Биотехнологии

Клетка растения содержит полный набор инструкций для воссоздания всего организма. Её можно откатить до эмбрионального состояния или заставить заново отрастить растение целиком.

Методу почти 100 лет, но прямо сейчас он стал промышленным и начал заметно менять рынки.

Особенно это касается косметики, медизделий и фармы. Многие комплексы дешевле получить из вагона ромашек в биореакторе, чем синтезировать каждый компонент по отдельности. Редкий хмель, который был нужен пивоварне, за один цикл клонирования (около месяца) выдал 119 растений из одного образца.

Так уже спасают редкие виды, так реанимировали Silene stenophylla 32-тысячелетней давности, которую нашли под слоем вечной мерзлоты, и так сейчас клонируют редчайшие коллекционные растения.

Добро пожаловать в мир рибофанка: теперь можно фармить любое растение на электричестве очень быстро!

Тридцать лет назад, летом 1996 года, весь мир обсуждал только одно: первое в мире клонированное млекопитающее, милую овечку по имени Долли. Тема не сходила с первых полос СМИ и попала в кино того времени, ее обсуждали как в популярных телешоу, так и на государственном уровне — этично ли клонировать человека? Можно ли считать такой клон отдельной личностью? Какие у него будут права?

Сегодня, несмотря на то, что наука серьезно продвинулась вперед в этой области, новых прорывов, подобных овечке Долли, не наблюдается, да и в целом человечество как будто серьезно охладело к теме клонирования. Почему? Разбираем, что это было, почему кончилось и какие у этой области шансы на развитие в XXI веке.

Медузы-кристаллы обладают таинственной красотой: благодаря особому белку они излучают слабое зелёное свечение. На протяжении десятилетий исследователи использовали этот зелёный флуоресцентный белок и подобные молекулы, чтобы «осветить» область биологии, отслеживая процессы, происходящие внутри клеток.

Теперь эти широко применяемые инструменты обретают новую жизнь: их квантовые свойства используются для того, чтобы превратить их в подобие фундаментальных элементов квантовых вычислений. «Эти флуоресцентные белки, которые все используют в качестве флуоресцентных меток, на самом деле можно превратить в кубиты», — говорит Питер Маурер, инженер-квантовик из Чикагского университета в Иллинойсе. Эта идея «звучит как научная фантастика», — признаёт Маурер. Но физика здесь не нова, и уже доказано, что этот подход в принципе работает.

Роботы создают эмбрионы. ИИ научился читать ДНК. Клетки мозга пилотируют дроны. Кажется, мы пересекли какую-то черту, но об этом никто особо не объявлял Это свежие заметки о жизни на пороге сингулярности.

Этот выпуск тематический. Его центральная тема — биотехнологии будущего и их влияние на общество. Один номер, одна рамка и две стороны медали: корпоративная и анархистская, плюс множество ссылок про то, как люди ломают и чинят биологию. Читайте по порядку или сразу листайте до дайджеста — выбор за вами.

Китайский регулятор выдал первую в мире лицензию на коммерческое использование инвазивного интерфейса «мозг-компьютер». Разрешение получило устройство NEO, которое позволяет парализованным пациентам силой мысли управлять роботизированной перчаткой.

Это решение переводит нейротехнологии из стадии экспериментальных клинических испытаний, на которой сейчас находятся американские аналоги вроде Neuralink, в статус легального серийного медицинского продукта. Выдача лицензии спровоцировала резкий скачок акций профильных биотехнологических компаний на азиатских биржах.

Уолтер Айзексон — человек, который умеет выбирать героев. После биографий Стива Джобса, Эйнштейна и Леонардо да Винчи он взялся за историю, которая разворачивается прямо здесь и сейчас. Его героиня — Дженнифер Даудна, лауреатка Нобелевской премии по химии 2020 года и одна из создательниц технологии редактирования генома CRISPR-Cas9.

Группа исследователей впервые смоделировала полный жизненный цикл живой бактериальной клетки с наномасштабным разрешением, отследив поведение каждого гена, белка и химической реакции от репликации ДНК до клеточного деления. Результаты исследования, опубликованные в журнале Cell, открывают возможность заменить сотни реальных лабораторных экспериментов одной комплексной 4D-симуляцией.

Защитимся от вирусов!

Представьте мир, в котором Covid, ВИЧ, гепатит и герпес — это не болезни, а исторические факты. Мир, где сезонный грипп не валит с ног, а новые пандемии просто не могут начаться, потому что вирусы не могут размножиться.

Давайте посмотрим на проблему с высоты птичьего полёта и предложим решение, которое заставит эволюцию вирусов отстать от человечества на миллион лет.

Если человечество намерено осваивать дальний космос, жить и работать на других планетах, нам придётся взять с собой земную среду. Это включает системы жизнеобеспечения, использующие биологические процессы (так называемые биорегенеративные системы), а также множество видов микробов, необходимых для нормальной жизнедеятельности. Люди уже берут с собой микробы, отправляясь в космос, в частности на Международную космическую станцию (МКС). Эти микробы становятся частью естественной среды, прилипая к поверхностям, разрастаясь в укромных уголках и проникая повсюду.

Учитывая их постоянное присутствие, крайне важно понять, как они выживают в космосе. Кроме того, их способности потенциально могут обеспечить бо́льшую самодостаточность в космосе. Например, некоторые виды бактерий и грибов извлекают минералы из горных пород в качестве источника питательных веществ. В недавнем исследовании на борту МКС учёные из Корнеллского университета и Эдинбургского университета изучали, как эти виды можно использовать для извлечения платины из метеорита в условиях микрогравитации. Их результаты показывают, что это может быть эффективным методом получения минеральных ресурсов в космосе и уменьшения зависимости от Земли.

Космическое производство лекарств (космическая фармацевтика) — это создание медицинских препаратов в условиях микрогравитации на орбите Земли. Производство лекарств в космосе даст возможность получить вещества, которые очень сложно или невозможно создавать на поверхности Земли. В условиях невесомости (микрогравитации) подавляются гравитационные движения, связанные с перепадами температуры и концентрации. Так, исключение конвекции в расплаве ведет к стабилизации температурного поля, уменьшению макро- и микросегрегации, возрастанию устойчивости плоского фронта кристаллизации, в связи с чем может быть достигнуто существенное улучшение показателей совершенства материалов: снижена плотность структурных дефектов, более однородным может стать распределение примесей, улучшится дисперсность структуры, могут образоваться новые фазы с полезными свойствами и т.д. 

О них сегодня мы и поговорим.

Нейрофизиология долгое время развивалась в рамках представления о мозге как о системе передачи сигналов. Нейрон в такой модели рассматривался как элемент электрической цепи, а нервная система — как сложная сеть проводников, по которым распространяются импульсы. Подобная картина хорошо соответствовала открытиям XIX–XX веков, когда были описаны потенциалы действия, синаптическая передача и основные принципы нейронной связи. Однако по мере накопления экспериментальных данных стало очевидно, что эта модель не объясняет многих особенностей реальной мозговой активности. Исследования последних десятилетий показывают, что нервная система обладает собственной динамикой, способной генерировать сложные формы активности даже при отсутствии внешних стимулов. Это постепенно приводит к пересмотру классических представлений о работе мозга и формированию более сложной системной картины нейронных процессов.

«Если я дам людям диагностический инструмент, который позволит им получить ребёнка, у которого в три раза выше шансы поступить в MIT, я думаю, что люди будут заинтересованы».

Хотя это звучит как фраза из научно-фантастического фильма, на самом деле это цитата Стива Хсу, профессора физики Мичиганского государственного университета и соучредителя Genomic Prediction — компании, которая предлагает родителям новую технологию под названием полигенный отбор эмбрионов.

В фильме 1997 года «Гаттака» мышление, отражённое в высказывании Хсу, привело к антиутопии, где дети зачинались в лабораториях, а общество делилось на генетически обеспеченных и необеспеченных. Когда фильм только вышел, репродуктивные технологии, изображённые в нём, были научной фантастикой, но сегодня они быстро становятся научной реальностью.

Всем привет, меня зовут Дмитрий Грибанов, я член команды преподавателей курса «Нейронауки и нейроинтерфейсы» в Центральном университете. На данном курсе мы обучали студентов, как с помощью Python и интерфейса мозг-компьютер управлять каким-либо устройством «силой мысли», а в конце устроили настоящие нейро-гонки в виде соревнования.

Статья приурочена к празднованию дня кошек в России

Когда я поступала в AI Talent Hub от ИТМО, я ожидала, что прокачаю свои навыки в Machine Learning и Data Science, т.е. научусь обучать модели, работать с нейросетями и оптимизировать функции потерь. Я не ожидала, что научусь лучше понимать естественный интеллект, себя и своих пушистых друзей. На первый взгляд, мне казалось, что между котиками и ИИ нет ничего общего. Ведь модели мне казались сплошной стерильной математикой. У моделей нет эмоций, нет страха, они не помнят боли и жестокости улицы, они просто минимизируют loss function. Но чем глубже я погружалась в принципы обучения искусственных систем, тем яснее становилось, что фундаментальные механизмы обучения универсальны.

Расшифровав человеческий геном (им, кстати, был геном самого Джеймса Уотсона, одного из авторов модели двойной спирали ДНК), ученые недолго довольствовались результатом. Наука концентрировалась на больших генах, кодирующих крупные белки длиной в ~300 аминокислот, но обнаружилось, что такие гены занимают всего ~1–2% ДНК. Все остальное, по логике экономии объяснений, решено было считать «мусором» — junk DNA, накопившимся побочным продуктом эволюции.

Еще до открытия структуры ДНК Уотсон и Крик наблюдали случаи, когда темный протеом (или «темная материя генома», по выражению журналиста New Scientist) вел себя далеко не пассивно. А через полвека обнаружилось: то, что считали шумом и мусором, скрывает миллионы smORF (малых открытых рамок считывания), способных кодировать небольшие белковые соединения — микропротеины.

По разным оценкам, в человеческом геноме может существовать ~3 млн таких потенциальных микробелков. Экспериментально подтверждено — лишь ~1 200. Функции известны и того меньше. Было очень мало способов понять, какие из них действительно важны.

Большинство данных на фермах оседает в Excel-таблицах и тетрадках зоотехников. Вместе с командой Genome AI (акселератор Talent Hub ИТМО и Napoleon IT) разбираемся, как машинное обучение превращает генетический «шум» в прогнозы продуктивности. В статье — про гибридные модели (CatBoost + PyTorch), работу с SNP-маркерами, кривые лактации и то, зачем корове цифровой двойник. Без абстракций — только код на R, визуализации и архитектура пайплайна.

Если вы хоть раз держали в руках учебник биологии, у вас сложился образ рибосомы как идеального молекулярного конвейера. Этакая нанофабрика, жужжащая в каждой клетке, считывающая чертежи с мРНК и штампующая белки с космической точностью. Красивая картинка. Но с инженерной точки зрения это чудовищно неэффективная штука.

Правда такова: рибосома — это пережиток, молекулярный реликт эпохи РНК-мира, который природа так и не смогла толком модернизировать за миллиарды лет. Её КПД ниже плинтуса, а метод работы — нечто среднее между тупым перебором и лотереей. Но есть и хорошая новость: мы, как инженеры, уже сейчас можем предложить концептуальный проект, который в будущем отправит эту древнюю конструкцию на свалку.

Эффективные рибосомы способны дать организму колоссальные преимущества. Перспективы фантастические. Об этом в конце статьи.

Поздний вечер. Лаборатория молекулярных биотехнологий. Я тысячный раз пересматриваю все полученные за месяц работы хроматограммы очистки фитазы, не понимая, почему целевой пик уехал куда‑то вбок, совершенно не туда, куда надо. Бывший одногруппник, нынешний коллега мощно отхлебывает дешевый кофе из автомата, почти в упор разглядывая на мониторе кристаллографический снимок комплекса белка с ДНК. Разноцветные спирали, точные координаты каждого атома, красивые торсионные углы. Бормочет:

‑Ну красота, балдеж просто...

‑Угу, — отвечаю, не отрываясь от ионнообменной колонки.

‑Забавно, что мы, по сути, просто развлекаемся со всей этой наукой...

Не понял. Я точно не развлекаюсь, послал бы ко всем чертям эту хроматографию и пошёл бы домой, дооткрывать персонажей в Lego Marvel Super Heroes 2. Интересуюсь, что это он такое говорит.

‑Вот эта красивая картинка, — показывает снова структуру белково‑нуклеинового комплекса, — это понятная нам визуализация, так? Спиральки, полосочки, палочки да точечки. Ничего этого ведь на самом деле нет... Всё это — модель на модели, и моделью погоняет. Понимаешь?

Понимаю.

Представьте, что вы получили в наследство проект, который писали 4 миллиарда лет. Документации нет, автор (Эволюция) — типичный адепт «быстрого прототипирования», который фигачил костыль на костыль, лишь бы оно не развалилось в продакшене прямо сейчас. В итоге мы имеем систему, где в каждой клетке подгружен весь исходный код огромного организма, 90% которого просто закрыто «заглушками».

Сегодня мы поговорим о том, почему наш геном — это архитектурный кошмар, и как мы будем его рефакторить в ближайшем будущем.

Шел 2025-й год, а наши слабые тела так и не были напичканы аугментациями. Нейроны изучали уже десятки лет, мемристоры были не в новинку, нейроморфная электроника создавала один имитатор нейрона за другим, но живая плоть ни в какую не хотела сочленяться с металлами и полимерами. 

Посвященные знали: проблема проста — масштаб. Кремниевые компоненты работали на напряжениях и токах, которые могли бы выжечь нервную клетку быстрее, чем та успеет передать сигнал. А электрический язык живой материи — это милливольты, наноамперы, пикоджоули. Мысли, речь, память — все реализуется в рамках мощности обычной лампочки — 20 Вт на мозг целиком. Инженеры упорно пытались подчинить мозг правилам кремния, но мозг не сдавался.

Надежда зародилась лишь к концу года — инженеры MIT опубликовали в Nature Communications статью, в которой впервые описали искусственный нейрон, работающий на биологически релевантных величинах. Переходы в мемристоре происходили уже при ~60 мВ и наноамперных токах, а отдельный нервный импульс достигал около 120 мВ и требовал энергию всего в десятки пикоджоулей. Так у человечества впервые появилась возможность когда-нибудь примирить электронику и живое тело — а помощником в этом суждено было стать бомбардирующей грязь электронами бактерии…