Вирус науке не помеха
Пандемия была с нами на протяжении всего прошлого года. Несмотря на то, что почти все средства и силы уходили на войну с COVID-19, технический и научный прогресс не стоял на месте. Расскажем о главных прорывах, разработках и трендах 2020 года.
Сверхбыстрая разработка вакцины от ковида
По праву самым важным научным достижением уходящего года стоит отметить сверхбыструю разработку вакцин для борьбы с главным ньюсмейкером 2020 – вирусом SARS-CoV-2. Вакцины, действительно, были разработаны и подведены к внедрению в рекордные сроки. Что еще более важно, разработка велась и ведется большим количеством независимых групп. Они используют разные подходы, что позволяет «не класть все яйца в одну корзину» – даже если какая-то из методик окажется неуспешной, в масштабах мира и даже отдельных стран можно будет с относительно небольшими потерями перейти на другую.
Две самые нашумевшие вакцины – Moderna и Pfizer – это вакцины матричной рибонуклеиновой кислоты. Эта относительно новая технология, которая одобрена для использования на людях. Она позволяет ввести в организм лишь часть генома коронавируса: таким образом, иммунитет вырабатывается в отсутствие вируса как такового. AstroZeneca использует более традиционную методику – аденовирусный вектор для доставки генетического материала коронавируса в организм (та же методика реализована в российской «Спутник V»). Китайская Sinovac – это инактивированная вакцина, она содержит «убитый» вирус, который способен вызывать иммунный ответ (по тому же принципу работает вакцина, которую создают в Центре им. Чумакова – ориентировочно она будет готова в феврале).
На борьбу с коронавирусом переключились все, кто чувствовал, что их опыт, знания и подходы могут быть полезными.
Но одной вакциной революционность 2020 года для медицинской науки не заканчивается. Невиданный уровень мобилизации позволил в сверхкороткие сроки разворачивать для массового обращения то, что ранее использовалось только в лабораторных масштабах. Рекордно быстро были разработаны несколько вариантов ПЦР-тестов на коронавирус. Это вообще первый случай столь масштабного использования этой довольно молодой методики.
Биохимик Кэри Муллис предложил метод ПЦР не в столь далеком 1983 году и получил за эту работу Нобелевскую премию в 1993-м. Невероятная открытость информации и уровень международной кооперации позволили медикам тестировать протоколы лечения одновременно в разных точках Земли, тем самым гораздо быстрее получать данные об их эффективности или бесполезности. В целом же на борьбу с коронавирусом переключились все, кто чувствовал, что их опыт, знания и подходы могут быть полезными. Наука показала, что не зря пользуется организованной общественной поддержкой в последние полвека, и встала на службу общественным задачам.
Первая CRISPR-терапия
Метод редактирования генома CRISPR-Cas9 попал в первые строки горячих новостей в октябре, когда его создательницы Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье получили Нобелевскую премию, но на самом деле это не главная CRISPR-новость года. Важнее то, что генетическая CRISPR-терапия приходит в клиническую практику.
Для тех, кто в танке, CRISPR – стремительно развивающаяся технология редактирования генома, основанная на инструментах иммунной системы бактерий. В основе этой технологии – участки бактериальной ДНК под названием «сгруппированные короткие палиндромные повторы» (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, CRISPR)
Экспериментальное лечение получили больные генетическим заболеванием крови – бета-талассемией. Их организм производит дефектную форму гемоглобина, которая не позволяет нормально переносить кислород, поэтому они постоянно чувствуют слабость и истощение, а нарушение структуры красных кровяных телец может вызвать поражение органов и инсульты. Эта болезнь была неизлечимой – пациентов лишь поддерживали переливаниями крови и другими способами. Генетическая терапия позволила участникам эксперимента отказаться от переливаний крови. «Она изменила мою жизнь», – сказала одна из участниц эксперимента. Пока эта методика слишком дорога для массового применения, но она работает – и это революция.
Климатическая точность
Наука давно не сомневается во влиянии человека на климат, но из-за комплексности и масштабности задачи моделирования климата планеты прогнозы его изменения были довольно неточными. Однако постоянное накопление данных и совершенствование методов работы с ними позволили добиться значительного прогресса.
Группа из 25 ученых из World Climate Research Programme в своей работе определила, что повышение выбросов углекислого газа вдвое по сравнению с предындустриальной эпохой вызовет рост температуры на 2,6-3,9 °C. Это исследование исключило считавшийся ранее реальным худший сценарий (повышение до 4,5 °C), но и меньших величин хватит, чтобы затопить прибрежные города, вызвать резкую жару и холод, и потребовать переселения миллионов людей. Будем надеяться, что внесение определенности позволит правительствам перейти к более конкретным мерам стабилизации ситуации.
Искусственный интеллект против рентгена
Белки, из которых состоит практически все в нашем организме, – это очень большие и сложные макромолекулы, в которых цепочки аминокислот свернуты в причудливые трехмерные структуры. Их правильное функционирование определяется не только и не столько составом, сколько именно этой структурой – правильной сверткой в пространстве.
Чтобы изучить ее, традиционно использовался метод рентгеноструктурного анализа, сам по себе достаточно дорогой и сложный. Кроме того, как источник излучения нужно было использовать кольцевой ускоритель – синхротрон, потому что лабораторные источники не давали нужного уровня энергии. Для постановки эксперимента нужно было вырастить кристалл белка – совершенно неочевидная задача. Затем добиться того, чтобы он не разрушился под действием радиации и, наконец, – долго расшифровывать результаты. Это все было настолько сложно, что расшифровка структуры рибосомы, например, удостоилась Нобелевской премии.
Теперь специалисты по искусственному интеллекту утверждают, что можно обойтись без рентгена. Британский проект DeepMind заявил, что их алгоритм справляется с определением структуры белка так же хорошо, как и рентгеновский эксперимент. Ожидается, что в течение нескольких месяцев и другие проекты смогут приблизиться к этой точности, потому что все данные об алгоритме открытые.
Радиовсплески из далекого космоса
Быстрые радиовсплески – это поразительно мощные радиосигналы из дальнего космоса (галактик, находящихся на расстоянии миллионов световых лет от Земли). Они очень короткие – всего доли секунды, но за это время успевают выпустить энергию на 500 млн Солнц. Еще более странно то, что большинство из них не повторяются. Поэтому их очень сложно изучать и тем более прогнозировать.
В 2020 году в этой области произошел совершенный прорыв – американские и канадские ученые обнаружили источник повторяющихся быстрых радиовсплесков в нашей галактике – им оказался магнетар, нейтронная звезда особого типа. Теперь наблюдать их можно будет более регулярно и систематически, а значит, можно получить гораздо более системные и подробные данные.
Литий-ионным аккумуляторам находят замену
Аккумуляторные батареи нужны всем, их производство – это громадный рынок, объем которого оценивается в районе в $400 миллиардов. Поэтому неудивительно, что многие десятки компаний и лабораторий заняты созданием новых типов аккумуляторов, стремясь в первую очередь повысить их энергоемкость, срок службы, ускорить зарядку, заменить дорогие компоненты батареи на более дешевые и так далее.
Сейчас самые популярные аккумуляторы – литий-ионные. Они так важны для мировой экономики, что в 2019 году Нобелевский комитет вручил премию по химии за их создание Джону Гуденафу (John Goodenough), Стэнли Уиттингему (Stanley Whittingham) и Акире Йошино (Akira Yoshino).
Мировое производство литий-ионных аккумуляторов в настоящее время составляет около 160 ГВтч в год, и оно очень быстро наращивается. Немецкий эксперт Роланд Зенн (Roland Zenn) опубликовал карту с указанием работающих и строящихся «батарейных» фабрик. Когда эти заводы войдут в строй, они будут выпускать за год аккумуляторы суммарной емкостью 430 ГВтч, этого хватит для 4,8–5 млн автомобилей (сейчас в год выпускается около 2,3 млн). Аналогичные планы есть и в Америке, и в странах Азии.
Однако производство ионно-литиевых устройств зависит от таких материалов, как кобальт и никель, запасы которых ограничены (как и самого лития), эти батареи имеют тенденцию воспламеняться. Поэтому их совершенствование — не единственный вариант развития индустрии. Сейчас многие ученые работают над созданием литий-металлических аккумуляторов, эти элементы питания будут иметь удельную энергию элемента больше на 35%, что позволит создавать аккумуляторные батареи, которые могут обеспечить 350 или 400 ватт-часов на килограмм и 1000 ватт-часов на литр. Текущие литий-ионные аккумуляторы имеют удельную энергию около 150 Втч/кг и плотность энергии ближе к 250 Втч/л. Так, Samsung разработала литий-металлический аккумулятор, который может иметь жидкий электролит и позволяет запасти почти вдвое больше энергии. А Tesla запатентовала в прошлом году литий-металлические батареи без использования анодов.
Еще одно перспективное направление разрабатывают российские ученые из Института общей и неорганической химии совместно с коллегами из Израиля и Австралии. Они получили материал на основе восстановленного оксида графена и сульфида сурьмы и протестировали его в качестве анода калий-ионного аккумулятора — перспективного аналога литий-ионных. Удельная емкость нового материала — более 650 мАч/г, что намного выше, чем у других экспериментальных образцов (сульфидов фосфора, кобальта, олова, сурьмы). К тому же калий намного более распространен, чем литий, мировых запасов которого на грядущую «революцию электромобилей» может и не хватить.
Пока это еще перспективная разработка, однако в данном направлении у России есть шанс оказаться в числе лидеров. Если, конечно, проблема и ее решение попадутся на глаза высшему руководству страны, и оно включит их в какую-нибудь национальную программу.
По материалам из интернета подготовил Дионисий ПЛЯШЕШНИК
