http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=17e727d8-ad6c-421d-b7e9-6a64725dbab4&print=1© 2024 Российская академия наук
Десять российских научных исследований 2021 года, которыми не стыдно хвастаться
Экспертные советы Российского научного фонда (РНФ) по просьбе “Ъ” отобрали список поддерживаемых в 2021 году грантами фонда российских научных исследований, которые считаются потенциально перспективными в своих сферах. Смысл части отобранных работ мы представляем читателям. Конечно, этим списком нельзя ограничивать все прорывные, лучшие, важные исследования уходящего года. Но это десять научных проектов, которые мы можем представить в качестве органических составляющих современной российской науки. Без сомнений, оговорок и ссылок на обстоятельства: они настоящие.
Магнитные мыши и химиотерапия
Магнитные наночастицы как средства, позволяющие доставлять лекарства в клетки организма,— очень перспективная технология в борьбе с онкозаболеваниями. Поиск наночастиц различной природы, с которыми можно было бы ассоциировать тем или иным способом биомолекулы, останавливающие целевые процессы в раковых клетках, активно ведется во всем мире, и магнитные наночастицы являются одним из главных претендентов на роль «курьеров» высокоэффективных препаратов в химиотерапии.
Впрочем, о том, что любая химиотерапия — это огромная нагрузка на весь организм, мало кому нужно объяснять, и в связи с этим вопрос о дальнейшей судьбе магнитных наночастиц в организме — ключевой. Если метаболизм самих лекарственных препаратов изучается всегда очень тщательно и известен заранее, то от судьбы «отработанных» частиц-курьеров зависит судьба всей технологии: они сами по себе должны быть безопасны и не отравлять организм. Проследить же дальнейший путь «курьера», как правило содержащего железо, чрезвычайно непросто — в организме млекопитающих много собственного железа.
Группа ученых из ИБХ РАН, МФТИ, университета «Сириус», ИОФ РАН, НИЯУ МИФИ и РНИМУ занимается именно этим — судьба магнитных наночастиц в организме животных (а именно, как это принято в медицинской науке, в живых мышах) исследуется новым спектральным магнитным методом детекции материалов. Как и предполагает теория, наночастицы-курьеры накапливаются в клеточных лизосомах, растворяясь там в кислотной среде, скорость распада зависит от структуры наночастиц, избыточное железо используется организмом так же, как и «собственное».
Результат выглядит очень банальным — выяснено всего лишь, что о какой-либо токсичности магнитных наночастиц-курьеров говорить нет оснований. Но этот результат открывает полноправную возможность развивать основную технологию, и она очень перспективна по крайней мере в онкотерапии.
И не только — так, магнитные наночастицы ученые считают перспективными для лечения некоторых форм анемии. При этом, видимо, происходящее только старт медтехнологии, границы экспансии которой сейчас просто сложно предсказывать.
Катализаторы размером с катализируемое
Увеличение глубины переработка нефти — проблема, которую в мире решают уже не одно десятилетие, и использование катализаторов в ее решении началось практически сразу. Тем не менее во многом это вопрос, имеющий прямое отношение к экономике. Переработка тяжелых фракций нефти, гудрона, с помощью катализа вполне возможна: с 1960-х годов известны и технологии, позволяющие это делать, и условия реакций, делающие гудрон сырьем для получения топлива и сырья для нефтехимии. Известна и себестоимость таких технологий: огромный расход дорогостоящих катализаторов и необходимость поддержания высоких температур и давления в процессе до сих пор приводят к тому, что гудрон предпочитают перерабатывать в нефтяной кокс — это тоже использование сырья, но компромиссное, пока нет лучшей технологии.
Она имеет высокий шанс появиться. В Институте нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева в течение нескольких лет занимаются технологией изготовления катализационных частиц, размеры которых сопоставимы с размерами молекул углеводородного сырья в тяжелой нефти и гудроне. Частицы такого размера имеют огромное преимущество — эффект «отравления катализатора», на порядок удорожающий весь процесс, при их использовании минимален, катализаторы такого рода нужны в действительно минимальном количестве (0,05% от массы перерабатываемого сырья), реакционное давление в установке на порядок ниже (до 100 атмосфер — по меркам современного нефтехимического производства это низкие давления). Процесс оказывается крайне эффективен, он позволяет перерабатывать 93% тяжелой нефти и гудрона в сырье для нефтехимии и в топливо.
Технология изготовления таких катализаторов, впрочем, должна быть экономически оправданной, лабораторной эффективности здесь недостаточно.
То, что компания «Татнефть» уже построила и начала запуск на базе технологии ИНХС им. А. В. Топчиева опытно-промышленную установку глубокой переработки гудрона мощностью 50 тыс. тонн в год и готова по итогам ее эксплуатации строить установку с мощностью переработки 1 млн тонн гудрона в год, показывает: технология уже почти на выходе, она эффективна, процесс от самого открытия до технологии практически пройден. Отметим, что промышленное производство наноразмерных катализационных частиц — это не только вопрос нефтепереработки и нефтехимии: когда идея будет полностью освоена нефтехимиками, ее применение в десятках смежных отраслей будет неизбежно. В ИНХС им. А. В. Топчиева уже показано, что те же нанокатализаторы не менее пригодны для промышленной переработки пластиковых отходов, а это проблема как минимум не меньшая, чем проблема переработки гудрона.
Генетика кальциноза клапана аорты
Кальциноз клапана аорты, поражающий в человеческой популяции примерно одного человека из ста,— заболевание, сейчас практически всегда требующее высокорискового хирургического вмешательства. Альтернативы ищутся — и в некоторых случаях находятся, как, в частности, в поддержанной РНФ Института цитологии РАН и НМИЦ им. В. А. Алмазова совместно с Гладстоунским институтом сердечно-сосудистой медицины в Калифорнии.
В данном случае исследователи обнаружили мутацию в геноме человека, ассоциированную с кальцинозом аортального клапана,— по крайней мере у части людей, страдающих кальцинозом клапана аорты, возможно исправление генома и остановка процесса. Для этого необходимо найти химическое соединение, способное это сделать,— в перспективном списке было порядка 1,5 тыс. таких соединений. Работа исследователей заключалась в том, чтобы с помощью алгоритмов машинного обучения отбирать в этом списке наиболее перспективные соединения, далее на сложной клеточной модели из стволовых клеток, моделирующих процесс кальциноза, можно было найти именно то вещество, которое лучше всего работает в процессе коррекции генома.
Такое соединение найдено, пока оно не имеет названия, известно как XCT790 и показало эффективность в доклинических испытаниях на клетках пациентов и на животных. Это уже важный практический результат, однако едва ли не на порядок более важна технология, в результате которой появилось на свет соединение XCT790.
Цепочка от обнаружения ассоциированной с заболеванием мутации в геноме до лекарственного препарата, который эффективен при этом заболевании и в середине которого AI, по меркам современной медицины уникально коротка.
Не говоря уже о том, что генная терапия в целом очень новая отрасль, ранее схожие цепочки требовали минимум десятилетия работ, часто заканчивавшихся неудачей. Мы не знаем также, насколько эта работа ускорит появление персонализированной геномной медицины как будущей массовой медтехнологии, но мы знаем, что ее появление подготавливается именно такими работами.
Геномные отпечатки денисовского человека
Изучение ископаемой ДНК в последние два десятка лет произвело революцию в палеонтологии и палеоантропологии. В последней одним из очень громких открытий десять лет назад была работа команды российских и зарубежных исследователей, доказавшей существование прежде неизвестного вымершего подвида людей — денисовцев. Фрагменты ДНК и белковых оснований в останках денисовцев, извлекаемые из найденных костей и зубов, дали очень многое для разработок современной концепции антропогенеза.
Впрочем, одна из сложностей дальнейших исследований денисовцев в том, что найти их останки чрезвычайно сложно: их мало (и фрагменты ДНК, которые из них можно извлечь, не всегда информативны), а учитывая, что захоронения денисовцев, вероятно, производились за пределами их стоянок, задача «найти могилу денисовца» почти не решаема. Между тем в руках исследователей много другого материала — от денисовцев в тех же пещерах на Алтае осталось сравнительно много обработанных каменных орудий труда. На них не может не быть следов ДНК денисовцев — другое дело, что в отличие от костей и зубов на этих предметах ДНК денисовцев смешана с образцами ДНК животных, растений и вообще всего, что содержит ДНК.
Работа исследователей из Института археологии и этнографии СО РАН и Института эволюционной антропологии общества Макса Планка (Германия) показывает, что с этим делать. С помощью набора специальных зондов ученые, ранее, собственно, и занимавшиеся денисовцами, научились точечно выхватывать из проб с орудий труда и грунта денисовцев фрагменты ДНК, которые принадлежат млекопитающим. Затем исследователи разработали вычислительные методы, позволившие отделить ДНК приматов в пробах от ДНК остальных живых существ. Таким образом, «сухой остаток» — это и есть информация о людях, населявших Чагырскую, Денисовскую пещеру, испанскую пещеру Атапуэрка 50 тыс. лет назад и более.
Сверка последовательностей идентифицируемых таким образом фрагментов ДНК современного человека и образцов ДНК из костей денисовцев показала их идентичность: метод работает.
Довольно сложно представить себе последствия для палеоантропологии и археологии развития данного метода. Сейчас у археологов и палеоантропологов какая-либо «биологическая» связь между человеком и предметами, с которыми он имел дело, по сути, не существует — нельзя доказать, например, что конкретное каменное орудие, найденное на стоянке, обрабатывалось именно человеком разумным, а не неандертальцем или денисовцем. Во всяком случае, десять лет назад все это посчитали бы глубоко ненаучными фантазиями. Теперь мы стали ближе к тому, чтобы устанавливать именно такие «биологические» связи и изучать их — кажется, настоящая революция в палеоантропологии, да и в археологии, только начинается, а не уже совершилась.
Большие данные о великих переселениях
Еще одна работа также претендует на то, чтобы дополнить наше представление о доисторическом периоде существования человека. В Южно-Уральском государственном университете в рамках проекта «Миграции человеческих коллективов и индивидуальная мобильность в рамках мультидисциплинарного анализа археологической информации (бронзовый век Южного Урала)» разрабатывают не менее революционную технологию — это довольно крупномасштабное мультидисциплинарное исследование мобильности и миграций по данным археологии и геохимии — на основе анализа стабильных изотопов.
Работа ученых в Челябинске направлена на решение одной из идей, которая, видимо, приходила в голову любому археологу и отбрасывалась со словами «не в этом веке» как слишком технологически сложная. Есть массив данных по погребальной обрядности и категориям инвентаря в захоронениях на Южном Урале, довольно большой и подробный. И можно создавать карту обнаружения в разных концентрациях изотопов стронция на той же территории, исследуя в образцах в тех же захоронениях соотношение этих изотопов.
Это соотношение является потенциальным источником информации о мобильности, миграциях человеческих коллективов бронзового века.
Если совместить геологическую, «изотопную» и «археологическую» карты, можно проверять множество тех гипотез, которые специалисты формулируют вокруг гигантских по масштабам миграций этого времени в Евразии. И здесь можно опираться на статистические методы, в археологию, по сути, только приходившие во второй половине XX века, но всегда сулившие важные результаты.
О том, что на самом деле происходило в начале II тысячелетия до нашей эры на территории нынешней Челябинской области, сейчас можно только предполагать, известно лишь, что происходящее, видимо, стало важной частью будущей истории, в том числе этноистории, как минимум целого континента. Достоверных объяснительных моделей крупных миграций в доисторическое время сейчас практически нет, споры о том, что ими двигало и как они были устроены, занимают ученых не менее полутора веков, и перспективы разрешения этих споров прежними методами, видимо, уже отсутствуют.
По итогам же этой и подобных работ мы, возможно, можем судить об этом более или менее достоверно — они сложны, комплексны, требуют серьезных затрат, но потенциальный результат выглядит крайне важным.
Что-то об индоевропейских миграциях знают все и приблизительно. Стоит знать об этом много больше, и теперь возможно знать это много точнее.
Вирусы и рамановская спектроскопия
Биосенсоры — передовой край междисциплинарной науки на стыке биохимии и физики. Суть даже базовых технологий, применяемых сейчас в биосенсорике, довольно трудно объяснить. Краткое описание исследовательского проекта, поддержанного грантом РНФ, звучит довольно страшно: речь идет о разработке SERS-аптасенсоров на основе эффекта плазмонного усиления в рамановской спектроскопии для количественного определения вирусных частиц.
На практике, как и все в современной науке, речь идет о вещах, в основе своей известных десятилетия назад.
Рамановская спектроскопия — это метод дистанционного изучения химических реакций. Чандрасекхар Раман за открытие эффекта неоднородного отражения фотонов от поверхностей разных сред, в которых происходят химические реакции, получил Нобелевскую премию в 1930 году. Сама по себе мысль о том, что один из сотен миллионов фотонов может отразиться от поверхности иначе, чем остальные, и это зависит от того, что происходит на этой поверхности (точнее, как происходят молекулярные колебания в той точке, куда попал фотон), очень перспективна, но сам эффект Рамана весьма слаб, хотя для химиков, как и сходный с ним метод ИК-Фурье-спектроскопии, является одним из основных лабораторных рабочих методов. Но многое изменилось с открытием поверхностного плазмонного резонанса, многократно усиливающего эффект Рамана, и SPR-датчиков, уже активно применяющихся в промышленности с 1990-х. Тем временем в дальнейшем технология от макромира двинулась в микромир: SERS-эффект оказался вполне применим в технологиях исследований микрочастиц. SERS-аптасенсоры с ДНК-аптамерами способны «сигнализировать» о наличии в среде частиц определенного устройства размером с вирусную оболочку-капсид.
То, что может определять наличие в среде вирусов, естественным образом будет в наше время в первую очередь использоваться для определения вирусов: предметом разработки в данном случае как раз и являются SERS-аптасенсоры для количественной диагностики в образце коронавирусных частиц, в том числе и коронавирусов SARS-CoV-2, причем условия для такой технологии — простота использования, компактность диагностического блока (рамановского прибора), простота подготовка образцов.
Разработанная технология этим условиям отвечает — в частности, на реакцию уходит 5 минут, а селективность определения уникально высока.
Но из этого следует также, что идею возможно модифицировать и масштабировать почти неограниченно: это определенно потенциальная часть тех фантастических «миров нанотехнологий», о которых футурологи много и тогда без особых оснований мечтали в 2000-х. Биосенсоры для быстрого количественного определения сложного белкового соединения известной структуры — технология, перспективы которой почти невозможно оценивать. Из таких фундаментальных «кирпичиков» знаний можно в перспективе десятилетий строить целые отрасли, о возможности существования которых мы сейчас даже не догадываемся.
Почему мне так тепло
Удивительно, но о том, как именно, каким способом наш организм определяет тепло или холод, человечество практически ничего не знало даже в начале XXI века. Если сами по себе клетки и клеточные структуры, ответственные за работу терморецепторов кожи, были известны гистологам с XIX века, то физические принципы их работы — это предмет Нобелевской премии по физиологии/медицине за 2021 год: она была присуждена Д. Джулиусу и А. Патапутяну за открытие клеточных рецепторов температуры и механических стимулов, а также за расшифровку биохимических принципов их функционирования. На деле загадка механизмов терморецепции, связанных также с чувствами осязания и в определенной степени боли, беспокоила науку все последние десятилетия на всех уровнях. В частности, многие физиологические реакции основаны на ощущении температуры посредством срабатывания определенной группы ионных каналов из семейства TRP (transient receptor potential). Функции этих каналов много изучали, впрочем, только сейчас способы их анализа начинают давать практические результаты. Международный коллектив, в составе которого работают сотрудники из Колумбийского университета (Нью-Йорк, США), Университета Иллинойса (Пеория, США), Института физиологии Чешской академии наук (Прага, Чехия), а также российские структурные биологи из Института биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН, МИФИ, НИУ ВШЭ и МФТИ, методом криоэлектронной микроскопии опредилил структуру одного из терморецепторов (TRPV3) в закрытом, переходном активированном и (впервые в мире!) открытом состояниях и выяснил структурные аспекты его активации на молекулярном уровне. Механизм оказался довольно сложным: повышение температуры индуцирует в самом канале изменения структуры, которые затем передаются на связанные с молекулами канала липиды клеточной мембраны.
Что само по себе даст исследование работы терморецепторов? В принципе появляется реальная возможность создавать на рациональной основе жаропонижающие и обезболивающие средства принципиально нового типа.
Но дело не только в этом: фундаментальные исследования такого рода решают проблему отсутствия понимания детальных физиологических механизмов.
В результате вырабатывается основа будущих сложных технологий, сути которых мы до конца пока не представляем, но уверены, что знание о нашем собственном устройстве никогда в истории человечества не оставалось без развития.
Квазичастицы и «эффект карнавала»
Для того чтобы экспериментально продемонстрировать теоретически предсказанную ранее возможность эффективной резонансной передачи энергии за счет экситонных переходов в системах с диполь-дипольным переносом энергии, необходима была поддержанная в том числе РНФ коллаборация — представителей Национального исследовательского ядерного университета МИФИ, Московского физико-технического института, Сеченовского университета, Института биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова, Университета Саутгемптона (Великобритания), Реймсского университета Шампань—Арденны (Франция), Международного физического центра Доностия (Испания) и Баскского фонда науки (Испания).
Взаимодействие света и вещества на квантовом уровне — одно из важных направлений исследований на стыке химии и физики с 1950-х годов. Экситоны — вспомогательный объект квантовой теории (квазичастица), поведение которых описывает связанное состояние пары носителей противоположных зарядов, электрона и дырки,— теоретически описаны советским физиком Яковом Френкелем еще в 1931 году, экспериментальные подтверждения теории, в которой описываются экситоны, появились на 20 лет позже. Понятие экситона сейчас активно используется для изучения эффектов в органических полупроводниках, среди которых ферстеровский резонансный перенос энергии (FRET) — это перенос энергии без потерь между двумя находящимися на малом расстоянии друг от друга органическими молекулами под воздействием резонанса.
В теории предсказан так называемый эффект карнавала — управление направлением переноса в режиме FRET энергии между экситонами двух молекул, вплоть до возможности кардинального изменения этого направления.
В ходе работы подтверждена возможность такого управления через «эффект "сильной связи"» — образования гибридного состояния энергии между возбуждением в веществе и локализованным электромагнитным возбуждением.
В первую очередь результат работы коллаборации открывает путь к увеличению эффективности фотовольтаических устройств, преобразующих энергию света в электрическую — часть экситонных состояний в органических полупроводниках являются каналами энергетических потерь. То есть прямым результатом открытия может быть многократное увеличение КПД работы определенного типа солнечных батарей, а также органических светодиодов — так, сегодняшнее поколение OLED-дисплеев может быстро оказаться прошлым днем. Но дело, кажется, не только и не столько в новых гибких дисплеях и панелях солнечных батарей, потенциал открытия много шире и включает в себя возможность точного дистанционного управления химическими реакциями, а также развитие технологий оптически контролируемой визуализации в медицинской диагностике.
Как наше слово отзовется
Реальные возможности корпусной лингвистики стали понятны лишь в XXI веке, с резким удешевлением вычислительной техники и доступных возможностей сводить воедино разрозненные в сотнях томов тексты в базах данных.
Еще 40 лет назад эта возможность была очевидной, но на практике нереализуемой: систематический и достаточно полный свод текстов даже доантичных письменных традиций выглядел исключительно теоретической конструкцией.
Между тем такие корпусы крайне нужны не только лингвистам и историкам, но и, например, фольклористам — миграция сюжетов и мотивов в культурах остается до сих пор предметом чисто «ручного» труда, во многом зависящего от уникальной работоспособности конкретного специалиста, его опыта, сформировавшегося в течение нескольких десятилетий упорной работы,— и все равно часть работы, которую можно проделывать, имея размеченный корпус текстовых первоисточников, невозможна даже для гениального ученого. Для этого нужны база данных и в понимании IT относительно простые компьютерные технологии, тем не менее практически нереализуемые «в голове». Команда аспирантов может подсчитать в хорошей библиотеке число рифм строго определенного типа в русской поэзии последней четверти XVIII века и сравнить их с французской того же времени. Сделать что-то похожее с 40 тыс. текстов, даже коротких, без корпуса уже невозможно: такие армии аспирантов в нынешней цивилизации непредставимы.
Сотрудники Музея антропологии и этнографии им. Петра Великого (Кунсткамера) РАН в Санкт-Петербурге с 2021 года исследуют существующие корпусы письменных текстов по трем доантичным культурам Ближнего Востока: шумеро-аккадской, угаритской и ветхозаветной иудейской для того, чтобы проследить в них эволюцию — параллельную, пересекающуюся, повлиявшую на соседей и потомков — сюжетов, мотивов и концептов. Это крайне важная попытка выяснить, как могла выглядеть в историческом процессе миграция того, что в одно время было главными компонентами мифов и иных сакральных текстов, в другое — волшебных сказок и эпических песен, в третье — анекдотов и бродячих сюжетов народной литературы. Big data в фольклористике до последнего времени были в первую очередь энциклопедической памятью заслуженного профессора. Теперь это уже не только так.
Текстовых корпусов много, и они время от времени пополняются (так, в данной работе предполагается изучить эблаитские клинописные памятники, открытые только в середине 1970-х), а уникальная база данных по фольклору и мифологии народов мира, разрабатываемая участниками проекта, постоянно модернизируется.
Именно поэтому перспективы, которые открывают сравнительно-исторические штудии в фольклористике и древневосточной филологии, слишком заманчивы, чтобы этим не заниматься. Как это поменяет науку, можно только предполагать: раньше здесь все делалось совсем не так, сколько фундаментальных предположений будет подтверждено, а незыблемых истин опровергнуто в ходе такого рода исследований, неизвестно. Важно то, что это, безусловно, произойдет.
Растительный мир в рассеянном свете
Метаболизм растений — одна из самых изучаемых тем в агротехнологиях. Тем не менее промышленных методов определения поражений растительных массивов даже для массовых агрокультур нет. И даже в том случае, если культивируемым растениям не хватает влаги, определенных веществ в почве, неоптимален температурный режим, агротехнологи могут достаточно быстро вмешаться в режим культивации, но только после появления видимых или лабораторно определяемых изменений.
Потери в будущей урожайности в этом случае можно минимизировать, но их нельзя избежать.
Команда ученых Нижегородского университета им. Лобачевского в сотрудничестве с исследователями Института прикладной физики РАН занимается именно этим — изучением диагностики стресса, испытываемого растением, на ранних стадиях. Выяснено, что сделать это можно буквально по фотоснимку — растение начинает иначе (хуже) отражать свет в разных спектрах при наступлении стресса раньше, чем это можно заметить визуально. Две фотографии в освещении светом различного спектра позволяют довольно достоверно вычислить в зеленом массиве области будущего поражения, которые, как правило, можно предотвратить.
Как и во многих подобных работах, от основной прорывной идеи до технологии несколько шагов, без которых технологии не существует. В данном случае необходим был особый алгоритм обработки полученных данных и доработка технологии до более или менее универсальной: научившись «предсказывать» растение в стрессе в условиях лаборатории, нужно научиться делать то же самое сначала в теплице, а затем и где угодно. Первое уже сделано: прототип стационарного прибора, работающего по этой технологии, в Нижнем уже готов. Далее будет готова мобильная универсальная система, которую можно использовать уже в более или менее любых условиях. Важно, в какой степени технологии этого рода могут в перспективе поменять «гранулярность» агротехнологий в целом: сейчас базовой единицей расчета чего угодно в агронауке, по сути, является только участок земли или объема культивации, «подкармливают», освещают, увлажняют (даже если речь идет об аквапонике) более или менее большую группу растений. Здесь же речь идет о диагностике в пределе индивидуального растения — интенсивные методики культивации растительных культур все время уступали интенсивным и экспансивным. Но все может поменяться.