Биотехнологии

Недавно мы с командой посетили ряд производств томатов и выяснили, что в среднем время полного осмотра одной промышленной теплицы занимает неделю, при этом болезни могут распространяться за сутки. Решением этой проблемы может быть автоматизированный осмотр тепличного хозяйства. Развитие гиперспектральных технологий открывает новые возможности для неинвазивного мониторинга состояния растений: спектральные характеристики тканей позволяют выявлять скрытые признаки заболеваний на ранних стадиях, ещё до проявления внешних симптомов. Это делает гиперспектральную съёмку перспективным инструментом для создания автоматизированных систем анализа фитопатологий и внедрения их в практику точного земледелия.

Вашему вниманию предоставлен материал, созданный командой ИППИ РАН, МФТИ и компанией РуСофт, который позволит читателю лучше узнать о технологиях, которые мы используем для регистрации и анализа спектральных характеристик растений, какие заболевания листьев видны в инфракрасном свете, и как с помощью этого узнать, когда надо собирать урожай.

Подробности – под катом.

Еще недавно опубликовал материал о том, что в Кремниевой Долине пошел тренд на генетический отбор эмбрионов, в пользу маркеров интеллекта. Но как быть тем, кто уже родился? Можно ли замедлить старение на генетическом уровне, тем самым подарив себе дополнительные годы функциональной жизни? Пока неизвестно, но цели уже есть.

Привет! Это Маша Синдеева, научный сотрудник группы дизайна белков AIRI. Основное направление нашей группы — это разработка ИИ‑моделей для задач, связанных с дизайном белков.

В этом посте я постараюсь рассказать о том, что такое белки, как устроен процесс их дизайна, и как с этим может помочь наша новая статья AFToolkit: a framework for molecular modeling of proteins with AlphaFold‑derived representations, которая вышла в журнале Briefings in Bioinformatics, и которую мы написали вместе с ребятами из группы органической химии AIRI.

Искусственный интеллект превращается из инструмента в полноценного партнера ученого. В этом большом обзоре мы рассмотрим, как LLM вроде AlphaFold 3, TxGemma и ChemLLM совершают революцию в биологии, медицине, химии и материаловедении, переходя от анализа данных к проектированию будущего.

Суть в том, что до сегодняшнего дня было невозможно пересадить функциональные, зрячие человеческие глазные яблоки. Однако учёные сделали большой шаг в этом направлении, разработав устройство для пересадки глаз. Хотя изначально предназначение этого устройства, ЭКМО, было немного иным.

Можно трансплантировать органы, штаммы бактерий в микрофлору или даже гены. Но сегодня речь пойдет о первой в истории трансплантации поведенческого паттерна, да еще и между видами! Ученые перенесли паттерн ухаживания с одного вида на другой. В результате реципиента выполнял совершенно чуждый для его вида акт, но так, словно это его собственный биомеханизм. И хоть для генов естественно мигрировать между видами, ранее этот тип поведения никогда не производился другим организмом.

Привет, Хабр!

Сегодня говорим про мониторинг жизненно важных показателей (ЖВП) человека. ЖВП — это метрики, по которым можно понять, всё ли в порядке с нашим организмом: температура тела, давление, дыхание, ну и наш сегодняшний герой — пульс.

Когда речь заходит о мониторинге сердечной активности, первое, что приходит в голову — это ЭКГ. Электрокардиография уже давно считается золотым стандартом в медицине. Однако при всех её достоинствах у ЭКГ хватает минусов: запись короткая, провода и датчики сковывают движения, есть риск раздражения и даже заражения при повреждении кожи, да и ощущения от процедуры так себе — в целом комфорт сомнительный.

Мы только-только начали привыкать к тому, что искусственный интеллект посягает на способности к творчеству и интеллекту, но технологии уже делают следующий шаг. Не это ли воплощение сингулярности? Нейросети, которые определяют лучшую генетическую вероятность рождения детей, устраняя ошибки на эмбриональной стадии. Фантастика? Больше нет.

В недавнем эксперименте, который больше похож на научную фантастику, чем на урок естествознания, исследователи успешно разработали новую вакцинную платформу. В её основе обычная зубная нить с крошечными растворимыми микроиглами. Исследование, опубликованное в журнале Nature Biomedical Engineering переосмысляет роль привычных инструментов для создания адаптивных и доступных вакцин.

Рак – это комплексное заболевание. Раковые клетки не просто «размножаются», они встраиваются в работу организма, как отдельная полноценная система. И не только питаются нашими ресурсами, но и уверенно избегают атак со стороны иммунитета. Вот эта гибридная защита от иммунитета и легла в основу препаратов от аутоиммунных заболеваний.

Понятное возмущение сторонников этичной науки вызвал июньский анонс программной платформы, предлагающей будущим родителям «генетическую оптимизацию» их эмбрионов. Услуга стоимостью $5 999, названная «Nucleus Embryo», которую рекламировал генеральный директор Nucleus Genomics Киан Садеги, обещала оптимизацию таких признаков, как устойчивость к сердечным заболеваниям и раку, а также контроль интеллекта, долголетия, индекса массы тела, облысения, цвета глаз, волос и леворукости. Кроме того, в нем обещалось убрать склонность человека к алкоголизму.

Из Австралии Cortical Labs представил CL1 — первую в мире биологическую вычислительную систему, объединяющую кремниевые чипы с живыми человеческими нейронами (гибрид).

 Устройство размером с обувную коробку способно обучаться, обрабатывать информацию и даже играть в видеоигры. Стоимость одного экземпляра — около 3,5 млн рублей, а массовые поставки начнутся в конце 2025 года.

Применение гибридного интеллекта в научных исследованиях Основными направлениями применения CL1 названы: Моделирование болезней. Нейроны CL1 могут имитировать работу мозга при нейродегенеративных заболеваниях, таких как Альцгеймер или Паркинсон и прочие. Это ускорит тестирование лекарств.

Разработка препаратов. 90% лекарств для лечения психических расстройств проваливаются в клинических испытаниях. CL1 позволяет увидеть реакцию нейронов до испытаний на людях.

ИИ нового поколения. Нейронные сети на основе биологических клеток потребляют в
тысячи раз меньше энергии, чем традиционные алгоритмы.

Пункты первый и второй базируются на биотехнологии, а третий на теории ИИ.
Биотехнология (от гр. βίος — «жизнь», τέχνη — «искусство, мастерство, способность», λόγος — «слово, смысл, мысль, понятие») — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.

Биотехнология — это и совокупность промышленных методов, в которых используют живые организмы и биологические процессы для производства различных продуктов. Основной принцип биотехнологии предполагает использование биологических систем и организмов, таких как бактерии, дрожжи и растения, для выполнения определённых задач или производства ценных веществ. 

Зачастую крупные открытия в области биологии происходят при изучении крошечных существ. И многое из того, что мы сегодня считаем догмой, появилось благодаря изучению конкретных микроорганизмов.

Эксперименты с бактерией Streptococcus pneumoniae не только привели к открытию ДНК как основной наследственной молекулы, но и позволили создать первые инструменты для генной инженерии. Изучение РНК опухолевых вирусов позволило обнаружить обратную транскриптазу — фермент, необходимый для изучения биологии РНК. Эти модельные микроорганизмы долгое время служили природными лабораториями, позволяя расшифровывать фундаментальные принципы жизни и предоставляя инструменты, необходимые для их изучения.

Исследование построено вокруг новой и достаточно любопытной теории. В её основе лежит следующий механизм. В нем именно ГАМК, вырабатываемая астроцитами, играет основную роль в развитии ПТСР. По сути, избыточный синтез ГАМК в префронтальной коре нарушает способность мозга избавляться от травматических воспоминаний. Исследователи обнаружили, что этот избыток ГАМК обусловлен ферментом MAOB в астроцитах и нарушает регуляцию страха в медиальной префронтальной коре.

Биоэлектроника — это междисциплинарная область, которая объединяет принципы и методы биологии и электроники для разработки передовых технологий и устройств для взаимодействия с биологическими системами. Это интеграция электронных компонентов, схем и систем с живыми организмами или биологическими материалами, позволяющая измерять, отслеживать, контролировать или манипулировать биологическими процессами на разных уровнях — от клеточного до уровня всего организма. Биоэлектронные технологии часто включают в себя датчики, исполнительные механизмы, микроэлектронику и инструменты биоинформатики, которые позволяют отслеживать, анализировать и вмешиваться в работу биологических систем в режиме реального времени. Эти технологии находят применение в различных областях, включая медицинскую диагностику, терапевтические вмешательства, нейроинженерию, биосенсорику, регенеративную медицину и персонализированное здравоохранение. О них мы сегодня и поговорим. 

Читая состав продукта в магазине, мы часто ужасаемся напечатанному с задней стороны набору слов. У нас промелькает мысль (с явно негативной окраской): «да тут одна сплошная химия». Такая житейская неприязнь ко всему химическому объясняется простым отвращением к неестественному и сложному. Смотря на названия перфторан, метилпреднизолон, сульфасалазин, становится как‑то не по себе.

(для справки: это незаменимые фармацевтические препараты, без которых не обходится лечение некоторых серьезных заболеваний и травм. Например, перфторан — это временный искусственный заменитель крови с функцией газообмена)

Забавно, но подобная ситуация наблюдается и в сфере, оторванной от бытовых вопросов — в сфере венчурных инвестиций. Конечно, нельзя переносить обыденное на корпоративное и говорить, что поголовно все управляющие фондов ненавидят и презирают химию. Ведь если это может приносить деньги, то все равно, что это. Но реальность такова: смотря на статистику капиталовложений и отчёты фондов, складывается впечатление, что химия буквально избегается (не просто так). Химические стартапы получают «мизерные» деньги при необходимости огромных затрат на запуск проекта.

Однако и этому есть простое объяснение (как и в случае с «житейской неприязнью»). Вкратце: долго и сложно. Несмотря на инновационность и необходимость исследований в химии и их дальнейшую коммерциализацию с потенциальными «иксами».

Разберем поподробнее. Отличительною особенностью запуска химического стартапа является гиперфокус на R&D (Research and Development/НИОКР). Разработка и изучение молекулы, материала занимает много времени. Для R&D нужны реагенты, оборудование, лаборатория, да и химики, в конце концов. И это всё совсем недешево. К примеру, хроматограф (базовый аппарат для анализа вещества) стоит от двух миллионов рублей.

Еще из школьной программы помню о том, что наш ЖКТ обладает невероятной способностью к регенерации. Но почему это происходит? Как ни странно, секрет кроется в организации клеток. И это тот уровень микроменеджмента который не снился ни одной корпорации.

Под словом биохакинг подразумеваются целенаправленные действия на биомеханизмы организма, подкрепленные научными доказательствами и при наличии технических ресурсов. Цель таких действий – стать лучше. Остается только понять, что значит «лучше» и какие риски предпочтительны для человека. Особенно в погоне за похудением?

Идея «сжигать жир в проблемной зоне» крайне востребована в мире потребления. И тайваньская компания Caliway Pharmaceuticals предлагает готовое решение. Это первая в мире инъекция, запускающая запрограммированную гибель жировых клеток в месте укола. Живот, бока, бёдра – разницы никакой. Вводи препарат и худей, создавая идеальный образ. Осталось только получить одобрение FDA.

Сейчас на Хабре много пишут о галлюцинировании нейронных сетей и больших языковых моделей в частности. Хорошим введением в эту тему, написанным с философских позиций, мне представляется текст уважаемого Дэна Рычковского @DZRobo «Когда ИИ закрывает глаза: путешествие между воображением и галлюцинациями». Базовое техническое погружение в тему вы найдёте в статье уважаемой @toppal «Причины возникновения галлюцинаций LLM», это перевод академической статьи специалистов Харбинского технологического института, опубликованной в конце 2024 года. Действительно, в большинстве источников галлюцинации ИИ рассматривают либо в негативном ключе, либо как неизбежный побочный эффект, связанный с попытками «вшить» синтетический аналог воображения в вычислительную сеть.

Я же хочу остановиться на менее известном аспекте работы нейронок, в котором галлюцинации могут восприниматься как положительная и даже необходимая часть работы алгоритма. Речь пойдёт об искусственном повышении размерности данных, подаваемых на вход в нейросеть, и о том, к чему такая практика может приводить. Наиболее известное проявление такого эффекта известно в англоязычных источниках под названием «проклятие размерности» (curse of dimensionality).