Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://toest.bg/nauchni-novini-kolonizatsiya-na-kosmosa-i-laboratorno-otgledano-meso/

Обратно към Луната

Дългоочакваният полет на „Артемис I“ вече е факт. След почти тримесечно отлагане новата ракета на НАСА беше изстреляна успешно и модулът „Орион“ направи първото си прелитане покрай Луната. Вече може да проследяваме и на живо протичането на мисията.

Програмата „Артемис“ е продукт на дългогодишно планиране с първоначална цел Луната, а след това и Марс. Естественият спътник на Земята ще бъде използван за изпитването на различни технологии, които ще са нужни за дългото пътуване до червената планета и потенциалното заселване на хора там. Освен кацането на астронавти на Луната се предвижда и изграждането на малка орбитална станция (Lunar Gateway), която ще служи като комуникационен център, научна лаборатория, пункт за временно настаняване на астронавти и депо за машини. Ще бъде изградена и лунна база, която подобно на Международната космическа станция ще бъде населена постоянно.

Програмата донякъде се припокрива с предишната, изпратила човек на Луната („Аполо“), и е нейно естествено продължение. Показателно е и името ѝ, което не е избрано случайно – Артемида е богиня на Луната и сестра близначка на Аполон. В програмата на НАСА са включени и три партньорски космически агенции – европейската, японската и канадската. Освен тях участие ще вземат и други държави и частни компании (като SpaceX), които са се включили в Споразумението „Артемида“.

Ключов елемент от програмата е свръхтежкотоварната ракета SLS (Space Launch System), разработката на която започна през 2011 г., след спирането на полетите на совалките на НАСА. Тогава Агенцията загуби възможността си да извежда астронавти в орбита и до първия успешен полет на капсулата „Крю Драгън“ на SpaceX през 2020 г. разчиташе на Русия за тази дейност.

Първата мисия, която тече в момента, ще отведе капсулата „Орион“ до Луната. Там тя ще влезе в сложна орбита, за да направи снимки на Земята и естествения ѝ спътник. На борда ѝ има малък „екипаж“ от два манекена, изработени от материали, които наподобяват тъканите в човешкото тяло. В тях има сензори за измерване на нивото на космическа радиация, което е изключително важно за астронавтите, особено при по-дълъг престой.

В Международната космическа станция нивата на радиацията са над 50 пъти по-високи от тези на Земята, а в открития Космос, например при пътуване до Марс, надвишаването може да надхвърли 150 пъти. Въпреки че модулът „Орион“ е проектиран с подсилена радиационна устойчивост, единият манекен (Зохар) носи специална защитна жилетка, а другият (Хелга) ще служи за контрола. Те са с женска анатомия поради по-високата чувствителност на жените към радиацията, гласи прессъобщението на НАСА.

„Артемис I“ носи със себе си и 10 малки сателита (CubeSats), които ще се отделят от ракетата по пътя към Луната. Един от тях е апаратът BioSentinel, който също има за цел да изпита ефекта на космическата радиация върху живи организми. Дрождите S. cerevisiae, използвани в производството на хляб, бира и вино, са едноклетъчни гъби, но за разлика от бактериите, имат обособено ядро като клетките на висшите организми и са добър модел за изследване на повредите в ДНК, причинени от силно заредени космически частици. Подбрани са два щама: единият е от див тип, а другият – с компрометирана система за поправка на ДНК. В различни точки от пътуването на спътника те ще бъдат изследвани за промени в метаболизма. Идентичен експеримент ще бъде проведен на Земята и в Международната космическа станция.

Друг от сателитите – NEA Scout – има за цел да изследва астероид, който ще прелети покрай Земята през 2023 г. „Разузнавачът“ ще се размине бавно с него и ще го заснеме с камера с висока резолюция. Интересното при този сателит е, че ще се придвижва с помощта на слънчево платно. Този метод за задвижване на космически кораби използва радиационното налягане, което слънчевата светлина упражнява върху големи огледални повърхности. Тъй като енергията, която фотоните предават на апарата, е малка, платното трябва да има голяма площ – в случая 86 кв.м, събрани в малкия сателит с размера на два пакета хартия за принтер. След отделянето на сателита от ракетата платното ще се разгърне в пълния си размер.

Неконвенционален начин на придвижване има и Team Miles – вместо обичайните ракетни двигатели сателитът е с хибриден плазмен и лазерен двигател, който използва йонизиран йод като гориво. Целта, поставена на малкия сателит, е далечна – червената планета Марс. По време на пътуването си космическият апарат ще тества софтуерна система за комуникация със Земята.

Профилът на втората мисия („Артемис II“) е сходен с този на „Аполо 8“ – в капсулата ще има четирима астронавти, които ще прелетят покрай далечната страна на Луната в орбита, описваща цифрата 8. Предимството на тази траектория е, че в случай на авария при преминаването си покрай Луната капсулата ще бъде насочена обратно към Земята само от гравитационните сили.

Третата мисия, планирана за 2024 г., е от историческо значение, защото е най-вероятната възможност на Луната отново да стъпят хора. В мисията ще участва Стефани Уилсън, която ще бъде първият астронавт от афроамерикански произход и първата жена, посетила лунната повърхност. За разлика от предходните кацания, „Артемис III“ ще има за цел да достигне полярните области на Луната, където астронавтите ще търсят замръзнала вода и места, подходящи за изграждане на бази, които да осигурят постоянно човешко присъствие. Престоят на астронавтите ще е по-дълъг от предходните мисии, като те ще имат 10 дни за събиране на проби и извършване на експерименти.

Новини има и от корпорацията SpaceX, която след тригодишна пауза изстреля за четвърти път тежкотоварната си ракета носител „Фалкън Хеви“. С трите си ускорителни модула (бустери) до момента тя беше най-мощната активна ракета преди успешното излитане на SLS на НАСА. Клиент на компанията са Американските космически сили (USSF), които са извели в геостационарна орбита два сателита. Информацията за единия от тях е класифицирана и затова за него се знае малко, но другият – Tetra-1 – е експериментална платформа за изпитване на нови технологии. Той е с размера на пералня и вещае нова идеология.

Спътниците, използвани на ключови позиции в системите за разузнаване и комуникация, са изключително скъпи и големи, което ги прави отлични цели за антисателитни ракети, каквито редица държави неведнъж са използвали. Затова Департаментът на отбраната на САЩ иска да изпита концепцията, вече приложена от системите за сателитен интернет Starlink на SpaceX – „съзвездия“ от малки спътници, които да бъдат свързани в мрежа. Това ще намали тяхната цена и ще направи изстрелването им по-лесно, което от своя страна би позволило по-бързо внедряване на нови технологии.

„Фалкън Хеви“ е част и от програмата „Артемис“ – ракетата трябва да достави първите два модула за орбиталната станция Lunar Gateway в края на 2024 г., а след това да снабдява с провизии станцията чрез апарата Dragon XL, който ще има капацитет за 5 тона товар в херметичен и отворен сектор.

Частният космически сектор е поле, което се развива изключително активно. Индийската компания Skyroot Aerospace изстреля малка ракета, която достигна височина от почти 90 километра. Въпреки че полетът на Vikram-S е под линията на Карман от 100 км, приета от Международната авиационна федерация за границата, разделяща земната атмосфера и космическото пространство, той е изпълнил всички поставени цели и дава възможност на компанията да продължи с предвиденото изстрелване на по-голям прототип – Vikram-I – през идната година. Товароподемността на проектираните до момента модели не е висока, но е сходна с тази на първата ракета на SpaceX. Предстои да разберем дали индийските специалисти ще успеят да постигнат същите успехи като американските си колеги.

Месо, отгледано в лаборатория

Месопреработвателната индустрия е поставена под все по-голям натиск по различни причини, повечето от които в основата си са морални. Най-явната е неизбежната смърт на животните, както и лошите условия при отглеждането им – често те нямат достатъчно място, не се хранят оптимално и като цяло не живеят пълноценно. Наред с това редица организации обръщат внимание на влиянието на индустрията върху глобалните климатични промени. За периода 2018–2020 г. производството на месо е допринесло за 54% от парниковите газове, отделени от селското стопанство, според доклад на Организацията на ООН по прехрана и земеделие. Много висока е и консумацията на вода – за телешкото, което е най-ресурсоемко, се изразходват над 100 литра за 1 грам протеин.

На пазара вече има редица алтернативи на месото, базирани на растителни продукти или на протеин от насекоми, които дават решение на някои от тези проблеми. Техният въглероден отпечатък е много по-малък, отколкото на животинските продукти, но продължават да са налице някои от предизвикателствата на съвременното земеделие – например нуждата от обработваема земя и употребата на пестициди. Отглеждането на насекоми също може да бъде обременено от етични въпроси, тъй като редица учени изказват мнението, че и насекомите изпитват болка, подобно на гръбначните животни.

Потенциално решение е т.нар. лабораторно отгледано месо. Въпреки че няма консенсус точно колко ще намалее нуждата от ресурси за производството, най-песимистичните прогнози сочат, че консумацията на енергия и влиянието върху промените в климата ще останат съизмерими със сегашната индустрия, ако фабриките не използват енергия от възобновяеми източници. Но дори и в този случай ще отпадне основният етичен проблем с консумацията на месо. Ще бъде ограничен драстично и разходът на вода и земя за отглеждане на животни – според учени от Оксфордския и Амстердамския университет икономиите може да достигнат 90%. Допълнително предимство на производството по този начин е, че почти няма вероятност за попадане на патогени в продукцията и регулацията на „фабриките за месо“ следва да е по-лесна, отколкото на фермите, в които се отглеждат живи животни.

Преди дни Агенцията за контрол на храните и лекарствата на САЩ приключи с проверката си на Upside Foods и даде заключение, че произведеното от компанията месо е безопасно за консумация. Сега остава да бъде направена инспекция на фабриката им от Департамента по земеделие и да се уточни етикетирането на продукта. Тези стъпки би трябвало да се изминат сравнително бързо, след което от компанията ще започнат да предлагат своето месо на подбрани ресторанти, за да запознаят потребителите с него.

Това развитие не е изненадващо – след като през 2020 г. Сингапур даде одобрение на американската компания Eat Just да продава своите пилешки продукти в страната, беше въпрос на време и американските органи да предприемат тази стъпка предвид по-либералната им политика спрямо подобни нови технологии.

Технологията за отглеждане на месо в лаборатория е сходна с други биотехнологични производства. Всичко започва с изолацията на клетки, които могат да бъдат получени и без да бъдат наранени животни. След първоначална подготовка те се прехвърлят в биореактори, подобни на ферментационните съдове, в които се произвежда бира. В тях протичат следващите стъпки от производството – клетките живеят в изкуствена среда, съдържаща всички нужни хранителни вещества за развитието им и поддържана с оптимални параметри (ниво на pH, температура).

Културалната среда трябва да се подменя често – както за да бъде опреснена, така и за да се премахнат всички отпадни продукти, отделени от клетките. След като клетките се намножат, се предизвиква и тяхната диференциация – развитието им в различни по вид клетки, като мускулни, съединителни и мастни, които се свързват една с друга. В края на процеса след няколко седмици от реакционния съд може да се извади произведената месна маса. Тя няма конкретна структура и прилича на фино смляно месо. Това е и основната причина повечето продукти да са пилешки хапки и кренвирши.

Пред усъвършенстването на технологията има редица препятствия. Най-голямата и до момента непреодоляна е предизвикването на оформяне на тъкани – това е сложен процес, който не е напълно изяснен и при живите организми. Друго препятствие е нуждата от използване на растежни хормони, които се извличат от животинска кръв и така възниква проблем за получаването на напълно етичен продукт и увеличаването на мащабите на производство. Вече няколко компании обаче, сред които Upside Food, са разработили нови хранителни среди, в състава на които няма животински продукти, като бонус от това е и намаляването на разходите с над 80 пъти. Предстои да бъде усъвършенствано и производството в големи мащаби, което е една от ключовите стъпки за сваляне на цената на продукта.

Тази индустрия привлича все повече инвеститори, някои от които традиционни месопроизводители и преработватели. За момента не е ясно какви ще бъдат нагласите на потребителите – редица изследвания показват противоречиви данни. Според някои от тях има силно предпочитание към заместителите на месото, според други повечето хора не биха консумирали лабораторно отгледано месо, а трети дават заключение, че потребителите нямат конкретно предпочитание и биха се спрели на най-изгодния вариант. Трудно е да се предвиди как ще се развие технологията и как ще бъде приета от широката публика, но със сигурност ще е ключова част от борбата с климатичните промени и колонизацията на Космоса.

Заглавна снимка: Снимка на Земята и Луната, направена от „Аполо 8“ на 24 декември 1968 г. © НАСА

Източник

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://toest.bg/nauchni-novini-biotehnologii-i-kosmos/

Биотехнология в медицината

Въпреки че някои от постиженията на биотехнологиите звучат като извадени от научнофантастична история, новите подходи все по-често намират приложение в клиничните лаборатории. Дали за фундаментални изследвания, диагностика или терапии, те вече са неделима част от набора инструменти, с които работят медиците.

Болестта на Батен е рядко автозомно генетично заболяване, което причинява множество неврологични симптоми и води до по-кратка продължителност на живота. Една от формите му – НЦЛ1 – се среща при деца, които носят две копия на увредена версия на гена, кодиращ ензима PPT1. Децата ги наследяват от двама безсимптомни родители, които имат по едно копие от този ген.

До момента за изучаването на това заболяване са правени изследвания върху лабораторни мишки. Проблемът е, че техният мозък е значително по-малък от човешкия и промените, настъпващи вследствие на заболяването, не могат да бъдат проследени напълно. Това се решава с използването на генетично модифицирани овце. С помощта на CRISPR/Cas9 са редактирани яйцеклетки, които се износват от сурогатни майки. От получените животни, носещи по едно копие на увредения ген, впоследствие по естествен път се ражда потомство, при което се проявява заболяването. По този начин се пресъздава процесът при хората.

Модифицираните овце показват симптоми и промени в мозъка, сходни с тези при хората, поради което учените смятат, че е направена важна стъпка за вникването в патологията на заболяването, подобряването на диагностиката и откриването на лечение. Този подход вече се прилага при изучаването и на други редки автозомни заболявания (например болестта на Хънтингтън и синдрома на Луи Бар), като се използват прасета вместо овце.

Интересен напредък има и в областта на синтетичните молекули. Сферичните нуклеинови киселини са изкуствени наноструктури, създадени преди почти 30 години. Те са изградени от сърцевина, обвита плътно от множество молекули на ДНК или РНК. Първоначално тя се е изработвала от злато, но с развитието на технологията се влагат и други материали – сребро, силиций, протеини, липозоми и др. Така частицата, наред с възможността си да носи обвивката от нуклеинови киселини, може да придобие най-различни свойства – магнитни, каталитични, луминесцентни.

От особен интерес е способността на тези наночастици да преминават лесно през клетъчните мембрани и така да бъдат използвани като транспортен механизъм в тъканите на живи организми. Няколко компании вече прилагат технологията в разработката на нови видове ваксини, тестове за диагностика и терапии за различни заболявания, в т.ч. и на COVID-19.

Наскоро екип с участието на създателя на сферичните нуклеинови киселини предложи нов механизъм за генетични трансформации. Вместо традиционните вирусни вектори се използват наночастици с ядро от вече познатия ни протеин Cas9 и с обвивка от ДНК и насочващи РНК молекули. Cas9 е модифициран по начин, който позволява на частиците да избегнат клетъчните механизми за защита и да повишат ефективността на редактиране. Употребата на вирусни вектори е една от спорните теми в генната терапия и възможността да ги избегнем ни води стъпка по-близо до по-широкото ѝ приложение.

Американската компания Excision е започнала клинично изпитване на генна терапия, която има за цел излекуването на пациенти с ХИВ. Вирусът е от категорията на ретровирусите, за които е характерно, че се включват в генома на гостоприемника си и така на практика стават неразделна част от него. Поради това пълното излекуване на пациентите е почти невъзможно и се разчита на поддържащи терапии.

До момента повечето опити в тази насока стъпват на откритието, че носителите на генната мутация CCR5-Delta32 се заразяват значително по-трудно с ХИВ. За съжаление, експериментите за прехвърляне на тази мутация в пациенти в повечето случаи са или неуспешни, или не дават достатъчно информация, за да се извади заключение от тях.

Може би най-известният случай е от 2018 г., когато китайският учен Хъ Дзиен-куей съобщи за раждането на първите генномодифицирани бебета, чиито ембриони са били редактирани, за да носят мутацията и потенциално да бъдат защитени от ХИВ. Първите успехи обаче са постигнати с по-традиционни подходи – вече са известни трима души, излекувани чрез трансплантация, наложила се поради онкологично заболяване. При първите двама е използван костен мозък, а при третия – кръв от пъпна връв. По време на подбора на донор са търсени носители на мутацията CCR5-Delta32 и по този начин на пациентите се дава шанс да изградят нова имунна система, устойчива на вируса. Но този подход в общия случай не е приложим, тъй като носи голям риск.

Иновацията в подхода на Excision е, че те се насочват към самия вирус с помощта на CRISPR/Cas9. С изрязването на два участъка от генома на вируса, отговорни за неговата репликация, се нарушава способността му да създава нови свои копия и се дава възможност на тялото да синтезира нови имунни клетки, чисти от вируса. Преди прилагането му при човек методът е минал успешни изпитания при мишки и макаци и не са установени странични редакции. Проучването вече е в стадий на наблюдение и се очаква скоро да бъдат обявени резултати от него. Ако експериментът е успешен, това не само ще бъде важен момент за терапията на ХИВ, но и ще даде тласък за приложението на метода при други заболявания.

Космос

За сравнително краткото време от започването на наблюденията с космическия телескоп „Джеймс Уеб“ той вече се утвърждава като източник на възхитителни нови открития и снимки.

Един от последните обекти, към които бе насочен телескопът, са т.нар. Стълбове на сътворението, заснети за пръв път от космическия телескоп „Хъбъл“ през 1995 г. Това са образувания от водороден газ и прах, намиращи се на около 6500 светлинни години от Земята, в мъглявината Орел. Тя е с внушителни размери и е един от най-активните региони, в които се създават нови звезди в нашата галактика. Самите „стълбове“ са високи около четири светлинни години – четири пъти по-големи от Слънчевата система. Вследствие на турбуленция в тях се образуват по-плътни участъци, които при достигане на достатъчна маса преминават през гравитационен колапс, загряват се и така започва процесът на образуване на нови звезди.

Наблюденията са направени с два от инструментите на космическия телескоп – NIRCam и MIRI, работещи съответно в спектъра на близката и средната инфрачервена светлина.

NIRCam ни позволява да надникнем в колоните от газ и прах. В поредица от туитове космическата агенция НАСА дава кратко обяснение на обектите в снимката – тъмночервените петна по периферията на стълбовете представляват водородни молекули, изхвърлени в горещи струи от младите звезди, които може да се видят като червени точки. Звездите, описани като „бебета“, са се оформили преди няколкостотин хиляди години и са в началото на дългата си метаморфоза.

На изображението, заснето с MIRI, повечето звезди не се забелязват. Причината е, че в тази част от спектъра са видими основно водородният газ и космическият прах. След определен етап от своето развитие звездите събират достатъчно от околния материал и вече не са обвити с прах. Поради това на снимката се виждат само най-младите звезди (в червено), които все още не са загубили тази своя покривка, докато по-старите (в синьо) почти са се освободили от нея. Космическият прах обяснява и по-малкото ярки обекти във фона на изображението – плътните участъци на Млечния път пречат на светлината от далечните галактики да стигне до детектора на телескопа.

Освен че имат естетическа стойност, тези снимки дават на учените много нова информация за количеството материал в региона, движението на облаците от прах, броя новообразувани звезди и процесите на тяхното възникване, като им помага да създадат по-точни модели на образуването на космическите тела.

За момента Марс изглежда като най-вероятното място за установяване на дългосрочна колония на друго тяло от Слънчевата система и затова немалка част от наблюденията на учените са насочени именно към него. В момента има няколко активни мисии, които постоянно разкриват тайните на пустинната планета.

Марсоходът Curiosity, изследващ повърхността на планетата от над 10 години, сега е достигнал до богат на минерални отлагания район, забелязан от орбиталната обсерватория Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) още преди кацането на апарата. Тези отлагания са от различни соли (магнезиев и калциев сулфат, натриев хлорид) и са индикация за миналото на Марс, когато по повърхността му е имало добре развита хидросфера с големи региони, покрити от вода.

С пробивния инструмент на Curiosity учените успешно са взели проба от камък, наречен Canaima. Предстои пробата да бъде изследвана с два от аналитичните уреди на борда на апарата – рентгеновия дифрактометър CheMin, използван за определянето на минералния състав, и спектрометъра SAM. Резултатите от анализа може да дадат информация дали въглеродният диоксид и метанът са от геологичен, или биологичен произход, и така да помогнат в търсенето на следи от живот на планетата.

Смята се, че регионът, в който се намира Curiosity, някога е бил голям океан. С помощта на топографска информация, получена от MRO, и подходите на стратиграфията – наука, която изучава отлагането на седименти – са намерени редица доказателства, подкрепящи тази хипотеза. Учените са разгледали над 6500 километра от флувиални натрупвания (предизвикани от движението на вода), които според тях представляват ерозирали корита на реки и делти, очертаващи океански бряг. Седиментният слой е дебел поне 900 метра, което е показател за бързо покачване на водното ниво, причинено от продължителен топъл и влажен климат. Бреговете на водоемите, в които се вливат реки, са едни от най-вероятните места за развитие на живот, тъй като водните потоци могат да бъдат източници на хранителни вещества.

Заглавна снимка: Микроскопска снимка на ДНК © Sangharsh Lohakare / Unsplash

Източник

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://toest.bg/nauchni-novini-nobelovi-nagradi-2022/

Началото на октомври винаги е вълнуващо в научните среди. Нобеловите награди са едно от най-големите постижения за всеки учен и позволяват на широката публика да се запознае с работата на пионерите в съответните сфери. В завещанието си Алфред Нобел описва пет области, които да получат признание в негово име: физика, химия, физиология/медицина, литература и мир. Шестата награда – за икономика – съществува от 1968 г. под патронажа на Шведската централна банка (Sveriges Riksbank) по случай 300-годишнината на институцията, но се администрира от Нобеловата фондация.

Лауреатите на тазгодишните Нобелови награди ще получат своите медали и дипломи в Стокхолм на 10 декември – датата на смъртта на Нобел. Имената им са вече известни и в настоящата статия ще се спрем на отличените в първите три области.

Физика

Наградата за физика е поделена между Ален Аспе, Джон Клаузър и Антон Цайлингер за тяхната работа в полето на квантовата механика и квантовите информационни науки, или по-конкретно – за създаването на нови експерименти за проучване на квантовото заплитане.

Интересно свойство на частиците е, че те могат да предават състоянието си една на друга. Ако две заплетени частици (A и B) бъдат изстреляни в противоположни посоки и едната (A) срещне трета (C) и те се заплетат, то C ще предаде свойствата си на B. Този феномен се нарича квантова телепортация и първият такъв експеримент е проведен през 1997 г. от лауреата Антон Цайлингер и неговите колеги. През следващата година колективът провежда разширен експеримент – предаване на информация между две двойки заплетени частици (A и B, C и D). Така се установява, че при срещата и заплитането между B и C информацията от A се предава на D. Тъй като при измерването на едната частица информацията се губи и в заплетената с нея, това е единственият начин да бъде пренасяна квантова информация на разстояние.

Експериментите на Цайлингер и екипа му дават възможност за пренасянето на заплетени фотони през оптични влакна и така отварят вратите за изграждането на квантови мрежи. Конвенционалните технологии не работят при тях, защото за усилване на сигнала е нужно прочитането и препредаването му, което би унищожило информацията, носена от фотоните.

Изненадващото е, че преносът на информация е мигновен – това означава, че се постига скорост, по-висока от тази на светлината, което нарушава специалната теория на относителността. Десетилетия преди доказването на ефекта от екипа на Цайлингер, в мисловен експеримент Айнщайн проявява скептицизъм и пренебрежително нарича ефекта „призрачно действие на разстояние“, като заедно с Борис Подолски и Нейтън Розен описва парадокса на Айнщайн–Подолски–Розен. Според него или е възможно незабавно отдалечено действие на разстояние върху една частица при наблюдение на другата (като се нарушава специалната теория), или квантовата механика дава непълно описание на света и в частиците има „скрита информация“, която става видима при наблюдението им – тяхното състояние е предрешено още при заплитането им.

Размишлявайки по този въпрос, през 1964 г. физикът Джон Стюарт Бел публикува статия, на базата на която е дефинирана т.нар. теорема на Бел. Според нея съществува експеримент, който може да установи дали присъства подобна скрита информация. Ако това е така, при многократно повторение на експеримента зависимостта между резултатите ще бъде по-малка или равна на определена стойност (неравенство на Бел). Квантовата механика не следва това неравенство и според нея зависимостта ще бъде по-висока, отколкото ако съществува скрита информация.

Осем години след тази публикация Джон Клаузер, с помощта на свои колеги, извършва практически експеримент, с който проверява това предположение. Екипът използва установка за излъчване на два заплетени фотона, за които се знае, че са успоредно поляризирани, но не и в каква посока. На пътя на всяка частица има поляризационен филтър, като ъглите на филтрите се променят така, че понякога да преминават и двете частици, понякога – само едната, а понякога – нито една от двете. След многократни повторения Клаузер и колегите му събират достатъчно данни, с които показват, че неравенството на Бел е нарушено.

Поради някои особености на експерименталната постановка (неефикасност, филтри с фиксиран ъгъл) се повдига въпросът дали това не е проблем и дали е възможно да се засичат само частици със силна взаимна зависимост, което би довело до отхвърляне на резултата. Ален Аспе дава отговор на това, създавайки по-чувствителен и по-бърз метод, при който информацията в кой филтър ще попадне фотонът, не достига до излъчилия го източник. Така съмненията в експеримента на Клаузер отпадат и мистерията е разплетена – няма скрита информация и квантовата механика е валидна.

Въпреки че учените не знаят как работят тези механизми, които пасват добре на крилатата фраза на Артър Кларк, че „всяка достатъчно напреднала технология е неразличима от магия“, от откритията следват много практически приложения в квантовите изчисления, криптография и пренос на данни, които тепърва предстоят. Например изграждането на „квантов интернет“ не само ще осигури мигновено получаване на информацията, без значение какво е разстоянието, но и ще гарантира сигурност, защото данните ще могат да бъдат прочетени само веднъж от определения получател.

Химия

Наградата за химия е присъдена на Каролин Бертоузи, Мортен Мелдaл и Бари Шарплес за разработването на т.нар. клик химия и биоортогонална химия.

В процеса на милиони години еволюция живите организми са развили способността да произвеждат изключително широк набор от вещества. Клетките им са като малки химични фабрики, в които постоянно протичат различни реакции и едни молекули биват разграждани, за да се получат други. Целият метаболизъм на организмите е низ от подобни процеси.

С помощта на химичния синтез учени и технолози могат да пресъздадат това, произвеждайки най-различни молекули, които много често са вдъхновени или директно копирани от природата. Те може да са витамини, антибиотици, пестициди. За съжаление, процесът невинаги е лесен и за синтезирането на по-сложните целеви молекули са нужни множество стъпки, всяка от които има своите особености. Понякога пречките са свързани с по-ниската ефективност на реакцията, друг път – с получаването на допълнителни продукти, които трябва да се премахнат преди продължаване на процеса. Това затруднява и оскъпява производството.

През 2001 г. колектив с участието на Бари Шарплес публикува статия, в която се изказва тезата, че вместо да се концентрира върху създаването на идентични на природните молекули с химични връзки, което се постига трудно, синтезът трябва да бъде насочен към такива молекули, чиито компоненти се свързват бързо и получените продукти са стабилни. Авторите на статията наричат това клик химия – процес, при който съставните части просто „щракват“ една с друга, без усложняващи реакцията фактори.

Скоро след това екипите на Бари Шарплес и Мортен Мелдал, независимо един от друг, откриват практическо приложение на тази идея, което покрива и две от важните ѝ изисквания – да протича при нормална температура и във водна среда. Те показват, че бързо и без странични продукти може да се създаде стабилна връзка между две химични групи (алкини и азиди), като се използва химическият елемент мед за катализатор на реакцията.

Това разкрива много хоризонти, тъй като с добавянето на тези две групи към различни молекули те вече могат да се свързват лесно и ефективно. Често срещана аналогия е със сглобяването на „Лего“ – стига нужните части да са налични, те могат да се комбинират в най-различни вариации, образувайки нови, по-големи молекули. Така се дава възможност за по-бързо и икономически изгодно създаване на нови материали, наноструктури, биологично активни вещества и други. Употребата на клик реакциите вече има практическо приложение в производството на медикаменти.

С това свое постижение Шарплес става пети член на изключителния клуб на двукратните Нобелови лауреати. С първата награда е удостоен през 2001 г. за работата си върху улесняването на реакции за добавяне на кислород към молекули, към които впоследствие може да се прикачат други атоми – стъпка за изграждането на по-сложни продукти.

Каролин Бертоузи, третата носителка на тазгодишната награда, развива и адаптира този метод за приложение в клетъчната биология.

Гликаните са полизахариди, които се срещат често по повърхността на клетките и вземат участие в много биологични процеси – например във взаимодействието между вирусите и клетките. Поради това те са важен, но същевременно сложен обект за изследване в живи организми, защото, за разлика от нуклеиновите киселини и протеините, тяхното изолиране и локализиране е трудно. Идеята на Бертоузи е да бележи тези молекули, но по начин, който не пречи на нормалното функциониране на клетките – подход, който тя нарича биоортогонален.

Основите за това тя полага още преди създаването на термина клик химия, с помощта на вече позната реакция между две химични групи – азидна и фосфорсъдържаща. Целта е да се създаде модифициран въглехидрат с вмъкната азидна група, с който да се захранят клетките, а те от своя страна да го включват в гликаните по повърхността си, без това да наруши тяхното развитие.

След като откритието на Шарплес и Мелдал става известно, Бертоузи осъзнава, че към азидните групи лесно може да бъде прикачено флуоресциращо багрило, което има алкин в структурата си. Пречка за това е използваният катализатор – в по-високи концентрации медта е отровна за живите организми. Преодоляването на тази спънка става благодарение на използването на подход от 1961 г., при който връзката се установява чрез промяна на конформацията на едната група – иначе казано, пространственото разположение на нейните атоми. Тази клик биоортогонална реакция без мед е успешно приложена за визуализация и проследяване на гликани в клетките, което дава възможност за непознат досега поглед върху движенията и взаимодействията им с вируси и други клетки.

Област, в която методът намира пряко приложение, е изследването на туморни клетки. Интересно откритие е, че някои от тях са покрити със специфични гликани, които ги предпазват от имунната система. За да предотвратят това, Бертоузи и екипът ѝ са създали медикамент, който в момента е в процес на клинични изпитвания. С помощта на ензими той разгражда гликаните по повърхността на туморните клетки, давайки възможност на имунната ни система да ги атакува.

Физиология/медицина

В тази категория призът се връчва на Сванте Пеебо за откритията му в областта на човешката еволюция и геномите на изчезнали хоминини.

Произходът ни е въпрос, който от древни времена занимава хора от най-различни области – философи, теолози, естествоизпитатели, биолози. Въпреки близките прилики с другите човекоподобни, какво ни прави уникални в способността да овладеем природата и да я подчиним на волята си? Именно на този въпрос е посветена научната кариера на Пеебо – показвайки как се е оформил съвременният човек (Homo sapiens), какъв път сме извървели до днес и с кого сме се срещнали по него.

Наличната информация сочи, че Европа и Западна Азия преди около 400 000 години са били населени от неандерталците – наш близкородствен вид, който изчезва преди 30 000 години. Homo sapiens се появява преди 300 000 години в Африка, а преди 70 000 години отделни групи се преселват към Близкия изток, откъдето по-късно видът се разпространява по цялата планета. Един от основните начини да разберем как са съжителствали двете групи в продължение на десетки хиляди години, е да вникнем в техните геноми.

Ключов за това е мащабният проект за прочитане на целия човешки геном Human Genome Project, започнал към края на миналия век. В него са инвестирани много ресурси и технологията за секвениране на ДНК бележи изключителен прогрес за много кратко време. Публикуването на целия човешки геном през 2001 г. е едно от особено важните научни постижения. Но за да бъдат сравнени отделните геноми, е нужен и този на неандерталците. И тук изниква сериозна пречка – налага се извличане на ДНК от кости на 40 000 години, което въпреки модерните технологии не е лека задача. С времето генетичният материал деградира и се накъсва, а наред с това се натрупват замърсявания от различни източници – от микроорганизми или от самите изследователи.

Тук се включва Пеебо – след като защитава докторската си дисертация, той започва да разработва методи за изолация на ДНК от такива стари проби. Първоначално работата му се концентрира върху митохондриите – това са клетъчни органели (структури, отговарящи основно за енергийния метаболизъм на клетките), които носят собствен, многократно по-компактен генетичен материал. Поради малкия размер на митохондриалния геном и по-големия брой негови копия (всяка клетка носи само едно ядро, но множество митохондрии) това е добра първа стъпка, която позволява да се усъвършенства процедурата за работа с древна ДНК.

Любопитен факт е, че тъй като митохондриите се наследяват само от майката, информацията в тях може да се използва за генеалогични проучвания и в полето на еволюционната биология за проследяване на наследственост и близкородственост. След като успешно се справят с тази задача, Пеебо и колегите му се фокусират върху основната си цел и през 2010 г., с помощта на разработените от тях методи и съвременните технологии за секвениране, те публикуват неандерталския геном.

Малко преди това, през 2008 г., в Денисовата пещера в Сибир са открити останки, датирани на 40 000 години. Оказва се, че генетичният материал в костите е изключително добре запазен, и използвайки натрупания опит, през 2012 г. колективът на Пеебо публикува генома от тези останки. Откритието от пещерата се оказва сензация, тъй като при сравняване на резултатите учените установяват, че костите са от досега неизвестен родственик на хората – Денисовия човек. Вече са намерени останки и от други индивиди както в същата пещера, така и в пещери в Китай и Лаос.

Тези открития разкриват интересна картина на съвместен живот на три отделни групи – неандерталците, концентрирани в Европа и Западна Азия, денисованците, обитаващи предимно Източна Азия, и съвременния човек, който с времето се разпространява глобално. Геномните изследвания показват, че съжителството е било изключително близко. Останките на един от откритите индивиди са на млада жена, чиято майка е била неандерталка, а бащата – денисованец.

Но тези взаимовръзки не са останали само в миналото. От получените данни вече знаем, че между 1 и 4% от генома на съвременните хора с европейско и азиатско потекло са с неандерталски произход, докато в популациите от Меланезия и части от Югоизточна Азия се откриват до 6% ДНК от Денисовия човек. Тази информация е не само от историческо, но и от медицинско значение. Голям процент от тибетците носят разновидност на гена EPAS1, която подобрява транспорта на кислород в тялото, давайки им предимство във високите планини, където въздухът е по-рядък. Този белег е открит в генома на денисованците и се предполага, че е наследен от тях. От тях и от неандерталците сме получили и гени, участващи в имунната ни система. Наблюдението, че тя е по-активна при хора с африкански произход, като при тях се срещат по-често и автоимунни заболявания, затвърждава нуждата от запознаване с нашите предшественици, за да можем да дадем по-добър шанс на потомците си.

Сванте Пеебо върви по пътя на своя баща Суне Бергстрьом, който преди точно 40 години е удостоен с Нобелова награда в същата категория за открития, свързани с простагландините и техните съединения. Това са физиологично активни липиди, които се срещат в почти всяка тъкан в животинското тяло и имат действие, сходно на хормоните. Основавайки изцяло новото научно поле на палеогеномиката, Пеебо ни позволява да надникнем назад във времето и да разберем повече за своя произход.

Заглавно изображение: Микроскопска снимка на стъбло на едногодишен бор, напречен разрез, 100х увеличение. Източник: BCC Bioscience Image Library, CC0 / Flickr

Източник

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://toest.bg/science-news-covid19-crispr-ai-cosmos/

COVID-19

Въпреки че най-разпространените в момента варианти на SARS-CoV-2 предизвикват сравнително леки симптоми (особено при ваксинирани), продължават да се натрупват данни за дълготрайни и непредвидени до момента последствия.

В скорошно изследване на екип от Каталуния е констатирано, че една година след преболедуване в над една трета от неваксинираните не може да се засекат антитела, особено в групата на над 60-годишните и на пушачите. Резултатите от проучването потвърждават и че хибридният имунитет е по-силен и по-дълготраен от постинфекциозния, поради което учените препоръчват поставянето на бустерни дози и на вече преболедували. В комбинация с наблюдението, че след поставени две ваксини поне две седмици преди заразяване с вируса вероятността от дълъг ковид намалява почти наполовина, тези данни показват ясната полза от ваксинацията.

В друго изследване е установено, че дори леките случаи на заболяването по време на бременност увреждат способността за имунен отговор на плацентата при последващи инфекции. Според учените това може да се окаже само върхът на айсберга и те смятат, че тези деца ще трябва да се наблюдават в по-продължителен период, за да се проследи здравето им. Препоръката на изследователите към бременните е да се възползват от достъпните за тях ваксини, да носят маска и по възможност да ограничат контактите си, особено с неваксинирани.

Добрата новина е, че при анкетиране на бременни и кърмещи жени съобщените нежелани реакции към трета доза ваксина (бустер) 24 часа след поставянето ѝ са били рядкост. Въпреки че локалните симптоми (болка и зачервяване) са били завишени в сравнение с контролната група, едва 2,4% от бременните са съобщили за реакции, свързани с бременността (основно контракции при жени в трети триместър), а само 3,5% от кърмещите са отбелязали намаляване в количеството кърма.

Нови приложения на CRISPR

През десетте години след публикуването на статията, описваща възможностите на системата CRISPR/Cas9, учените постоянно откриват нови начини за нейното приложение.

Сливането на хромозоми е процес, който се среща в природата – понякога като следствие на еволюцията, друг път в резултат на злокачествени процеси, които водят до редица здравословни проблеми. В статия, публикувана в списание Science, е описано първото успешно подобно сливане в лабораторни условия при бозайници. С помощта на CRISPR/Cas9 учените са слели хромозоми на мишки, които впоследствие могат успешно да се възпроизвеждат с нередактирани партньори. Въпреки някои отчетени проблеми – по-малобройно потомство, симптоми на тревожност и общи поведенчески промени, тази публикация отваря вратите за много бъдещи изследвания. С помощта на този метод могат да бъдат проучени по-основни теми – като еволюцията на хромозомите и разпределението им по време на мейоза (деленето на половите клетки), но и по-практично ориентирани – например развитието на някои видове тумори.

Наборът с инструменти на генетичните инженери се увеличава и с други нови открития. За разлика от Cas9, който модифицира ДНК, Cas13 има способността да реже едноверижна РНК. Както при Cas9, и при него са възможни нежелани редакции на непредвидени места. Поради това учените са създали система за белязване на такива редакции и над 200 модифицирани варианта на протеина и така са успели да открият варианти, които запазват ефективността си, без да променят РНК на непредвидени места. Тъй като РНК молекулите се задържат за сравнително кратко време в клетките и не се интегрират в генома, тази технология дава възможност за временни промени в клетките – подход, който се счита за по-безопасен.

Освен да срязва РНК молекулите на точно специфично място, Cas13 има способността да прави това и с близки РНК молекули. Като се използва тази негова възможност, е създаден бърз и прецизен тест за SARS-CoV-2, който може да се извършва и извън лабораторни условия само със секрет от носа и гърлото на пациента. Тъй като във формата, в която се среща в природата, протеинът не е с достатъчна чувствителност за приложение в диагностиката, екипът го е модифицирал, като е подобрил способността му да се свързва с РНК. Така е постигната възможността за детекция на 12 вирусни копия в един микролитър. Това го прави много по-чувствителен и по-прецизен от познатите бързи антигенни тестове, тъй като взаимодейства директно с генетичния материал на вируса, а не с белтъците от обвивката му. Поради гъвкавостта на системата тестът може да се приложи и за други вирусни заболявания – като зика, денге, ебола.

Изкуственият интелект в полза на медицината

Изкуственият интелект става широкодостъпен и интерактивен – най-вероятно немалка част от интернет потребителите са се забавлявали с изображенията, генерирани от Craiyon, а преди няколко години AlphaGo стана първата компютърна програма, победила човек на играта Go. Поради това не е изненада, че сходни похвати навлизат все повече и в други полета на науката.

Употребата на втора версия на AlphaFold (изкуствен интелект за предсказване на пространствената структура на протеини) става изключително популярна след публикуването и отварянето на кода му през юли 2021 г. Според статистика на списание Nature само два месеца след публикацията вече се подават по над 75 статии на месец. Програмата е създадена от екип на DeepMind, подразделение на Alphabet (компанията майка на Google).

Сега учените правят следващата стъпка с използването на изкуствен интелект за дизайн на нови протеини, като резултатите им са публикувани в три статии в списание Science. Първата е за създаване на нова структура с помощта на един от двата подхода – „халюцинация“, който работи на сходен принцип като при създаването на изображения от зададен текст в Crayion, или „запълване“, при който се използват похватите на автоматичното допълване (autofill) при текстово търсене по ключова дума. Така може да се зададат желани региони в протеина, които да имат конкретна активност или структура. Следва генериране на аминокиселинната последователност с помощта на новосъздаден инструмент (ProteinMPNN), който значително ускорява тази стъпка. Финално последователностите се анализират с помощта на AlphaFold, за да се потвърди, че ще бъде получена желаната пространствена структура. Някои от тези протеини са изпитани и в лабораторни условия, където е потвърдено, че кристалната им структура отговаря на структурата, създадена от алгоритмите.

Защо това е революционна технология ли? Защото с нея може да се създадат напълно нови протеини без аналози в природата. Едно от приложенията, посочени от авторите на изследването, е проектирането и изработването на биоматериали и все по-сложни компоненти за наномашини – малки „роботи“, които могат например да навлизат в човешките артерии и да разбиват плака или пък да внасят лекарства само в определени тъкани. Но това е само малка част от хоризонтите, които методът разкрива – приложението му може да намери място в най-различни биотехнологични процеси, като създаване на ваксини и различни терапевтични средства, устойчиво производство на биомаса и биогорива и др.

Изкуственият интелект се използва успешно и при създаването на нови медикаменти. Ключова стъпка в този процес е откриването на подходящо взаимодействие между целевата молекула в тялото на пациента и тази на лекарството, но поради големия брой потенциални взаимодействия задачата не е лесна. Прилагането на машинно самообучение помага значително.

Нов модел (AttentionSiteDTI), базиран на т.нар. обработка на естествен език (NLP), е описан от авторите му като голяма стъпка напред. Основните предимства на този подход са улесненото въвеждане на данни, който позволява използването на метода за по-широк набор от взаимодействия, и по-високата му скорост, за разлика от методите, базирани на други алгоритми. Ефективността му е потвърдена успешно в лабораторно изпитване на способността за свързване на седем молекули със спайкпротеина на SARS-CoV-2 (или ACE-2 рецепторите на човешки клетки), при което пет от тях са показали очаквания от модела резултат. Авторите смятат, че благодарение на гъвкавостта и високата си възпроизводимост, този метод може да бъде ключов в процеса на въвеждане на нови лекарства на пазара.

Алгоритми се използват и за проверка на това дали новосъздадените медикаменти могат да проявят токсичност към организма. За съжаление, тези алгоритми имат и своята тъмна страна. Само с промяна на условието – да се търсят токсични вместо нетоксични молекули – за по-малко от 6 часа са генерирани 40 000 химични структури на отровни вещества. Част от тях са вече познати химически оръжия, включително изключително опасният нервнопаралитичен агент VX, но има и нови, някои от които са със значително по-висока средна летална доза спрямо VX. Както авторите отбелязват, „духът вече е излязъл от бутилката“ и предстои много сериозна дискусия относно бъдещото развитие на тези технологии и създаването на механизми за ограничаване на възможността за използването им със зъл умисъл.

Повече по темата можете да чуете в епизода 40,000 Recipes for Murder на подкаста Radiolab.

Необятният Космос

Наблюдаването на астрономически събития, като слънчевите затъмнения, може да окаже сплотяващ и помиряващ ефект върху обществата, възприемано като изживяване на колективно чудо и източник на вдъхновение и възхищение. До този извод са достигнали авторите на проучване, в което са анализирани реакциите на почти 3 млн. потребители на социалната мрежа Twitter, за да се изследва социалното въздействие на пълното слънчево затъмнение през 2017 г. Според резултатите от изследването вероятността потребителите, попаднали в зоната на пълното затъмнение, да използват думи на благоговение е била над два пъти по-висока от тези извън него. Над 1,5 пъти по-вероятно е било да използват думи, свързани с общност и принадлежност (например „ние“). Увеличили са се и позитивните емоции.

Изводите от това изследване ще можете да изпитате и сами – макар че от територията на България няма да може да бъде наблюдавано като пълно, на 25 октомври около 12:30 ч. ще започне слънчево затъмнение. Максимумът му ще настъпи около час след това, като колкото по̀ на изток се намирате, толкова по-голяма част от слънчевия диск ще бъде закрита. Ако възнамерявате да наблюдавате явлението, използвайте подходящи защитни очила или филтри.

Системата от пръстени на Сатурн е най-разпознаваемата в нашата Слънчева система поради възможността за наблюдението ѝ със сравнително малко увеличение. Нов модел предлага обяснение за тяхното образуване, както и за наклона на оста на планетата спрямо орбиталната равнина. Според хипотезата преди около 160 млн. години орбитата на една от луните му (наречена от екипа Chrysalis, „какавида“) се е дестабилизирала и вследствие на приливните сили Chrysalis е била разкъсана на парчета, които с времето са оформили системата от пръстени на планетата (преди около 100 млн. години). Това е нарушило и баланса между Сатурн и Нептун, променяйки наклона на оста му. Предполага се, че най-вероятната причина е „побутване“ от Титан (най-голямата от 83-те луни на Сатурн), като това би обяснило и по-ексцентричната му орбита.

Но пръстени имат и четирите гиганта в нашата Слънчева система. С помощта на детектора за близка инфрачервена светлина на телескопа „Джеймс Уеб“ са направени най-ясните снимки на пръстените на Нептун след получените от космическата сонда „Вояджър 2“ при прелитането ѝ покрай планетата през 1989 г. Заради използването на този детектор планетата няма характерния си син цвят и изглежда сравнително бледа – и двата ефекта са вследствие на наличието на метан в атмосферата ѝ. Видими са и облаци от метан, които са високо в атмосферата и успяват да отразят повече от слънчевата светлина. На снимката се виждат и 7 от 14-те известни луни на Нептун, като най-впечатляващ е Тритон, който с покривката си от замръзнал азот отразява около 70% от попадналата върху него слънчева светлина. Това затвърждава успешното въвеждане в експлоатация на телескопа „Джеймс Уеб“ като едно от най-значимите събития в астрономията през последните години.

Заглавно изображение: Микроскопска снимка на стъбло на петгодишен бор, напречен разрез, 40х увеличение. Източник: BCC Bioscience Image Library, CC0 / Flickr

Източник