Итоги года: десять самых крупных научных прорывов

Конечно, этому символическому призу далеко до Нобелевской премии, однако в научном мире он котируется весьма высоко. Редко бывает так, чтобы спустя несколько лет Нобелевский комитет подхватил эстафетную палочку редакции Science, но даже в тех случаях, когда читатель изумленно приподнимет правую бровь, оценивая главный выбор журнала, впоследствии, как правило, оказывается, что правая бровь был неправа.

Прорыв года: квантовое стало видимым

На этот раз прорывом года журнал Science назвал опубликованную в марте работу физиков из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Эндрю Клиленда (Andrew Cleland) и Джона Мартиниса (John Martinis), которые вместе с коллегами заставили микроскопическую, но видимую глазом полупроводниковую палочку вибрировать по законам не классической, а квантовой механики.

Квантовый осциллятор может быть виден невооруженным глазом

Для квантовой механики это уже макрообъект, длиной в толщину человеческого волоса, и первое в мире механическое устройство, сделанное людьми, которое заработало по ее правилам. Журналисты Science сравнивают эту работу с первым автомобилем Генри Форда, собранным в гараже, который сам по себе, может быть, был и не очень впечатляющим достижением, но дал толчок массовой автомобилизации мира.

Волосок в нанометры толщиной и микроны длиной исследователи давно уже пытались заставить работать в режиме квантового "осциллятора", который вибрировал бы за счет поглощения и испускания квантов. Суть эффекта была ясна, неясно было, как его реализовать. Для этого требовалось все атомы этого волоска опустить в так называемое основное состояние, охладить его так, чтобы электроны в нем занимали самые низкоэнергетичекие орбиты. И увидеть, что он все-таки шевелится, так как квантовая механика не позволяет ему находиться в определенном месте с определенной скоростью.

Квантовое стало видимым. Этому прорыву журналисты Science сулят огромное будущее – как в науке, так и в нашей реальной повседневности.

Генетика

Список остальных 9 главных научных достижений года возглавляет команда генетиков из Института Крейга Вентера, расположенного сразу в двух штатах США – Мериленд и Калифорния, - которая в этом году предъявила миру бактерию с искусственно созданным геномом.

Бактерии с искусственным геномом M. Mycoides (слева) и обычные бактерии (справа)

Бактерия, которую они создали, практически ничем не отличается от уже существующей, в геноме заменен только один ген, в результате чего в организме этой бактерии вырабатываются несвойственные ей белки. Но этот геном – искусственный. Он собран из кусочков генетических последовательностей, и именно из-за него заговорили о рождении новой науки – синтетической биологии.

Следующим пунктом в списке стоит расшифровка генома неандертальца. Его почти полностью расшифровала большая международная группа генетиков, куда входил и Сванте Паабо (Svante Paabo), который 13 лет назад ошеломил мир, заявив, что 80 тыс. лет назад прибывшие в Европу из Африки кроманьонцы полностью вытеснили господствовавших там неандертальцев, генетически никак с ними не пересекаясь. Ученые расшифровали две трети генетических последовательностей, взятых у трех женщин, которые жили на территории Хорватии 38-44 тыс. лет назад. Уже то, что они это сделали, кажется чудом, поскольку молекулы ДНК быстро разрушаются. Изучая скомпилированный геном, ученые смогли доказать, что на самом деле с неандертальцами наши предки, хоть и нечасто, но скрещивались – мы унаследовали от них от 1 до 4% генов. Они также обнаружили некоторые из генов, благодаря которым наши предки выжили, а неандертальцы без них погибли.

Расшифровка ДНК неандертальца – не единственный генетический успех этого года. Ученые активно пользовались новыми методиками массового параллельного секвенирования и, соответственно, приборами, позволяющими считывать генетическую информацию намного дешевле, чем раньше, и в сроки, которые прежде не были доступны. Поэтому следующую строчку своего списка журнал посвятил геномике нового поколения. Упоминается успешно идущий проект "Тысяча геномов", в ходе которого ученые постараются выявить все так называемые однонуклеотидные полиморфизмы (SNP - single-nucleotide polymorphism), то есть различия в одну букву между двумя сравниваемыми последовательностями ДНК, взятыми у разных людей. Считается, что подобные мутации свойственны геномам как минимум 1% людей. В этом году выявлено 8,5 миллионов SNP, вдобавок к 6,5 миллионам, выявленным ранее. Эта информация поможет ученым проследить мутации, приводящие к различным заболеваниям.

Перепрограммирование клеток с помощью введения в них нескольких лишних копий генов давно стало рутинной методикой в генетических лабораториях. В частности, эта техника позволяет изменять взрослые клетки так, чтобы они вели себя как эмбриональные стволовые клетки, которым прочат большое будущее в медицине следующих десятилетий. В этом году была разработана новая техника перепрограммирования клеток, которая быстрее и эффективнее стандартной техники. Основа метода – использование синтетических молекул РНК, синтезированных так, чтобы они могли избежать антивирусной атаки, которая является неизбежной иммунной реакцией клетки на чужую РНК. Синтетические РНК быстрее и лучше перепрограммируют клетки в стволовые; они же могут заставить стволовые клетки превратиться в нужную ткань. Так, показано, что с помощью этого метода можно превратить клетки фибробластов (соединительной ткани) в клетки мышечной ткани.

Следующее, шестое, место в десятке выдающихся научных достижений года тоже отдано генетике, а точнее новой методике генетического анализа – так называемому "экзомному" секвенированию. Существует много редких наследственных заболеваний, вызываемых мутацией лишь в одном гене, и поиск этого гена очень важен для последующего лечения. Идеальный вариант поиска – полное секвенирование генома – здесь мало подходит, поскольку даже при существующей технике нового поколения оно остается слишком дорогим и не всегда доступным средством. Ученые обошли это препятствие, научившись секвенировать только те части ДНК, "экзоны", где находятся гены, кодирующие белки, а эта часть составляет менее 1% всего генома. Получив длинный список мутаций и отсеяв из него все, которые не имеют отношения к делу, ученые смогли выявить мутации, которые приводят, как минимум, к десятку редких заболеваний, таких как неправильное развитие мозга, очень низкий уровень холестерина, лицевые деформации и проч.

Физика

Седьмое место уже не у генетиков – его отдали физикам за создание "квантового симулятора", системы, которая помогает им при решении сложных задач, связанных с кристаллическими решетками. Обычно, проверяя ту или иную идею, пытаясь понять тот или иной экспериментальный результат из физики твердого тела, исследователю приходится описывать трехмерное множество точек, где находятся электроны, взаимодействующие между собой магнитными полями. Для этого они составляют математическую функцию под названием гамильтониан и пытаются ее решить, что удается далеко не всегда.

В этом году сразу пять групп приспособили для решения таких гамильтонианов "квантовые симуляторы", в которых роль ионов кристалла играют лазерные пятнышки света, а атомам, попавшим в эти пятна, отводится роль взаимодействующих электронов. Дальше остается настроить такую систему под определенный гамильтониан, запустить ее и ждать, когда она сама преподнесет решение. Пока подобные решения носят пробный характер – квантовые симуляторы проверили на уже решенных гамильтонианах. Следующий шаг – те гамильтонианы, с которыми ученые не смогли справиться.

Биология

На восьмой строчке списка – еще один, на этот раз молекулярный, симулятор. Речь идет о попытках ученых смоделировать поведение белков, молекул, куда более сложных, чем ДНК. Это моделирование превращается для них в сущий комбинаторный кошмар, с которым сегодня может справиться далеко не всякий суперкомпьютер. Так, простой белок, состоящий всего из ста аминокислот может свернуться в кольцо различными способами, число которых о - 3¹⁹⁸. До сих пор суперкомпьютеры позволяли изучать динамику белков в течение слишком короткого времени для того, чтобы можно было сделать какие-то выводы. В этом году дело сдвинулось с мертвой точки. С помощью суперкомпьютера с 512 процессорами, исследователи из США сумели увеличить это время в сто раз и довести его до миллисекунды. Этого оказалось достаточно, чтобы исследовать поведение атомов простого белка, помещенного в воду – за миллисекунду он успел свернуться и развернуться 15 раз. Сейчас исследователи готовятся к работе с более мощными суперкомпьютерами, чтобы исследовать более сложные белки.

Медицина

Предпоследнее из десяти научных достижений года не обрадует активных защитников прав лабораторных животных, но исследователям пойдет явно на пользу. "Крысы возвращаются!" - так обозначил это достижение журнал Science. Дело в том, что различные нейрозаболевания у людей, такие, например, как болезни Паркинсона и Альцгеймера, биологи долгое время предпочитали исследовать не на мышах, а на крысах, поскольку их организм ближе к человеческому, да они и чаще болеют человеческими болезнями.

Крысы возвращаются в лаборатории

Однако в 1989-м году была разработана очень перспективная методика выключения специфических генов из мышиной ДНК под названием "мышиный нокаут". На крысах эта методика не срабатывала и исследователи перешли к работе с мышами. В этом году в лабораторных клетках снова стали появляться крысы – сначала, еще в прошлом году, их научились генетически модифицировать способом, применяемым для дрозофилы, а вот теперь и метод "мышиного нокаута" приспособили для крысы.

В конце списка – новые медикаменты, предотвращающие заражение ВИЧ-инфекцией. Учитывая множество прошлых неудач в этом направлении, сразу два недвусмысленных успеха вполне можно назвать прорывом. Первое из этих лекарств – вагинальный крем тенофовир – уменьшает риск ВИЧ-заражения у женщин на 39%. Второе – пероральный профилаксис, - испробованный на большой группе мужчин и женщин, уменьшил этот риск на 43,8%.

Сергей Богданов / CNews