Метка: Биология и медицина

Криосохранение – это процесс, при котором клетки всех живых тканей сохраняются при отрицательной температуре. В разработке этой технологии были достигнуты значительные успехи. Самым выдающимся достижением считается эксперимент, при котором лабораторная мышь выжила после заморозки при температуре  −196°C.

Самой серьезной задачей, которую предстояло решить, было устранение повреждения клеток в процессе кристаллизации при заморозке. В первое десятилетие двадцать первого века проблема была всесторонне решена за счет разработки криопротекторов, позволяющих осуществлять полное стеклование. Другими словами, сохраняемое тело становится больше стеклом, чем кристаллом.

Однако оставался нерешенным также ряд других проблем. Среди них можно отметить токсичность криопротекторов, а также появление трещин, вызванное термальными напряжениями. В последующие десятилетия ускоряющиеся научные исследования привели к появлению более совершенных и успешных методик, что, в конце концов, позволило оживить мышь после глубокой заморозки.

Хотя до криосохранения человека пройдет еще много времени (поскольку это также чревато возникновением этических, правовых и социальных барьеров), но, тем не менее, оно уже становится реальностью. Когда-то криосохранение считалось выдумкой научных фантастов, а теперь стало популярной темой современной научной литературы. Множество новых стартап-компаний предлагают «замораживать» клиентов для того, чтобы пробудить их уже в будущем.

More…

Первое полное моделирование одного нейрона было совершено в 2005 году. За этим последовала неокортикальная колонка с 10 000 нейронами в 2008 году, а затем кортикальная мезосхема с 1 000 000 нейронов в 2011 году. Позднее было проведено моделирование мозга мышей, содержащее десятки миллионов нейронов.

К 2025 году экспоненциальный рост вычислительных мощностей и данных позволил сформировать точные модели каждой части человеческого мозга и его 100 миллиардов нейронов. В период между 2000 и 2025 вычислительные способности компьютеров выросли в миллион раз наряду со значительным увеличением разрешающей и пропускной способности сканирования. Как и в случае с проектом “Геном человека”, в научном сообществе было много людей, которые сомневались, что мозг может быть нанесен на карту так быстро. И вновь они не смогли объяснить экспоненциальный (а не линейный) рост информационных технологий.

Хотя теперь можно сканировать и картографировать весь человеческий мозг вплоть до уровня нейронов, анализ огромных объемов данных, которые он содержит, и использование их для полного понимания его работы займет гораздо больше времени. Тем не менее, это представляет собой важную веху в неврологии и ведет к увеличению финансирования борьбы с различными заболеваниями, связанных с мозгом.

More…

Общая численность населения приближается к 8 миллиардам, и мировой спрос на продукты питания продолжает увеличиваться. Однако в то же время серьезные изменения климата вместе с другими экологическими факторами оказывают большое влияние. Засухи, опустынивание и рост непредсказуемости дождей приводят к уменьшению урожайности во многих странах, тогда как сокращение запасов органических топлив делает содержание крупных коммерческих хозяйств еще более дорогим. Десятилетия повсеместного применения пестицидов и избыточный полив также сыграли свою роль. США, например, теряет почти 3 тонны верхнего слоя почвы с каждого акра земли в год. Это в 10-40 раз превосходит скорость естественного восстановления. При сохранении такой тенденции уже к 2070 весь верхний слой почвы исчезнет. Так как ситуация только ухудшается и цены на продукты питания увеличиваются, то современный мир приближается к настоящему глобальному кризису.

Среди нарастающего чувства неотложности и паники появилось несколько потенциальных решений. Одна из таких инноваций – вертикальные фермы. Огромные количества ресурсов и земли, необходимые для традиционного сельского хозяйства, заменяются одной вертикальной конструкцией, где культуры располагаются друг над другом, как этажи в здании. Первая коммерческая вертикальная ферма открылась в Сингапуре в 2012. К 2020 они уже широко распространены по всему миру, и различные модификации вертикальных ферм существуют почти во всех городах.

Вертикальная ферма обладает рядом преимуществ. Например, городская площадь в 1,32 гектара может производить такое количество продовольствия, для которого понадобилось бы 420 гектаров земли при обычном способе ведения сельского хозяйства. Этого хватит, чтобы накормить десятки тысяч жителей. Примерно 150 таких зданий по 30 этажей каждое может потенциально обеспечить постоянное снабжение продовольствием всего населения Нью-Йорка. В последнее время использование генетически модифицированных культур значительно увеличилось. Они прекрасно подходят для замкнутых, хорошо контролируемых условий вертикальных ферм. Возможность продавать продукты на месте их производства – еще одно преимущество вертикальных ферм. Городское сельское хозяйство значительно снижает энергетические затраты,  связанные с транспортировкой и хранением продуктов, а также обеспечивает доступ к свежей и натуральной еде для городских жителей.

Другое важное достоинство вертикального сельского хозяйства – его автономность. Для получения электрической энергии используются солнечные панели и ветрогенераторы, расположенные в самом здании фермы. Стеклянные панели, покрытые оксидом титана, надежно защищают растения от загрязняющих веществ. Их расположение специально спроектировано для обеспечения максимального уровня естественного освещения. Кроме того, при необходимости есть возможность использования искусственного освещения. Сельскохозяйственные культуры растут на гидропонике и аэропонике, что значительно уменьшает требуемое пространство, количество почвы, воды и удобрений.

Компьютеры и автоматика осуществляют интеллектуальный контроль и управление всеми системами и ресурсами. Разбрызгиватели воды, уровень освещения и температуры управляются через автоматические системы, расположенные на каждом уровне. Условия могут специально настраиваться для каждого отдельного вида растения. Возможно воссоздание различных погодных условия, смены сезонов, а также смены дня и ночи. Некоторые наиболее совершенные башни используют роботов для сбора урожая. Испаряющийся избыток воды попадает в конденсаторы на потолке каждого уровня, после чего вода направляется по трубам в соседние резервуары. Затем эта вода многократно используется, образуя замкнутый цикл орошения. Любое необходимое для фермы количество воды может быть отфильтровано из городской канализационной системы.

Вертикальные фермы также выгодны и для экологии. Полностью контролируемая система сохраняет и перерабатывает не только воду, но также почву и удобрения, например, фосфор. Таким образам экологический ущерб снижается на несколько порядков по сравнению с классическими методами ведения сельского хозяйства. Вдобавок ко всему уменьшение нужды в пахотных землях помогает сократить вырубку лесов и прекратить разрушение естественной среды обитания. Вертикальные фермы также могут быть использованы для выработки электроэнергии: непригодные в пищу органические элементы превращают в биотопливо при помощи ферментализаторов метана (метантенков).

More…

3D печать была впервые разработана в середине 1980-х годов и первоначально использовалась в промышленных целях, например, для быстрого прототипирования продукции или деталей. Её стоимость значительно снизилась в течение 2010-х годов и стала доступна гораздо более широкому кругу пользователей.

Пожалуй, самые значительные прорывы происходили в области здравоохранения и медицины. Индивидуальные, 3D-печатные части тела спасали жизни людей, можно было “напечатать” искусственные челюсти, биорезорбируемую шину для дыхания, части черепа и многое другое. Также печатались некритические для жизни элементы тела, например, зубные имплантаты и экзоскелеты, для помощи человеку с мобильностью и подвижностью суставов.

3D печать уже не ограничивается неорганическими материалами, как полимеры и металлы. Она была адаптирована для построения живых, биологических систем. Слой за слоем клетки, отделившись от головок принтера, могут быть размещены именно там, где надо с точностью до микрона. Изначально продемонстрировав на простых компонентах, таких как кровеносные сосуды и ткани, разработчики биопечати смогли сочетать более сложные и большие структуры. В конце концов, первый целый орган был разработан с достаточным количеством питательных веществ, кислорода и вектором роста, чтобы лабораторная мышь смогла выжить.

К 2025 году после тестирования на животных настраиваемая 3D-печать главных человеческих органов становится впервые осуществима. Хотя ещё технология не доведена до совершенства, так как некоторые виды органов остаются слишком сложными, тем не менее, это серьезный толчок в усилиях по продлению жизни. В ближайшие десятилетия из 78 органов человеческого тела всё большее и большее количество станет доступным для печати.

More…

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.

More…

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.

More…

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.

More…

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.

More…

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.

More…