Яркие научные события — 2022: «искусственная паутина», «любовь» на Курилах и новые соединения для будущих лекарств

Биология, химия и медицина были и остаются самыми важными областями науки. Благодаря передовым исследованиям мы узнаем много нового об окружающем нас мире. Врачи получают возможность эффективнее лечить пациентов, для которых лекарства становятся более безопасными. Химики создают новые материалы, не боящиеся коррозии, и соединения для нефтеперерабатывающей промышленности. За последний год мы публиковали множество новостей о достижениях российских ученых. Выбрать три события было довольно трудно. Поэтому в нашем традиционном материале об итогах года мы рассказываем сразу о десяти научных событиях из области биологии, химии и медицины, которые мы запомнили в 2022 г.

Эффективный антибиотик из крови человека

Использование антибиотиков (только по назначению врача, разумеется) позволяет быстро и эффективно бороться с инфекциями и помогает пациентам восстанавливаться после операций. Однако их бесконтрольное и повсеместное применение, а порой и назначение приводят к повышению уровня устойчивости к ним бактерий. Проще говоря, антибиотики не действуют на вредные микроорганизмы, оказывая при этом негативное воздействие на здоровье человека.

Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета получили белково-пептидную субстанцию с повышенным антибактериальным и противовирусным эффектом. Ее впервые синтезировали из лейкоцитов человека по уникальной технологии.

По мере появления новых классов антибиотиков развиваются и механизмы сопротивления микроорганизмов. Разработчики субстанции нацелены решить эту проблему с помощью антимикробных пептидов, которые содержатся в нейтрофилах человека и животных и относятся к системе врожденного иммунитета, защищающей нас от инфекций. Будущий антибиотик уже прошел доклинические исследования, а значит, уже в ближайшие годы следует ожидать появления новых препаратов широкого спектра действия, не вызывающих устойчивости у бактерий.

«Искусственная паутина» для заживления ран

Ученые Курчатовского института совместно с исследователями из МГУ им. М.В. Ломоносова, НМИЦ трансплантологии и искусственных органов им. академика В.И. Шумакова, ИМБ РАН, ФНКЦ ФМБА разработали материал для заживления ран из «искусственной паутины».

Интересно, что над ее созданием трудятся не пауки, а модифицированные с помощью генной инженерии дрожжевые грибы. Ученые пересадили дрожжам синтезированные и отредактированные гены, отвечающие за выработку аналогов белков, которые пауки используют для создания каркасной нити ― самой прочной составляющей паутины.

Как заявлено в исследовании, «искусственная паутина» восстанавливает ткани за счет стимуляции работы стволовых клеток, которые ускоряют выздоровление, а также предотвращает появление шрама. 

Прозрачный и сверхпрочный материал для российской космонавтики

Уникальный материал разработали химики из Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского. Прозрачность в инфракрасном диапазоне и высокая прочность композита оксидов магния и иттрия (MgO-Y₂O₃) открывают новые возможности для производства авиационных и космических аппаратов, работающих при интенсивных тепловых и механических нагрузках.

По словам автора исследования Дмитрия Алексеевича Пермина, для создания прозрачной в ИК-спектре композитной керамики ученые впервые использовали метод микроволнового спекания. Технология обеспечивает ультрабыстрый нагрев со скоростью более 100º в минуту, а отсутствие нагревательных элементов позволяет получать чистые материалы и варьировать атмосферу спекания.

Один цветок ― множество препаратов

Российские ученые совместно с китайским коллегой исследовали биологически активные вещества весенника длинноножкового, малоизученного растения из Центральной Азии. В его листьях обнаружены кумарины и фурохромоны — соединения, обладающие антиоксидантным, противоопухолевым и другими полезными действиями, которые в будущем могут стать основой разнонаправленных препаратов.

Ученые впервые изучили состав активных веществ, выделенных из листьев весенника длинноножкового, собранного в Киргизии. Этот представитель семейства лютиковых произрастает на ограниченной территории в Центральной Азии и, как и другие растения рода Eranthis, до сих пор был мало исследован.

Из листьев весенника длинноножкового специалисты выделили более 160 соединений. Среди выделенных биологически активных веществ исследователи обнаружили 19 различных флавоноидов. Соединения этого класса используются для профилактики сердечно-сосудистых заболеваний и лежат в основе препаратов против венозной недостаточности.

Химический магнит для будущих наномоторов

Ученые Физического института им. П.Н. Лебедева РАН создали новый тип магнитного материала — химический магнит, чьи магнитные свойства меняются, если в нем протекает окислительно-восстановительная реакция. Это поможет создать новые нано- и микромоторы для прикладных задач, например для целевой доставки лекарств с помощью нанороботов.

Как отметили участники исследования, эксперименты с биметаллической пластиной, плавающей на поверхности электролита, показали, что если в такой системе протекает химическая реакция, то такой «пловец» работает как магнит.

В последние годы ученые активно исследуют методы разработки нано- и микророботов, которые в будущем смогут перемещаться в жидкостях, в частности внутри клеток и в кровеносных сосудах. Такие роботы могут иметь различную форму и приводиться в движение как внешними источниками энергии, так и используя топливо, добываемое из окружающей среды.

Как оказалось, магнитные свойства химического магнита, созданного в ФИАН, можно регулировать за счет изменения концентрации сульфата меди в растворе и вариаций температуры. Влияние обоих факторов обусловлено их воздействием на скорость протекания химических реакций, от которой, в свою очередь, зависит ток, протекающий через плавающего робота.

В перспективе, полагают ученые, такие химические магниты можно будет использовать для производства микро- и наномоторов, которые могут под действием магнитного поля перемещаться по кровеносным сосудам и доставлять лекарство в нужное место, а также решать другие прикладные задачи.

Найдены соединения, которые могут защитить нейроны от гибели при болезни Паркинсона

Ученые из Института биофизики клетки РАН ФИЦ «Пущинский научный центр биологических исследований РАН» показали эффективность природных метаболитов ― лактата и пирувата ― для коррекции патологических изменений митохондрий на клеточной модели болезни Паркинсона.

Болезнь Паркинсона входит в десятку тяжелых социально значимых заболеваний, борьба с которыми направлена на улучшение качества и продолжительности жизни в пожилом возрасте. Несмотря на то что первые свидетельства о клинических проявлениях болезни относятся к XII в. до н.э. и описаны у египетских фараонов, ее патогенез и молекулярные механизмы, приводящие к развитию неврологических нарушений, до сих пор мало изучены.

Ученым удалось показать, что процесс гибели нейронов может быть обусловлен нарушением митофагии — механизма, обеспечивающего очистку клетки от поврежденных митохондрий, источников активных форм кислорода и токсичных метаболитов. Отталкиваясь от своих ранее полученных результатов, исследователи протестировали соединения, которые снижают уровень повреждений клеток, активируя митофагию. Такими веществами оказались наши естественные метаболиты, образующиеся в клетках при энергетическом обмене, ― лактат (молочная кислота) и пируват (пировиноградная кислота).

Конечно, говорить о клиническом применении полученных результатов еще рано. Сейчас ученые работают над проблемой обеспечения адресности воздействия на поврежденные нейроны без влияния на метаболизм здоровых клеток.

Пивоваренные дрожжи против тяжелых металлов

Ученые лаборатории нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне выяснили, что обычные пивоваренные дрожжи способны выступать как эффективный сорбент для очищения сточных вод от опасных загрязнений тяжелыми металлами. Исследование показало, что такой способ очистки также экономически выгоден и экологически безопасен.

Тяжелые металлы остаются одними из наиболее опасных загрязнителей окружающей среды из-за высокой токсичности и способности накапливаться в пищевой цепи. Основной путь попадания тяжелых металлов в окружающую среду ― сбросы неочищенных или плохо очищенных промышленных стоков в природные воды. Попадая в окружающую среду, промышленные стоки оказывают мощное техногенное воздействие на водные и почвенные экосистемы, вызывая нарушения естественного развития биогеоценозов.

Сотрудники сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований ЛНФ ОИЯИ накопили значительный опыт в проведении исследований в области экологической химии. Было осуществлено тестирование различных биологических и композитных сорбентов, а именно дрожжей, бактерий, цианобактерий, для очистки сточных вод от тяжелых металлов, в числе которых цинк, никель, хром, стронций и др.

По результатам проведенных исследований одним из самых эффективных сорбентов были признаны дрожжевые клетки Saccharomyces cerevisiae (пивоваренные дрожжи). Эти микроорганизмы используют в производстве многочисленных продуктов питания и напитков, поэтому они доступны в больших количествах и по низкой цене как отходы процессов ферментации. Одно из преимуществ состоит также и в том, что пивоваренные дрожжи безопасны для человека. Они также обладают высокой накопительной способностью по отношению к ионам металлов.

Новая технология для быстрой и эффективной диагностики онкомаркеров

Коллектив биофизиков из МФТИ и Сколтеха с коллегами разработал новую технологию выделения внеклеточных везикул из биологических жидкостей. Исследование везикул необходимо для диагностики и лечения разных заболеваний, в том числе онкологических. Предлагаемая технология превосходит известные сегодня методы по чистоте и количеству выделяемых частиц. Она проста, быстра и недорога, для ее реализации требуется только стандартное лабораторное оборудование.

Клетки нашего тела «общаются» друг с другом через кровяное русло, в которое они выделяют определенные сигнальные молекулы. Чтобы эти молекулы дошли до адресата, они заключаются в специальные внеклеточные везикулы, маленькие наноразмерные пузырьки. Проще говоря, везикулы выполняют роль системы доставки. Наполнение везикул от здоровых и больных клеток различно, на этом и основана диагностика. Везикулы, секретируемые нездоровыми клетками, содержат целый ряд различных биологических молекул — биомаркеров заболевания. Помимо диагностики, их изучение позволяет также проводить мониторинг лечения, анализируя динамику изменения количества везикул, содержащих выбранные маркеры.

Однако ученые столкнулись с проблемой, связанной с очень малым размером везикул. К тому же в биологических жидкостях содержится огромное количество различных молекул. Коллектив исследователей разработал фильтрационное устройство, специальный состав мембраны, конструкцию мембраны и последовательность процедуры. Технология позволила выделять везикулы просто, эффективно и с высокой чистотой, что очень важно для диагностики, а также для исследований, направленных на изучение внеклеточных везикул. Устройство делается полностью из российских комплектующих, стоимость его минимальна. Все научные и медицинские исследования, посвященные изучению внеклеточных везикул, очень нуждаются в такого рода простых, быстрых и эффективных методах.

Новое соединение поможет в восстановлении даже спустя сутки после инсульта

Российские ученые определили, что снизить воспаление в мозге при ишемическом инсульте помогают некоторые производные N-гетероциклов — колец из атомов углерода и азота с дополнительно «навешенными» на них химическими группами. Эксперименты на крысах показали, что такие соединения способствуют разрешению патологического воспаления и позволяют животным быстрее восстановиться, причем даже если лечение началось лишь спустя сутки. Результаты дают надежду, что предложенные вещества помогут и людям после инсульта, особенно когда упущены критические «золотые часы» для оказания первой помощи.

Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, ишемический инсульт, который также называют инфарктом мозга, — одна из наиболее частых причин смертей и инвалидности. Заболевание возникает из-за нарушений кровоснабжения мозга: формирования тромбов, расширений просветов артерий, повышенного артериального давления и, как следствие, недостаточного поступления кислорода к тканям. В зависимости от того, какая часть мозга пострадала и насколько сильно, могут произойти нарушения памяти, подвижности и речи.

Исследователи изучили действие вещества на лабораторных крысах, перенесших ишемический инсульт. После введения лекарства через сутки после операции животные на терапии проявляли более высокую исследовательскую и двигательную активность в поведенческих тестах, чем те, которые не получали препарат.

Зоологи МГУ и ИБР РАН нашли «любовь» на Курилах

Сотрудники Зоологического музея МГУ и Института биологии развития РАН описали два новых вида голожаберных моллюсков — особой группы морских животных, не имеющих раковины. Один из них назвали в честь Русского географического общества, организовавшего экспедицию, а другой получил имя «любовь» по результатам конкурса среди посетителей Зоомузея. Результаты опубликованы в Canadian Journal of Zoology. Данная работа поддержана Благотворительным фондом Владимира Потанина.

Моллюски широко распространены по всей планете: их можно встретить как в северных, так и в южных морях, как в горах, так и на морских глубинах в тысячи метров. Столь большое разнообразие мест обитания, многие из которых трудны для изучения и малодоступны, обусловило то, что зоологи открыли еще далеко не все их виды.

В ходе недавней экспедиции, организованной Русским географическим обществом, ученые обнаружили на островах Курильской гряды два новых для науки вида голожаберных моллюсков из родов Zelentia и Cuthonella, причем представители первого из них ранее встречались лишь в Северной Атлантике и на юго-востоке Тихого океана. Животные внешне напоминают слизней (они, кстати, относятся к брюхоногим моллюскам, но у них в ходе эволюции исчезли раковинки) молочного цвета с оранжевыми отростками на спине. Отнести их к новым видам позволили результаты современных генетических и морфологических исследований.

Один из новых видов назвали Cuthonella rgo (Кутонелла рго), чтобы подчеркнуть ключевую роль Русского географического общества (РГО) в научных исследованиях Курильских островов. Имя другого нового вида, Zelentia amoris (amoris — форма родительного падежа от лат. amor — «любовь»), было выбрано в ходе конкурса на новое название, который весной этого года провели сотрудники Зоомузея МГУ.

Это символ того, что любовь к людям, к природе и нашей планете — сила, способная спасать жизни.

Портал «Научная Россия» и дальше будет следить за успехами отечественных и зарубежных ученых и рассказывать вам о них в следующем году! С наступающим праздником!