И такие методы применяются не только в лечении людей. Группа ученых под руководством Кайся Гао (Caixia Gao) из Китайской академии наук в Пекине разработала PrimeRoot — метод, использующий первичное редактирование для введения определенных сайт-мишеней, которые ферменты затем могут использовать для вставки до 20 тысяч килобаз ДНК и в рисе, и в кукурузе. По мнению Гао, этот метод может широко использоваться для выработки у сельскохозяйственных культур устойчивости к болезням и патогенам, продолжив волну инноваций в геномной инженерии растений на основе CRISPR. “Я считаю, что эту технологию можно применить к любым видам растений”, — сказала она.
Пэт Беннет говорит медленнее, чем среднестатистический человек, и иногда она использует неправильные слова. Но учитывая, что заболевание двигательных нейронов, называемое боковым амиотрофическим склерозом, прежде вообще не позволяло ей выражать свои мысли вербально, это выдающееся достижение.
Восстановление Беннетт стало возможным благодаря сложному нейрокомпьютерному интерфейсу (BCI), разработанному нейробиологом Стэнфордского университета Фрэнсисом Уиллеттом (Francis Willett) и его коллегами из американского консорциума BrainGate. Уиллетт и его коллеги имплантировали в мозг Беннет электроды для отслеживания активности нейронов, а затем научили алгоритмы глубокого обучения переводить эти сигналы в речь. После нескольких недель тренировок Беннетт уже могла произносить до 62 слов в минуту из словарного запаса в 125 тысяч слов — это в два раза больше словарного запаса среднестатисического носителя английского языка. “Скорость, с которой они общаются, действительно впечатляет”, — сказала биоинженер Дженнифер Коллинджер (Jennifer Collinger), которая разрабатывает технологии BCI в Питтсбургском университете в Пенсильвании.
Испытание BrainGate — это только одно из исследований за последние несколько лет, демонстрирующих, как технология BCI может помочь людям с тяжелыми неврологическими нарушениями восстановить утраченные навыки и обрести больше независимости. Отчасти этот прогресс обусловлен неустанным накоплением знаний о функциональной нейроанатомии мозга людей с различными неврологическими заболеваниями, как сказал Ли Хохберг (Leigh Hochberg), невролог из Университета Брауна на Род-Айленде и директор консорциума BrainGate. Но, по его словам, эти знания удалось в значительной мере расширить благодаря аналитическим методам, основанным на машинном обучении, которые помогают понять, как лучше размещать электроды и расшифровывать сигналы, которые те фиксируют.
Исследователи также применяют языковые модели на основе ИИ, чтобы ускорить интерпретацию того, что пациенты пытаются сообщить, — по сути, это своего рода “автозаполнение” для мозга. Это стало основным компонентом исследования Уиллетта, а также еще одного исследования, проведенного командой под руководством нейрохирурга Эдварда Чанга (Edward Chang) из Калифорнийского университета в Сан-Франциско. В рамках последнего нейропротез BCI позволил женщине, которая утратила способность говорить вследствие инсульта, общаться со скоростью 78 слов в минуту — примерно вдвое ниже средней скорости для носителей английского языка, но более чем в пять раз быстрее, чем предыдущий речевой аппарат этой женщины. В этой области наблюдается прогресс и по другим направлениям. В 2021 году Коллинджер и биомедицинский инженер Роберт Гонт (Robert Gaunt) из Питтсбургского университета имплантировали электроды в моторную и соматосенсорную кору человека, у которого были парализованы руки и ноги, чтобы тот мог быстро и точно управлять роботизированной рукой и получать тактильную сенсорную обратную связь. В настоящее время также проводятся независимые клинические исследования — учеными в BrainGate, исследователями из UMC Utrecht в Нидерландах, а также фирмой BCI Synchron в Бруклине, — по тестированию системы, которая позволяет парализованным людям управлять компьютером. Это первоеспонсируемое отраслью испытание аппарата BCI.
Будучи специалистом по интенсивной терапии, Хохберг стремится обеспечить этими технологиями своих пациентов с наиболее тяжелыми формами инвалидности. Но по мере развития возможностей BCI их можно будет применять для лечения более умеренных когнитивных нарушений, а также некоторых психических расстройств, таких как расстройства настроения. “Системы нейромодуляции с замкнутым контуром, управляемые нейрокомпьютерными интерфейсами, могут стать огромным подспорьем для многих людей”, — сказал он.
В 2014 году Штефан Хелл (Stefan Hell), Эрик Бетциг (Eric Betzig) и Уильям Мёрнер (William Moerner) были удостоены Нобелевской премии по химии за преодоление “дифракционного предела”, ограничивающего пространственное разрешение световой микроскопии. Полученный в результате уровень детализации — порядка нескольких десятков нанометров — дал возможность проводить широкий спектр экспериментов по визуализации на молекулярном уровне. Но некоторые исследователи не хотят на этом останавливаться – и они добиваются быстрого прогресса. “Мы пытаемся сократить разрыв от микроскопии сверхвысокого разрешения до методов структурной биологии, таких как криоэлектронная микроскопия”, — объяснил Ральф Юнгманн (Ralf Jungmann), исследователь нанотехнологий в Институте биохимии Макса Планка в немецком Планеге, упомянув метод, который помогает реконструировать белковые структуры с разрешением на уровне атомов.
Группа ученых во главе с Хеллом и его командой из Института междисциплинарных наук Макса Планка в Геттингене сделали первый шаг в эту сторону в конце 2022 года с помощью метода под названием MINSTED. Он позволяет распознавать отдельные флуоресцентные метки с точностью 2,3 ангстрема — примерно четверть нанометра — с помощью специализированного оптического микроскопа.
Новые методы обеспечивают сопоставимое разрешение в процессе использования обычных микроскопов. К примеру, в 2023 году Юнгманн и его команда описали стратегию, в рамках которой отдельные молекулы помечаются особыми цепочками ДНК. Затем эти молекулы обнаруживаются благодаря помеченным красителем комплементарным цепям ДНК, которые на время, но постоянно связываются с соответствующими мишенями, что позволяет различать отдельные флуоресцентные “мигающие” точки, которые при одновременном отображении сливаются. Такое улучшение разрешения за счет последовательной визуализации (RESI) позволяет увидеть отдельные пары баз на цепи ДНК, демонстрируя разрешение в масштабе ангстрема при использовании стандартного флуоресцентного микроскопа.
Метод одноэтапной наномасштабной микроскопии (ONE), разработанный группой нейробиологов, возглавляемой Али Шаиба (Ali Shaib) и Сильвио Риццоли (Silvio Rizzoli) из Университетского медицинского центра Геттингена, не позволяет достичь такого уровня разрешения. Однако микроскопия ONE дает беспрецедентную возможность напрямую отображать мелкие структурные детали отдельных белков и мультибелковых соединений, как изолированно, так и внутри клеток.
ONE — это метод, основанный на технологии расширяющей микроскопии: белки в образце химическим образом соединяются с матрицей гидрогеля, затем их разделяют, а потом гидрогелю дают возможность увеличиться в объеме в 1000 раз. Фрагменты расширяются равномерно во всех направлениях, сохраняя структуру белка и позволяя пользователям различать детали, разделенные несколькими нанометрами, с помощью стандартного конфокального микроскопа. “Мы взяли антитела, поместили их в гель, пометили их после расширения и вот оно — мы видим Y-образные формы”, — сказал Риццоли, имея в виду характерную форму белков.
По его словам, микроскопия ONE может дать представление о конформационно-динамических биомолекулах и позволить визуально диагностировать нарушения свертывания белков, такие как болезнь Паркинсона, по образцам крови. Юнгманн с таким же энтузиазмом относится к потенциалу RESI в документировании реорганизации отдельных белков при различных заболеваниях или в ответ на медикаментозное лечение. “Возможно, такое пространственное разрешение — это еще не предел, — сказал Юнгманн. — Оно может стать еще лучше”.
Клеточные атласы
Если вы ищете удобное кафе, Google-карты найдут ближайшие варианты и подскажут, как туда добраться. Но аналога для навигации по гораздо более сложному ландшафту человеческого тела пока не существует. Тем не менее, продолжающийся прогресс в рамках различных проектов по созданию клеточного атласа — в основе которых лежат достижения в анализе отдельных клеток и методах так называемой “пространственной омики”, — может вскоре позволить составить клеточные карты всех тканей организма, которых биологи так ждут.
Самая крупная — и, возможно, самая амбициозная — из этих инициатив называется “Атлас клеток человека” (HCA). Этот консорциум был основан в 2016 году клеточным биологом Сарой Тейхманн (Sarah Teichmann) из Института Сэннгера в британском Хинкстоне и Авивом Регевом (Aviv Regev), который сейчас возглавляет отдел исследований и первоначальных разработок в биотехнологической фирме Genentech в Сан-Франциско. В проекте принимают участие около трех тысяч ученых почти из 100 стран, которые работают с тканями 10 тысяч доноров. Однако HCA — это часть более широкой экосистемы пересекающихся проектов по разработке клеточных и молекулярных атласов. Туда входит Программа биомолекулярного атласа человека (HuBMAP) и Инициатива по исследованию мозга посредством инновационных нейротехнологий (BRAIN), инициатива “Клеточная перепись” (BICCN), финансируемая Национальными институтами здравоохранения США, а также “Атлас клеток мозга”, финансируемый Институтом Аллена в Сиэтле.
По словам Майкла Снайдера (Michael Snyder), специалиста по геномике из Стэнфордского университета и бывшего сопредседателя руководящего комитета HuBMAP, эти усилия отчасти обусловлены разработкой и быстрой коммерциализацией аналитических инструментов, которые помогают расшифровывать молекулярное содержимое на уровне отдельных клеток. К примеру, команда Снайдера регулярно использует платформу Xenium от компании 10X Genomics для молекулярного профилирования методом пространственной транскриптомики. Платформа позволяет еженедельно исследовать экспрессию примерно 400 генов одновременно в четырех образцах тканей. Методы мультиплексного анализа, такие как платформа PhenoCycler от Akoya Biosciences, позволяют команде отслеживать большое количество белков с разрешением до одной клетки в формате, который дает возможность осуществлять трехмерную реконструкцию тканей. Другие методы “мультиомики” позволяют ученым одновременно составлять профили нескольких молекулярных классов в одной и той же клетке, включая экспрессию РНК, структуру хроматина и распределение белка.
В прошлом году результаты десятков исследований продемонстрировали прогресс в создании атласов конкретных органов с использованием этих методов. Например, в июне HCA опубликовало комплексный анализ 49 наборов данных, полученных из легких человека. “Наличие этой чрезвычайно четкой карты легких помогает понять изменения, которые происходят при таких заболеваниях, как фиброз легких, различные опухоли и даже COVID-19”, — пояснила Тейхманн.
Ученым предстоит проделать огромную работу. По оценкам Тейхманн, пройдет не менее пяти лет, прежде чем процесс составления клеточного атласа HCA завершится. Но полученные карты будут просто бесценными, когда они наконец появятся. Тейхманн, к примеру, прогнозирует, что данные из атласа будут использоваться для разработки таргетной терапии, а Снайдеру хотелось бы узнать, как клеточное микроокружение влияет на риски и этиологию сложных заболеваний, таких как рак и синдром раздраженного кишечника. “Сможем ли мы решить эту проблему в 2024 году? Я так не думаю. Это задача на много лет, — сказал Снайдер. — Но это мощный двигатель для всей области”.
3D-печать наноматериалов
В нанометровом масштабе могут происходить странные и интересные вещи. Это может затруднять прогнозы в области материаловедения, но это также означает, что работающие в наномасштабах “архитекторы” могут создавать легкие материалы с такими отличительными характеристиками, как повышенная прочность, нужный характер взаимодействия со светом и звуком, а также повышенная способность к катализу или хранению энергии.
Существует несколько стратегий создания подобных наноматериалов, большинство из которых предусматривают использование лазеров для индукции структурной “фотополимеризации” светочувствительных материалов, и за последние несколько лет ученые добились значительных успехов в преодолении тех проблем, которые препятствовали более широкому внедрению этих методов.
Одна из проблем — скорость. Сурабх Саха (Sourabh Saha), инженер Технологического института Джорджии, рассказал, что сборка наноструктур с помощью фотополимеризации происходит примерно на три порядка быстрее, чем другие методы наномасштабной 3D-печати. Этого может быть вполне достаточно для применения в условиях лаборатории, но это слишком медленно для крупномасштабного производства и промышленных процессов. В 2019 году Саха и инженер-механик Ши-Чи Чень (Shih-Chi Chen) из Китайского университета Гонконга вместе с их коллегами показали, что они могут ускорить полимеризацию, используя шаблонный 2D-световой лист, а не традиционный импульсный лазер. “Это увеличивает скорость в тысячу раз, и вы по-прежнему сохраняете нужные вам характеристики”, — сказал Саха. Дальнейшие работы исследователей, в том числе Ченя, позволили найти и другие способы более быстрой наномасштабной печати.
Другая проблема заключается в том, что не все материалы можно печатать напрямую посредством фотополимеризации. Но Джулия Грир (Julia Greer) из Калифорнийского технологического института в Пасадене разработала обходной путь. В 2022 году она и ее коллеги описали метод, в рамках которого фотополимеризованные гидрогели служат своего рода микрошаблоном: их пропитывают солями металлов и обрабатывают таким образом, что металл принимает структуру шаблона, одновременно сжимаясь. Хотя метод изначально был разработан для микроструктур, команда Грир использовала эту стратегию и для наноразмерной печати, и исследователи с энтузиазмом относятся к возможности создания функциональных наноструктур из прочных, тугоплавких металлов и сплавов.
Преодолеть последний барьер — экономический — может оказаться труднее всего. По словам Саха, системы на основе импульсного лазера, применяемые во многих методах фотополимеризации, стоят более 500 тысяч долларов. Но сейчас появляются более дешевые альтернативы. Например, физик Мартин Вегенер (Martin Wegener) и его коллеги из Технологического института Карлсруэ испытали непрерывные лазеры, которые дешевле, компактнее и потребляют меньше энергии, чем стандартные импульсные лазеры. А Грир основала стартап для коммерциализации процесса изготовления наноразмерных металлических листов, которые в дальнейшем можно будет использовать в производстве бронежилетов нового поколения или сверхпрочной и ударопрочной внешней обшивки самолетов и других транспортных средств.
