Журнал Science представил свою десятку самых важных достижений науки 2018 года

Иллюстрация Jeffrey Farrell, Schier Lab/Harvard University.

Фото Jamie Yang, Savannah Guthrie. IceCube/NSF.

Фото Gonen Lab.

Фото NASA/John Sonntag.

Иллюстрация Global Look Press.

Фото Thomas Higham, University of Oxford.

Иллюстрация Global Look Press.

Иллюстрация Val Altounian/Science.

Фото D. Grazhdankin.

Фото E.M. Langdon et al., Science 2018.

Главным открытием года по версии престижного научного журнала Science стали методы, при помощи которых учёные получили возможность отслеживать развитие эмбрионов "поклеточно".

Ещё со времён Гиппократа биологи пытались раскрыть тайну превращения всего лишь одной клетки во взрослый организм со множеством органов и миллиардами клеток.

Прошло много столетий, прежде чем медики пришли к выводу, что именно ДНК организует процессы, при помощи которых клетки размножаются и специализируются. Комбинация из различных технологий помогла учёным выяснить, когда гены в отдельных клетках "включаются", заставляя клетки сыграть свою роль.

Постепенно учёные получили возможность отслеживать развитие организма в целом и отдельных органов в мельчайших деталях, клетка за клеткой, в любой нужный момент времени. Редакция журнала Science признала "Прорывом 2018 года" (Breakthrough of the Year) сочетание подобных технологий и их потенциал в стимулировании прогресса в области фундаментальных исследований и медицины.

Поясним, что подобное стало возможным, потому что тысячи исследователей по всему миру создали методы выделения тысяч неповреждённых клеток из живых организмов, научились производить секвенирование экспрессируемого генетического материала в каждой клетке (выяснение, какие гены и когда включаются – прим. ред.), написали тысячи строчек кода компьютерных алгоритмов и придумали способы маркировки клеток для восстановления последовательностей их отношений в пространстве и времени.

Такая техническая триада "преобразует следующее десятилетие исследований", считает системный биолог Николаус Раевский (Nikolaus Rajewsky) из Центра молекулярной медицины имени Макса Дельбрюка.

К слову, в этом году специалисты подробно описали, как у плоского червя, рыбы, лягушки и других организмов начинают создаваться органы. Кроме того, различные группы исследователей применяют эти методы для изучения того, как клетки человека "созревают" в течение жизни, как ткани восстанавливаются и как клетки изменяются во время заболеваний.

Журнал Science, как водится, отметил и другие важные исследования. В частности, одну из строчек списка заняли "посланцы" из далёкой галактики.

В 2017 году детектор IceCube, работающий среди антарктических льдов, зафиксировал слабую вспышку, вызванную столкновением нейтрино с ядром атома во льду. Детектор и раньше регистрировал едва уловимые нейтрино, но специалисты никогда ранее не могли определить космический источник таких частиц.

22 сентября 2017 года датчики детектора впервые зафиксировали направление, откуда пришло нейтрино. Специалистам, которые работают с телескопами по всему миру, было отправлено оповещение, чтобы они попробовали отследить источник прихода нейтрино. В июле астрономы сообщили, что космический гамма-телескоп Ферми НАСА обнаружил очень яркий потенциальный источник, известный как блазар.

Напомним, что блазар – это "сердце" галактики, сосредоточенное в сверхмассивной чёрной дыре. Вращающийся вокруг неё диск вещества разогревается до очень высоких температур, из-за чего он ярко светится и порой выбрасывает в космос струи частиц. Когда они направлены на Землю, астрономы регистрируют импульс излучения.

Исследователи считают, что блазар, который в момент обнаружения нейтрино был весьма активен, является источником пойманной детектором IceCube частицы. Иными словами, это первый случай, когда учёными был идентифицирован внегалактический источник нейтрино.

В этом году две исследовательские группы одновременно опубликовали работы, описывающие новый способ определения строения молекул малых органических соединений за считанные минуты (а не дни, недели или даже месяцы).

Поясним, что на протяжении десятилетий золотым стандартом молекулярного отображения являлся метод рентгенокристаллографии. В основе технологии лежит явление дифракции рентгеновских лучей на трёхмерной кристаллической решётке.

Суть метода состоит в том, что специалисты запускают пучок рентгеновских лучей в кристалл, содержащий миллионы копий изучаемых молекул (внутри кристалла они организованы в определённом порядке). Затем учёные выясняют, как рентгеновские лучи двигаются внутри кристалла, чтобы определить расположение отдельных атомов. Позднее по полученным данным восстанавливается строение молекул, из которых построен кристалл. Как правило, речь идёт о важных для науки молекулах, строение которых во многом определяет их свойства и поведение.

В последние же годы учёные модифицировали метод дифракции, заменив рентгеновские лучи электронным пучком. Последний направляется на листоподобный двумерный кристалл целевой биомолекулы (обычно это один из тысяч белков организма).

В некоторых случаях эти листы укладываются друг на друга, чтобы получился трёхмерный кристалл, с которым как обыкновенная электронная дифракция, так и рентгеновская дифракция не справляются.

Однако две команды исследователей обнаружили, что они могут использовать и такие кристаллы. Для этого они "обстреляли" электронным лучом крошечный трёхмерный кристалл, расположенный на вращающейся платформе и изучили, как дифракционная картина меняется с каждым поворотом платформы на небольшой угол. Оказалось, что таким способом можно выяснить структуру исследуемых молекул за считанные минуты.

По мнению учёных, новый метод, хорошо подходящий для отображения малых молекул, может ускорить прогресс в самых разных областях – от синтеза и открытия новых фармацевтических препаратов до разработки молекулярных зондов с целью изучения и отслеживания заболеваний.

Четвёртое место в списке наиважнейших исследований года досталось открытию огромного метеоритного кратера подо льдами Гренландии. Авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали об этой удивительной находке.

Кратер расположен на северо-западе острова под ледником Хьяватха, он имеет глубину более 300 метров и диаметр более 30 километров. Такие размеры позволяют назвать объект самым большим метеоритным кратером Гренландии и одним из 25 крупнейших на Земле.

Несмотря на то, что открытый кратер не может сравниться с метеоритным кратером Чиксулуб, образовавшимся примерно 66 миллионов лет назад (именно этого космического гостя винят в гибели динозавров), метеорит, упавший в Гренландии, мог оказать мощное воздействие на глобальный климат.

Впервые впадина была замечена в 2015 году. Позднее учёные увидели её и в данных радаров миссии IceBridge, а также миссий, выполняемых другими самолётами, следящими за состоянием ледового покрова Гренландии. Спустя время учёные обратились к данным спутников Terra и Aqua, которые изучают арктический лёд с орбиты. В них также обнаружились следы некой круговой структуры.

Два года назад учёные отправили к леднику Хьяватха исследовательский самолёт, чтобы тщательно просканировать при помощи радара лёд в интересующем месте.

Некоторые признаки указывают на то, что падение метеорита произошло в конце последней ледниковой эпохи (около десяти тысяч лет назад). Если это так, кратер образовался на памяти человечества и является одним из самых молодых на планете.

Теперь учёные собираются выяснить, оказал ли этот катаклизм какое-то воздействие на климат и биосферу Земли.

Редакция не обошла стороной и такую животрепещущую тему как сексуальные домогательства.

В июне специалисты Национальных академий наук, инженерии и медицины США опубликовали важный доклад о сексуальных домогательствах по отношению к женщинам в академической науке, технике и медицине.

Согласно докладу, основанному на недавних данных из двух крупных университетских систем, более 50 процентов преподавателей и сотрудников женского пола и от 20 до 50 процентов студенток подвергались сексуальным домогательствам со стороны работающих и обучающихся с ними мужчин.

В этом году несколько учреждений приняли меры для улучшения ситуации, последовали увольнения и изменение политики.

Ещё одним ключевым исследованием уходящего года стало антропологическое открытие.

Несколько лет назад специалисты нашли в Денисовской пещере фрагмент кости, принадлежавший девочке-подростку, жившей 50 тысяч лет назад. Изучение древней ДНК, извлечённой из этой кости, показало: мать девочки была неандертальцем, а её отец – денисовцем.

"Вести.Наука" также не упустили из виду это исследование, подробно описав ход работы и его значимость.

Вкратце напомним суть невероятного открытия. Специалисты уже знали о факте межвидового скрещивания древних людей: более ранние исследования геномов показали, что неандертальцы, денисовские люди и представители Homo sapiens часто образовывали смешанные пары в Европе и Азии. К слову, ДНК современных людей несёт немало генов, полученных в результате таких "встреч".

Но геном девочки, чей фрагмент кости и был найден в пещере, в равной степени соответствовал ДНК неандертальцев и денисовцев: почти половина генов на её парах хромосом была представлена в двух разных вариантах.

Иными словами, межвидовое скрещивание произошло не в предыдущих поколениях, а именно родители девочки являлись представителями разных групп. Этот факт и делает данное открытие уникальным.

К слову, редакция другого престижного журнала Nature также отметила это исследование. Они внесли автора этой работы палеогенетика Вивиан Слон (Viviane Slon) из Института эволюционной антропологии Макса Планка в список людей, внёсших наибольший вклад в науку в уходящем году.

В этом году мир облетела новость о бывшем американском полицейском Джозефе ДеАнжело (Joseph DeAngelo), которого подозревают в совершении 12 убийств, 45 изнасилований и 120 краж со взломом, произошедших в 1970-х и 1980-х годах в Калифорнии.

Как это связано с наукой?

Специалисты вышли на след преступника, определив его родственников. Исследователи загрузили профиль ДНК, найденной на местах преступления, в публичную генеалогическую базу данных ДНК под названием GEDmatch.

Следователи в итоге нашли нескольких дальних родственников преступника. Работая с генеалогом Барбарой Ри-Вентер (Barbara Rae-Venter), полицейские использовали публичные данные для создания семейного древа убийцы и насильника. Работа помогла вычислить подозреваемых, среди которых был и 73-летний ДеАнжело. Его возраст и места, в которых он жил и бывал, позволяли ему совершить некоторые преступления.

Последовавшее исследование его ДНК, показало прямое совпадение с ДНК, найденной на местах преступлений.

Правоохранительные органы позднее использовали эту же стратегию для раскрытия других дел, открыв тем самым новую область криминалистики: судебную генеалогию.

К слову, мнение редакций двух самых известных научных журналов совпало и в этом вопросе. Редакция Nature также назвала Ри-Вентер одним из десяти людей, повлиявших в 2018 году на науку больше всего.

Восьмая строчка была отдала уникальному препарату Onpattro. Но начнём издалека.

20 лет назад специалисты выяснили, что РНК-интерференция может использоваться для "отключения" определённых генов. Спустя десять лет учёным дали за это достижение Нобелевскую премию.

В 2018 году специалисты Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) одобрили первый препарат, использующий этот метод для лечения взрослых людей.

Такой препарат поможет бороться с наследуемым транстиретиновым амилоидозом (hATTR) — редким недугом, который поражает 50 тысяч людей по всему миру.

Мы уже рассказывали в подробностях о сути прорывного метода. Сейчас же отметим, что препарат Onpattro мешает производству аномальной формы белка транстиретина, способствующей накоплению амилоидных отложений в организме. Эффективность лекарства была показана в клиническом испытании с участием 225 пациентов.

По мнению специалистов, одобрение использования такого препарата может стать предвестником нового класса препаратов, нацеленных на работу генов, вызывающих заболевания.

В уходящем году учёные обнаружили молекулярные следы существ, живших более полумиллиарда лет назад. Исследователи в итоге получили большее представление о таинственном мире, породившем некоторых из первых животных Земли.

Специалисты обнаружили сигнатуры молекул жира в некоторых из самых странных известных окаменелостей. Речь идёт об ископаемых эдиакарской биоты, о которых мы не раз рассказывали.

Более 70 лет учёные ломали голову над причудливыми формами эдиакарских окаменелостей. Специалисты спорили, были ли они древними лишайниками, гигантскими простейшими, животным или какой-то совершенно другой формой жизни, которая не смогла выжить?

Конец спорам о природе окаменелостей, имеющих возраст от 570 до 541 миллиона лет, положила находка учёных из Австралийского национального университета, сделанная на побережье Белого моря. Учёные обнаружили окаменелые останки представителя рода дикинсоний, одного из самых характерных для эдиакарской биоты. Как показали последующие лабораторные исследования, в окаменелостях содержались ископаемая органика.

Обнаруженная органика оказалась жирами животного происхождения. Это доказывает, что многочисленные представители рода дикинсоний всё-таки были животными. Следовательно, к животным относятся и другие родственные им существа, составлявшие эдиакарскую биоту.

Специалисты хотят понять, как несколько "действующих лиц" внутри клетки собираются вместе в нужном месте и в нужное время для выполнения важных функций?

Часто биологи приходят к выводу, что ответ – это капли жидкости. Невидимые до недавнего времени, они появляются повсюду в клетках, организуя (а иногда и подавляя) необходимые работы.

Поясним, что десятки тысяч белков и других молекул населяют цитоплазму, вязкое содержимое клетки вне её ядра. В 2009 году исследователи обнаружили, что многие белки отделяются или, наоборот, уплотняются в подобие капель со сконцентрированным содержимым. Особенно часто образование таких "капель" из белков наблюдается как реакция клетки на стресс.

Подобное "фазовое расслоение на жидкости" в настоящее время является одной из самых горячих тем в клеточной биологии. Появляется всё больше доказательств того, что оно способствует важнейшим биохимическим реакциям и, как представляется, является основным организационным принципом клетки.

В 2017 году учёные опубликовали две работы в журнале Nature, показавшие, что такие "капли белка" уже в клеточном ядре помогают компактизировать области генома, дезактивируя определённые гены. В этом же году сразу три научные статьи в журнале Science указали на ещё большую роль этого фазового расслоения.

Они показали, что белки, которые управляют передачей генетической информации от молекулы ДНК к РНК (а это первый шаг на пути создания новых белков) могут конденсироваться в капли, которые прикрепляются к ДНК.

Специалистам ещё предстоит изучить детали, однако работы уже показывают роль фазового расслоения в одной из фундаментальных тайн жизни – выборочном включении и выключении тех или иных генов.

Напомним, что ранее мы также рассказывали о лучших исследованиях 2017 года по версии журнала Science.