных экзосом. К настоящему моменту, по прошествии 15 лет исследований и клинических испытаний, риск развития болезни Альцгеймера сокращен более чем на 60%.

Теперь, когда твердо задано направление развития в изучении остальных генов и биологических процессов, появилась реальная надежда на возможность полноценного лечения болезни в 2030-х.

Больше…

В предыдущие десятилетия, исследователи обнаружили белок крови, называемый GDF-11. Это указывало на то, что существуют регенеративные свойства у сердечной мышцы при возрастной диастолической сердечной недостаточности. Присутствие вещества было обнаружено в больших количествах у молодых, и, в небольших количествах, у пожилых. Когда пожилым мышам вводили инъекцию с повышенным GDF-11, он имел сильное влияние на их сердца – происходило восстановление размеров сердца и мышц, толщины стенок к гораздо более раннему состоянию.

Это дало возможность лечения сердечной недостаточности и старения у людей. Серии клинических испытаний, начатых в конце 2010-х годов, подтвердили это. К 2026 году восстановление основанное на белке GDF-11 сердечной недостаточности и других недугов человеческого сердца до предыдущих состояний становится достаточно обычным делом для врачей. Вместе со стволовыми клетками и другими достижениями этого десятилетия, наука постепенно сокращает факторы, приводящие людей к смерти.

Больше…

После нескольких лет клинических испытаний, сначала проведённых на кроликах, а позже на людях, доступно новое устройство, которое может значительно улучшить мониторинг и лечение сердечных заболеваний. Используя технологию 3D-печати, создаётся ультра-тонкая мембрана, которая разрабатывается индивидуально и точно соответствует форме сердца пациента. Крошечные датчики, встроенные в сетке гибкой электроники, измеряют пульс, температуру, механические нагрузки и уровень pH с гораздо большей точностью и детализацией, чем это было возможно с помощью предыдущих методов. Врачи могут определить общее состояние здоровья сердца в реальном времени, предсказать надвигающийся сердечный приступ прежде, чем у пациента начнут проявляться какие-либо внешние физические признаки и вмешаться в случае необходимости для предоставления необходимой терапии. Само устройство может обеспечить разрядами электроэнергии в случае аритмии.

Эта электронная оболочка может быть установлена с помощью неинвазивной процедуры, путём установки катетера в вену под ребра, и затем открытия сетки, на подобие зонтика.

В настоящее время устройство подводится к внешней поверхности сердца. Однако, будут разработаны новые и более продвинутые версии, которые будут устанавливаться непосредственно внутрь сердца для лечения различных заболеваний, включая мерцательную аритмию, которая влияет на 2,5 миллиона взрослых в США и 4,5 миллионов человек, проживающих в ЕС, на которую приходится одна треть госпитализаций по причине нарушения сердечного ритма и является основным фактором риска развития инсульта.

Большой прогресс в осуществлении мониторинга, диагностики и лечения болезней сердца, благодаря этой и другим технологиям, появившимся в это время, оказывают стремительное влияние на снижение показателей смертности. В 2040-е годы число смертей в некоторых развитых странах от сердечно-сосудистых заболеваний достигнет незначительного уровня.

Больше…

В мае 2010 года ученые создали первую искусственную форму жизни. Mycoplasma Laboratorium была новым видом бактерий с антропогенным генетическим кодом, созданным на компьютере и встроенным в синтетическую хромосому внутри пустой клетки. Используя свое новое «программное обеспечение», клетка генерировала белки и производила новые клетки.

В марте 2016 года, тот же научно-исследовательский институт в США объявил о создании минимального бактериального генома, известного как JCVI-syn3.0, содержащего только необходимые для жизни 473 гена.

Несколько месяцев спустя, в июне 2016 года, учеными было официально объявлено о “Human Genome Project – Write” (также известном как HGP-Write), расширении «проекта Генома человека», целью которого – создание синтетического человеческого генома. Первоначальный проект был завершён в 2003 году и занял 13 лет, в нём принимали участие сотни лабораторий со всего мира, что являлось крупнейшим в мире примером коллаборации учёных. Результатом работы стали все основные достижения в геномном обнаружении, диагностики и терапии. В то время как оригинальный проект (HGP-Read) был предназначен для «чтения» ДНК, для расшифровки её кода, HGP-Write проект использует клеточный механизм, предусмотренный природой, чтобы «писать» новый код, создавая обширные цепи ДНК.

Геном бактерии созданный в 2016 году имел 531000 пар оснований ДНК и 473 гена. Однако, проект HGP-Write будет на порядок сложнее, содержать три миллиарда пар оснований и 20000 генов. Тем не менее, более ранние работы над бактериальными геномами проложили путь к созданию новых инструментов и полуавтоматических процессов для синтеза целого генома. HGP-Write сократил расходы на инжениринг и тестирование больших геномов в клеточных линиях более чем в 1000 раз в течение десяти лет. Наряду с этим, в настоящее время разрабатывается этическая основа биологической инженерии.

В долгосрочной перспективе благодаря проекту будут созданы трансформационные методики. Ранее возможность строить последовательности ДНК в клетках ограничивались в основном небольшим числом коротких сегментов, снижая возможность манипулировать и понимать биологические системы. После завершения проекта HGP-Write, способность синтезировать крупные части генома человека приводит к значительному прогрессу в медицине, сельском хозяйстве, энергетике и других областях – путем связи последовательности оснований в ДНК с их физиологическим и функциональным поведением. Благодаря HGP-Write возникают новые революционные направления в медицине, такие как выращивание трансплантируемых органов человека, инженерия иммунитета к вирусам в клеточных структурах, инжиниринговое сопротивление раку в клеточных линиях, а также высокоэффективные и низкозатратные вакцины.

HGP-Write предоставляет синтетически построенную ДНК для создания искусственного генома человека. В более отдаленном будущем, эта область биологии дойдёт до момента, когда полностью синтезированные люди могут быть разработаны с нуля. Новый кастомизированный «супер человек» будет в состоянии противостоять всем инфекционным заболеваниям, иметь иммунитет к радиации и вакууме в космосе. Это приведёт к глубоким этическим вопросам о природе жизни.

Больше…

В 2009 году Пиренейский козерог стал первым животным, который на семь минут перестал быть вымершим, когда клонированная самка этого животного родилась живой, прежде чем погибнуть от дефекта легких. За тем последовало «воскрешение» шерстистого мамонта, с использованием тканевых образцов из древней вечной мерзлоты. К концу 2020-х годов, были воскрешены (с различной степенью успеха) ещё несколько видов, в том числе, знаменитая птица Додо, последняя из которых была замечена в 1662 году, и дикий голубь, Ectopistes migratorius, который прошел путь от одной из самых распространенных птиц в мире в 19ом веке до исчезновения в начале 20го.

Три различных подхода были использованы для восстановления исчезнувших животных и растений:

Клонирование, в котором генетический материал извлекают из сохраненной ткани для создания точной современной копией.

Селекция, при которой близкородственные современные виды получают характерные черты вымерших родственников.

Генная инженерия, при которой ДНК современных видов редактируется до соответствия вымершим видам.

Тем не менее, поднимаются этические и правовые вопросы, такие как влияние этих «чужих» видов на современные экосистемы и возможность заболеваний. Поскольку генетика развивается столь быстрыми темпами, даже гоминиды, такие как неандертальцы, вскоре смогут быть «воскрешены».

В дальнейшем, «де-вымирание» исчезнувших видов станет важной частью восстановления биосферы Земли, в то время как будут набирать обороты глобальные усилия по восстановлению дикой природы.

Больше…

Если судить по потерянным годам жизни, депрессия теперь перегоняет заболевания сердца, и становится ведущим заболеванием на планете. Это включает в себя количество прожитых лет в состоянии болезни, и потерянных лет в результате преждевременной смерти. Основные причины депрессии включают в себя долговые проблемы, безработицу, преступность, насилие (особенно насилие в семье), войны, деградация окружающей среды и стихийных бедствий. Продолжающийся экономический застой во всем мире является главным способствующим фактором. Прогресс может привести к тому, что депрессию не будут считать психическим заболеванием.

Больше…

В настоящее время наличие готовых стволовых клеток уже не проблема. Предлагается собирать определенное количество стволовых клеток в специальных резервуарах для  дальнейшего использования в медицине во время кризиса в будущем. Дешевое, персонализированное и целевое лечения доступно для быстрой регенерации частей тела и органов.

Больше…

В традиционном сельском хозяйстве, во всех основных зерновых культурах были «ежегодные», или недолго живущие насаждения, выращиваемые в качестве однолетников – выживающие всего за один вегетационный период. Они отмирают после уборки урожая, а затем на их месте необходим совершенно новый посев. Это требует огромного количества топлива, минеральных удобрений, гербицидов и пестицидов, вызывающих эрозию, подкисление почвы, нарушая оба цикла азота и углерода.

Между 1600 и 2000 годами Соединенные Штаты потеряли примерно треть своей почвы. Во всем мире усиление эрозии почвы подвело почти миллиард людей к крайней черте, подвергая к огромному риску выживания в начале 21-го века. Более четверти Земной поверхности, были преобразованы для использования в сельском хозяйстве. С 1950 года переустроено больше земли, чем за предыдущие 150 лет. Эта ситуация усугубляется в результате быстрого роста населения, спрос на мясные продукты в странах с развивающейся экономикой, стремительный рост производства биотоплива, наряду с изменением климата и пик загрязнения почвы фосфором маячит на горизонте.

Генная инженерия возникла как важный инструмент управления растениеводства. Благодаря наиболее заметному достижению, произошедшему в 2017 году, когда проект BioCassava Plus получил одобрение регулирующих органов, давший огромный толчок развитию сельского хозяйства в Африке, к началу 2030-х годов последовал еще больший прорыв – многолетние виды пшеницы и кукурузы стали прибыльными после многих лет развития.

Многолетние злаковые культуры производят революцию в сельском хозяйстве. Они растут непрерывно в течение двух и более лет, являются гораздо более эффективными, чем традиционные однолетние культуры, требуют меньше топлива, минеральных удобрений, гербицидов и пестицидов. Они могут хранить больше углерода, поддерживать улучшение качества почвы и содержания воды, лучше управлять питательными веществами, благодаря их глубокой корневой системе.

Расшифровка генетического кода хлебной пшеницы в начале 2010-х годов помогла проложить путь к новому поколению многолетних культур. Темпы роста урожайности пшеницы, находясь в упадке начиная с 1980 года, теперь снова начали увеличиваться. Однако, сельское хозяйство столкнется с новыми проблемами позже в этом десятилетии, так как последствия изменения климата начнут заметно расти.

Больше…

Во время пандемии COVID-19 вакцины на основе мРНК стали перспективным и инновационным подходом к борьбе с вирусом SARS-CoV-2. Две компании, участвовавшие в исследованиях и разработках, — Pfizer-BioNTech и Moderna — произвели препараты, показавшие себя очень успешными, с заявленной эффективностью около 95% в предотвращении инфекций. Эти вакцины, являющиеся частью крупнейшей кампании вакцинации в истории, помогли глобальным усилиям по контролю за распространением вируса и смягчению последствий пандемии.

мРНК означает информационную РНК, тип генетического материала, который несет инструкции для клеток по производству белков. В отличие от двухцепочечной спирали ДНК, она имеет только одноцепочечную цепочку нуклеотидов. В мРНК-вакцинах против COVID-19 используется небольшой фрагмент генетического материала вируса, в частности шиповидный белок, который находится на поверхности вируса. Матричная РНК в вакцине инструктирует клетки организма вырабатывать безвредный фрагмент шиповидного белка, который затем запускает иммунный ответ, обучая иммунную систему распознавать вирус и бороться с ним, если человек заразится в будущем.

После успеха вакцин против COVID-19 в начале 2020-х годов продолжались исследования мРНК для потенциального использования в других областях здравоохранения. Ученые сообщили об огромном ускорении в этой области: 15-летний прогресс был «развернут» в течение 12–18 месяцев программы вакцинации против COVID-19.

Например, компания BioNTech разработала новую терапию на основе мРНК, вводимую в опухоли толстой кишки и меланому у мышей. Это лечение остановило рост опухоли и вызвало полную регрессию рака у 85% животных.  Позже BioNTech подписала соглашение с правительством Великобритании об ускорении клинических испытаний иммунотерапии мРНК на людях, направленных на улучшение результатов лечения рака за счет предоставления новых персонализированных методов лечения к 2030 году.

Другие компании придерживались таких же быстрых графиков, в том числе Moderna, которая в 2023 году обнародовала свой план борьбы с различными видами рака, сердечными заболеваниями и рядом редких заболеваний. Moderna намеревалась сделать ряд методов лечения на основе мРНК доступным в течение пяти лет, ожидая, что генетические причины многих заболеваний можно будет выявить и устранить «относительно просто» в течение 10 лет.

В этот период был достигнут ошеломляющий прогресс в лечении на основе мРНК, предлагая частичное или даже полное излечение от определенных заболеваний, включая несколько ранее неизлечимых.

В случае рака у пациента берут биопсию опухоли и отправляют в лабораторию, где ее генетический материал секвенируется для выявления мутаций, которых нет в здоровых клетках. Алгоритм определяет, какие мутации вызывают рост рака и могут вызвать срабатывание иммунной системы. Затем создается мРНК, содержащая инструкции по созданию антигенов, вызывающих иммунный ответ. После инъекции мРНК транслируется в белковые фрагменты, идентичные тем, которые находятся в опухолевых клетках. Иммунные клетки сталкиваются с ними и уничтожают раковые клетки, несущие те же белки.

К 2033 году эти персонализированные вакцины спасут миллионы жизней. В то время как рак в целом по-прежнему далек от полного излечения, терапия на основе мРНК является основным переломным моментом с точки зрения прогресса, при этом ряд подтипов в настоящее время относительно легко поддается лечению. РНК-мессенджер также дает надежду пациентам с сердечно-сосудистыми и аутоиммунными заболеваниями, а также с редкими состояниями, для которых не существует вариантов лечения.

Больше…