Итоги года в биологии и медицине – 2020
Новый коронавирус был едва ли не главной научной темой в уходящем году, однако и помимо него в науке случилась масса интересного – от антибиотиков, создаваемых искусственным интеллектом, до звериных особенностей в мозге птиц.
В огромной массе научных новостей легко увидеть, что большинство их посвящено определённым темам: например, рак, эволюция мозга у человека, перья у динозавров, сон, кровяное давление и проч., и проч. Ничего удивительного тут нет: любое исследование появляется не на ровном месте, и у любого открытия есть история вопроса и текущий контекст. И даже если перед нами оказывается вроде бы отдельно стоящая научная новость, то на самом деле она тоже представляет собой лишь часть какого-то исследовательского проекта. Просто мы этот проект не видим, и не видим по одной простой причине – невозможно знать всё и следить за всем. И вот сейчас мы вспомним лишь некоторые из научных тем, которые чаще других привлекали наше внимание в уходящем году.
Как можно догадаться, первой такой темой оказался новый коронавирус SARS-CoV-2 и коронавирусная инфекция COVID-19. В октябрьском номере журнала мы писали, что в неделю выходит примерно 5000 статей о SARS-CoV-2 и COVID-19. Львиная их доля посвящена методам лечения. Здесь, с одной стороны, пытаются использовать препараты, разрабатываемые против других вирусов, например, против вируса гриппа и вируса лихорадки Эбола.
С другой стороны, против SARS-CoV-2 пробуют создать специфические средства которые эффективно и точно били бы по его молекулам. С третьей стороны, некоторые давно известные (и очень дешёвые) лекарства, предназначенные для лечения совсем других болезней, порой обнаруживают вдруг противоковидные свойства. Так, летом мы писали, что старый добрый дексаметазон помогает выжить больным с тяжёлой формой COVID-19, а осенью появилась информация, что против вируса играют ещё и антихолестериновые препараты статины. При этом некоторые лекарства, на которые первоначально возлагали большие надежды, оказываются бесполезны против SARS-CoV-2. Например, в апреле китайские медики опубликовали статью, в которой говорилось, что на коронавирус не действуют препараты от ВИЧ и арбидол.
Как известно, одна из главных проблем при COVID-19 – это чрезвычайно мощная реакция иммунитета, которая оказывается губительной для самого больного. Взаимоотношениям коронавируса и иммунной системы тоже посвящено огромное число работ. Для примера можно вспомнить исследования того, как он подавляет противовирусную защиту в лёгких, повышает уровень гормона, который запускает самоусиливающееся воспаление и извлекает выгоду из иммунной защиты.
Проблем с SARS-CoV-2 добавляет то, что он, скорее всего, способен проникать не только в лёгкие, но и в кишечник, и в мозг, и в семенники. Более того, некоторые исследователи утверждают, что попав в клетку, коронавирус способен встроиться в её хромосомы.
Оптимизма придаёт то, что наш иммунитет способен узнать новый коронавирус по его «семейным особенностям». У SARS-CoV-2 есть вирусы-родственники, которые не вызывают ничего тяжелее простуды, и если иммунная система столкнулась с такими родственниками, бороться с SARS-CoV-2 ей будет легче. Да и сам SARS-CoV-2 остаётся в иммунной памяти надолго: у тех, кто переболел COVID-19, уровень антител против нового коронавируса остаётся стабилен как минимум пять месяцев.
Иммунная клетка макрофаг, поедающий бактерии. (Фото: ZEISS Microscopy / Flickr.com)
В связи с коронавирусными событиями вольно или невольно начинаешь внимательнее следить за исследованиями, которые в той или иной степени касаются иммунной системы. До сих пор не вполне ясно, как именно коже и дыхательной системе удаётся отражать такое количество вирусов и бактерий, которые постоянно в них проникают. Что ж, и про кожу, и про дыхательную систему мы теперь знаем чуть больше: клетки кожи с помощью внутреннего рецептора вовремя обнаруживают в себе вирусы, а иммунные клетки носа используют весьма искусный подход, чтобы истребить инфекцию в обонятельных нейронах, не повреждая сами нейроны. Большое количество антибактериальных средств запасается в жировых каплях внутри клеток – это тот случай, когда от жира есть безусловная польза.
Все наши органы, ткани и клетки в той или иной степени работают сообща. Иммунная система – яркий тому пример. Иммунные клетки помогают перестраиваться молочной железе, когда она прекращает выделять молоко, а иммунные гены помогают матке выбрать среди сперматозоидов те, которых стоит допустить до оплодотворения. Иммунитет – один из факторов старения, но он же помогает мозгу избавиться от мёртвых клеток после инсульта. Вообще, взаимодействие между мозгом и нервной системой в целом, с одной стороны, и иммунной системой, с другой – чрезвычайно интересная исследовательская область. Иммунные клетки мозга положительно влияют на нервные сигналы и помогают настраивать нейронные сети, но в иных ситуациях иммунитет добавляет мозгу тревоги и даже усиливает алкоголизм. Отдельная тема – вакцины, но всеобщее внимание приковано сейчас к вакцинам от коронавируса, которые создаются с помощью давно известных и давно проверенных методов. Тут можно было бы напомнить об экспериментальной вакцине против малярии, которая сделана на основе модифицированного малярийного плазмодия и которая, возможно, в будущем станет эффективной защитой от этой старой, но всё ещё непобеждённой инфекции.
Бактерия Streptococcus pyogenes проникает в клетку человека. (Фото: ZEISS Microscopy / Flickr.com)
На коронавирусной волне дополнительную порцию внимания получили и другие микробы – в первую очередь, вирусы, но и бактерии
тоже. Охота за вирусом гепатита С продолжалась несколько десятилетий, но в конце концов, его удалось поймать и доказать его связь с болезнями печени – за эти открытия в 2020 году вручили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Про вирус гриппа мы узнали, что он крадёт у нас куски генетического кода, что вполне может усиливать его патогенность. Про другой знаменитый вирус, ВИЧ, стало известно, что он пробирается в мозг – здесь он пережидает противовирусную терапию, чтобы потом снова распространиться по всему телу. С другой стороны, наши клетки способны надолго усыплять ВИЧ: его гены оказываются в хромосомном архиве, откуда вирус не может выбраться. Активный ВИЧ, как известно, умеет хорошо прятаться от иммунной системы, но его можно сделать видимым для иммунных клеток с помощью антибиотика конканамицина А.
Как мы говорили в связи с коронавирусом, часто лекарственные средства оказываются полезны там, где от них ничего не ждали, и в уходящем году подобные неожиданные сюрпризы мы получали от антибактериальных средств. Антибиотик, помогающий обнаружить ВИЧ – один из примеров, два других – антибиотик эноксацин, работающий против ожирения, и антибактериальные пептиды, работающие против атеросклероза. При этом продолжается поиск новых антибиотиков, которые помогли бы нам справиться с лекарственноустойчивыми бактериальными штаммами. Такие антибиотики вполне способен найти для нас искусственный интеллект, избавленный от когнитивных пороков живого мозга. В феврале мы рассказывали про вещество халицин, обнаруженное среди тысяч других молекул специальным машинным алгоритмом. Халицин действует на бактерии, устойчивые к другим антибиотикам, и, по-видимому, микробы к нему приспособиться вряд ли смогут.
Заговорив о бактериях, нельзя не вспомнить про нашу симбиотическую микрофлору, от которой зависит и обмен веществ, и иммунитет, и даже работа мозга. В конце сентября мы писали, что материнская микрофлора помогает формироваться мозгу эмбриона во время беременности; а в начале декабря мы узнали, что без кишечных бактерий мозгу не хватает нейромедиаторов, управляющих сном.
Клетки рака лёгких. (Фото: Wellcome Images / Flickr.com)
Другие темы, которые пользуются неизменной популярностью – старение, продолжительность жизни и рак. Они теснейшим образом связаны друг с другом: чем дольше мы живём, тем больше в ДНК накапливается мутаций, а ведь именно мутации делают клетку злокачественной. Потенциально онкогенные изменения в ДНК могут возникать с ранней юности, как это было показано для злокачественных опухолей матки.
С другой стороны, мы порой сами портим себе ДНК, и нужно лишь отказаться от некоторых вредных привычек, чтобы геном не портился так быстро: например, если бросить курить, число ежегодных мутаций в клетках лёгких упадёт вдвое. Алкоголь, кстати говоря, тоже может быть причиной дефектов в ДНК, хотя у клетки есть инструменты для исправления алкогольных повреждений. Говоря о злокачественных мутациях, нельзя не упомянуть о результатах гигантского проекта по их учёту и систематизации: оказалось, что несмотря на огромное разнообразие раковых мутаций, их можно уложить в ограниченное число схем, которые проявляются у самых разных видов опухолей.
Даже если клетка уже получила все злокачественные мутации, это не обязательно означает болезнь. Во-первых, сами мутантные клетки не дают друг другу превратиться в опухоль (образно говоря, им мешают собственные амбиции). Во-вторых, как мы знаем, иммунитет обязан уничтожать раковые клетки. Правда, повышенная активность иммунитета может сыграть как раз на руку опухоли. Раковые клетки, стремительно делясь и эволюционируя, учатся противодействовать иммунной системе – поэтому, кстати, у женщин и молодых людей опухоли сильнее сопротивляются иммунотерапии.
Вообще, злокачественные клетки большие мастера в том, чтобы использовать в свою пользу всё, что им попадается: мы писали, что им помогают и нервы, и лимфатическая система, и даже бактерии во рту. Впрочем, с бактериями всё не так однозначно. Мы уже знаем что бактерии живут во всех злокачественных опухолях и что по микробной ДНК в крови можно диагностировать опухоль. Однако микробные сожители не всегда нравятся раковым клеткам, и вполне возможно, в перспективе нас ждёт какой-то вариант микробной противораковой терапии (о таком подходе мы уже как-то писали несколько лет назад).
С возрастом повышается вероятность не только онкологических, но и многих других болезней, поэтому нас всех, конечно, интересует, как старение можно замедлить, а продолжительность жизни – увеличить. В уходящем году мы узнали, что старение можно остановить и даже обратить вспять с помощью перекиси водорода и кислорода. Эти результаты выглядят тем удивительнее, что молекулы-окислители считаются способствующими старению. Другие способы продлить жизнь: родить трёх-четырёх детей или не рожать вообще, дружить с соседями и любить искусство.
X-хромосому прочитали в области центромеры – участка ДНК, в котором соединены обе копии хромосомы после копирования. (Иллюстрация: Giovanni_Cancemi / Depositphotos)
В поисках долгой и здоровой жизни мы часто обращаем свой взор к наисовременнейшим биотехнологическим достижениям. Мы ждём, что нас в скором времени начнут лечить с помощью стволовых клеток и генной инженерии, и эксперименты на животных дают все основания полагать, что так оно и будет, если не завтра, то послезавтра.
В марте мы рассказывали, как можно улучшить пересадку органов с помощью одной злокачественной хитрости, в мае – как генная терапия помогает нарастить мышцы и как можно помочь старым нейронам отремонтировать их ДНК, в декабре – как мышам омолодили клетки сетчатки, перезагрузив эпигенетические модификации на их ДНК. Стволовые клетки помогают бороться с последствиями инсульта (правда, опять же пока только у мышей); кроме того, из них научились выращивать кожу с волосами и женские половые клетки.
Большие медицинские надежды связывают с методом генетического редактирования CRISPR-Cas9, за который в этом году дали Нобелевскую премию по химии. Но тут пока что не вполне ясно, насколько его можно использовать на человеке. Вообще, биотехнологические успехи во многом обусловлены тем, насколько мы знаем наш генетический текст и насколько глубоко понимаем, как работают наши гены. Здесь в 2020 было два прорыва: во-первых, Х-хромосому удалось прочитать целиком, от начала до конца, во-вторых, получилось создать масштабную карту генетической активности во всех тканях человеческого тела.
(Иллюстрация: Spectral / Depositphotos)
В нейробиологии удалось чуть дальше продвинуться в понимании механизмов памяти – одной из самых старых и самых загадочных научных проблем. На молекулярно-клеточном уровне запоминание связали с поэтапными изменениями в структуре нейронных хромосом; кроме того, в мозге нашли специальные клетки, помогающие видеть старое в новом – то есть вспоминать старый опыт в новых жизненных ситуациях. Продолжаются попытки манипулировать мозгом, сравнительно успешные: например, мозг мыши заставили ощутить несуществующий запах, а незрячим людям помогли увидеть буквы вслепую, стимулируя зрительную кору.
Неизбывной проблемой остаётся отсутствие эффективных средств для лечения тяжёлых психоневрологических расстройств: шизофрении, депрессии, аутизма и пр. Для шизофрении в этом году нашли один экспериментальный препарат, который действует на все симптомы болезни. Что до депрессии, то тут важно понимать, какие антидепрессанты помогут человеку, а какие – нет. В феврале мы рассказывали, что эффективность антидепрессантов можно заранее предсказать по электрическим волнам мозга.
Очевидно, не слишком быстрый прогресс в нейробиологии (хотя это кому как кажется) связан с тем, что мы ещё далеко не всё знаем про элементарные вещи – про то, как работают нейроны, как они взаимодействуют с другими клетками нервной системы, и т. д. Когда мы говорили про иммунитет, мы вспоминали про специальные иммунные клетки мозга, которые следят за состоянием нейронных сетей.
Другие вспомогательные клетки, которые обеспечивают нейронные «провода» жировой изолирующей «обмоткой», помогают мозгу чувствовать паузы в долгих звуках. Палочки и колбочки в сетчатке глаза, как оказалось, соединены электрическими контактами, некоторые вкусовые рецепторы реагируют на четыре вкуса из пяти основных, а у некоторых нейронов мозга вообще обнаружили новый род сигналов – на входящий импульс они отвечают тем слабее, чем сильнее на них действуешь.
Пара самцов азиатского льва. (Фото: Stotra Chakrabarti / University of Minnesota)
Особенности нашего мозга и нашего поведения можно лучше понять в сравнении с животными – тем более что в интеллекте животных всё чаще обнаруживаются черты, которые раньше считались сугубо человеческими. Про интеллект мы здесь говорим в широком смысле, имея в виду не только способность отличать два от трёх, но и разнообразные социальные навыки.
Традиционно большим вниманием пользуются приматы, и хотя их изучают как мало кого, они всё ещё могут удивить – в частности, тем, как они относятся друг к другу. Например, молодые самцы довольно долго остаются в прямом смысле маменькиными сынками – то есть с матерью они дружат сильнее, чем с другими шимпанзе, с которыми у них нередко случаются конфликты; с возрастом же они становятся более миролюбивыми и начинают больше ценить старых друзей, с которыми когда-то завязали отношения – то есть для шимпанзе старый друг действительно лучше новых двух.
Вообще же дружить умеют очень многие, от змей до фламинго и львов, причём у львов дружат даже самцы. Общаясь друг с другом, звери перенимают друг у друга полезные навыки (как выдры), а более опытные и старые помогают выжить более молодым, как это происходит у самцов слонов. (Про слонов всегда думали, что сложные социальные отношения у них практикуют только самки.) И даже не слишком умные на вид грифовые цесарки способны принимать непростые политические решения, когда им кажется, что их лидер ведёт себя недостойно.
Впрочем, птицы вообще умнее, чем о них принято считать: скажем, голубые сороки помогают друг другу по собственной инициативе, а новозеландские попугаи кеа вычисляют вероятности. Лишнее подтверждение тому удалось обнаружить в мозгах голубей и сов – оказалось, что некоторые зоны птичьего мозга организованы подобно мозгу зверей. (Кстати, у некоторых современных рептилий в мозге тоже есть звериная «запчасть».)
Отдельный показатель интеллекта – умение находить общий язык с кем-то, кто относится к другому виду. Тут нас удивили волки и свиньи: оказалось, что взрослые волки скучают по людям, волчата с подачи людей могут играть в мяч, а свиньи любят людей почти так же, как собаки. Всё это тем удивительнее, что человек, вообще говоря, не самый лёгкий объект для понимания.
Художественная реконструкция Elpistostege watsoni – рыбы с пальцами. (Фото: Flinders University)
От мозга людей и животных легко перекинуть мостик к исследованиям эволюции. Мы часто слышим, что какие-то особенности современных животных, и человека в том числе, начали формироваться в далёком прошлом. Например, мозг макак умеет узнавать группы букв, похожие на слова, млекопитающие стали социальными уже при динозаврах и даже пальцы у древних рыб начали формироваться ещё до того, как они начали осваивать сушу.
Многие наши особенности пришли к нам от неандертальцев. Их след в геноме человека разумного изучают давно, и, как недавно выяснилось, неандертальская ДНК есть даже у африканцев, у которых её до недавнего времени не видели. Считается, что ДНК неандертальцев влияет у нас на целый ряд признаков, например, на чувствительность к боли и на то, как проходят роды. Однако здесь нельзя не упомянуть одно исследование, вышедшее в свет прошлой весной: его авторы ставят под сомнение такую уж влиятельность неандертальского следа.
Другая неувядающая тема – вымирание динозавров: дискуссии о том, от чего они вымерли, и не думают прекращаться. Две самые популярные гипотезы – астероидная и вулканическая, и летом мы писали о новых данных в пользу астероидной гипотезы. Причём, по мнению авторов работы, вулканы помогли земному климату отчасти прийти в себя после астероида. Вымирание динозавров – не единственное вымирание в истории Земли, и не все они объясняются катастрофами вроде вулканов или столкновения с астероидом. Например, причиной девонского вымирания могло стать потепление климата.
(Фото: zurijeta / Depositphotos)
От вымирания и потепления климата логично перейти к экологии. Здесь мы неожиданно снова встречаем проблему эпидемий: в августе мы писали о том, что чем сильнее человек вмешивается в природные экосистемы, тем выше вероятность получить от животных какую-нибудь новую инфекцию. (Стоит напомнить, что новый коронавирус пришёл к нам как раз от животных, а его искусственное происхождение – лишь утешительная фантазия.)
Впрочем, порча окружающей среды вредит нам и напрямую, без помощи вирусов: углекислый газ делает нас глупее, перхлораты из пиротехнической взрывчатки и ракетного топлива вредят щитовидной железе, дизельный дым вредит сердцу и сосудам. При этом некоторые источники загрязнения открываются нам только сейчас: например, оказалось, что большой вклад в загрязнение атмосферы вносит обычный асфальт.
Остаётся надеяться, что технологии, которые сейчас нас губят, нас же и спасут. Одна из основных причин современных экологических проблем – знаменитая Зелёная революция, начавшаяся в середине прошлого века. С одной стороны, она спасла от голодной смерти десятки и сотни миллионов детей, с другой – из-за неё нам сейчас приходится иметь дело с водой и почвой, загрязнёнными пестицидами и удобрениями, падением биоразнообразия и т. д.
Но сейчас многие говорят о следующей, второй Зелёной революции, которая должна на новых технологических основаниях усовершенствовать достижения первой – усовершенствовать так, чтобы свести к минимуму экологический вред от сельскохозяйственной деятельности. Биотехнологии уже сейчас позволяют улучшить реакции фотосинтеза так, чтобы они перерабатывали в несколько раз больше СО2, чем обычно, а новые, более эффективные и менее требовательные сорта растений можно создать с помощью новых методов гибридизации, опирающихся на результаты молекулярно-биологических исследований.
