Алхимия — наука года

Журнал Science назвал 10 главных научных достижений уходящего года

Артём Тунцов 19.12.2008, 13:06
Chris Bickel

Научными достижениями года, по версии журнала Science, оказались клеточная алхимия – превращение клеток из одного типа в другой несколькими способами, прямые наблюдения планет у других звёзд и новые технологии секвенирования генома. Помимо топ-10 уходящего года журнал предлагает и короткий список отраслей науки, от которых можно ждать прорыва в новом году.

В отличие от итоговых списков, которые публикуют популярные издания (наверное, самый известный из них — список журнала Time), научный журнал Science традиционно публикует 10 самых примечательных достижений года. Речь почти всегда идёт об опубликованных работах и почти всегда о каких-то конкретных результатах, а не новых экспериментальных или теоретических методиках.

Поэтому в рейтинге, опубликованном в сегодняшнем номере, нет, к примеру, упоминаний о запуске Большого адронного коллайдера (LHC) или работе зонда Phoenix в марсианской арктике — двух, без сомнения, примечательных событиях уходящего года. Их время ещё не пришло: для «Феникса» — потому что учёные ещё не обработали переданные им данные и не опубликовали результаты их анализа, для LHC — по другим причинам. Нет здесь и рассказов о количественной масс-спектрометрии или новых техниках спектроскопии — просто потому, что ничего по-настоящему прорывного с помощью этих методов учёные сделать пока не успели.

Научным прорывом года, по версии Science, стало перепрограммирование взрослых клеток.

Всего два года назад японцу Синье Яманаке и его сотрудникам удалось превратить клетки из хвоста лабораторной мыши в плюрипотентные клетки — полный аналог эмбриональных стволовых клеток, из которых может получиться любая клеточка тела (но не плаценты). В конце 2007 года тот же Яманака и пара других научных групп из США добились того же результата с человеческими клетками (клетки кожи, впрочем, брались не с хвоста, которого у Яманаки нет, а где-то в районе локтя).

Индукция стволовости — так метод назвали авторы — разрешила разраставшийся этический конфликт между перспективами лечения разных заболеваний пересадкой стволовых клеток и необходимостью добывать их из эмбрионов. Открытие было тепло принято даже умеренными религиозными деятелями и в прошлогоднем списке Science уступило только неожиданно большим вариациям генома от человека к человека, обнаружившимся после прочтения последовательности ДНК Джеймса Уотсона, 50 годами ранее выявившего структуру двойной спирали.

На этот раз перепрограммирование клеток добралось до вершины. За год были опубликованы сразу несколько работ на эту тему. С 4 до 3, а в некоторых случаях и до 2 сократилось количество генов, которые приходится вводить в клетку с помощью вируса, чтобы вернуть её в недифференцированное, эмбриональное состояния. Кроме того, вирусы, встраивающиеся в хозяйский геном, удалось заменить на аденовирус, который лишь производит необходимые белки, оставляя клеточную ДНК нетронутой. А некоторые гены и вовсе удалось заменить на простые химические добавки.

Кроме того, в этом году биологи научились выращивать плюрипотентные стволовые клетки из кожи взрослых людей с тяжёлыми наследственными заболеваниями, а из них получать клетки ткани больных органов. Это безмерно облегчает лабораторную работу по исследованию редких заболеваний и обещает быстрые и простые тесты на индивидуальную непереносимость лекарств.

Но самой яркой, безусловно, стала августовская статья Дугласа Мелтона и его коллег в Nature, которым удалась настоящая клеточная алхимия. Они смогли напрямую, минуя стволовую стадию, превратить клетку одного типа в другой, при том в живом организме. После некоторых манипуляций, часть клеток поджелудочной железы мыши, производящих пищеварительные соки, превратилась в β-клетки, секретирующие инсулин.

Представляете, просыпаетесь вы поутру, а где-то внизу спины, где раньше была только кожа, вдруг выросла вторая голова. Невероятно. А ведь в плане дифференцировки пропасть между экзокринными клетками и бета-клетками такая же большая, как между клетками кожи и нейронами. Правда, насчёт головы — это всё-таки слишком далёкая аналогия. Вырастить из стволовой клетки часть тела пока ещё никому не удавалось, хотя один цельный орган — простату мышонка — учёные таким образом изготовили.

Сразу за перепрограммированием клеток, как и в прошлогоднем списке Science, астрономия.

В этот раз на втором месте не происхождение космических лучей сверхвысоких энергий, а первые непосредственные изображения внесолнечных планет — трёх спутников звёзды HR8799 в созвездии Пегаса и одного спутника Фомальгаута — ярчайшей звезды созвездия Южная Рыба. Двум командам учёных из Канады и США удалось не только увидеть планеты, но и заметить их перемещение относительно центральных звёзд.

Прямые наблюдения планет очень важны: только анализируя их свет, можно будет выяснить что-нибудь помимо массы и размеров — например, выявить наличие и химический состав атмосферы, а то и заметить в спектре следы молекул хлорофилла. Пока, впрочем, толку от этих наблюдений не так уж и много: спутники что Фомальгаута, что HR8799 — это очень горячие и молодые планеты, которые пока даже светятся не отражённым светом звезды, а своей собственной раскалённой поверхностью.

Замыкают тройку лидеров исследования генетики опухолевых клеток.

Хотя в этом году и не думал иссякать поток работ, устанавливающих связь какой-нибудь врождённой мутации с повышенной вероятностью развития того или иного заболевания, в том числе и рака, в данном случае речь не о них. Развитие методов секвенирования генома, о которых речь ещё впереди, позволило выделить большое количество участков ДНК самих раковых клеток, отличающих их от здоровых клеток того или иного организма. Среди них многочисленные мутации в клетках глиобластомы (опасной опухоли мозга) и рака поджелудочной железы. Был получен и первый полный геном опухолевой клетки.

Впрочем, эти работы принесли и некоторое разочарование. К сожалению, мутации, отличающие раковые клетки, оказались исключительно разнообразными. Никаких универсальных «генов рака», исправлением мутаций которых удалось бы вернуть раковую клетку на путь здорового развития, не обнаружилось. Конечно, многочисленные Pten, p53 и прочие гены и сигнальные сети, модификации которых характерны для рака, остаются важным направлением исследований. Но даже очень похожие по симптомам случаи на генетическом уровне очень сильно отличаются от пациента к пациенту. Некоторые исследователи даже решаются говорить, что рак — будь то рак лёгкого, опухоли в мозге или рак простаты — это не какое-то одно заболевание, а тысячи и миллионы болезней, индивидуальных для каждого больного.

Четвёртое место редакция Science отдала новому виду материалов, обладающих свойством «высокотемпературной» сверхпроводимости. Прежде все эти сверхпроводники были основаны на соединениях меди, классический пример — имеющиеся в любом хорошо оборудованном физическом кабинете «керамические шайбы» из меди, бария и кислорода, сохраняющие сверхпроводимость при температуре жидкого азота. Однако в начале года японские физики сообщили о целом семействе новых сверхпроводников на основе железа в сочетании с лантаном, мышьяком, фтором и тем же кислородом. Уже к весне, манипулируя относительным содержанием примесей, китайцы довели критическую температуру до 56o K (--217o по шкале Цельсия). Конечно, до температуры жидкого азота ещё далеко, но ведь и исследуют новые сверхпроводники менее года, а не 20 с лишним лет. Кроме того, есть указания, что сверхпроводимость в «железных» сверхпроводниках устроена совсем не так, как в «медных».

На пятом месте оказались биохимики и структурные микробиологи, исследующие поведение различных белков и механизмы их связывания с разнообразными молекулами. Новые вычислительные мощности помогли рассчитать, как белки меняют свою форму во время химических реакций, а появившиеся в последние годы экспериментальные методы позволили в динамике увидеть это взаимодействие и даже выяснить, что в некоторых случаях результаты теоретических расчётов совпадают с реальностью. Самый примечательный пример – это поведение молекулы убиквитина — своего рода внутриклеточной «чёрной метки», умудряющейся связываться с самыми разнообразными повреждёнными или просто сделавшими своё дело белками, тем самым сигнализируя клеточным структурам, что белок пора отправить в утиль.

Шестая позиция у различных катализаторов, позволяющих добывать энергию экологически чистым и при этом относительно дешёвым способом. Например, у фосфорно-кобальтового соединения, который может заменить дорогую платину при реакциях расщепления воды на водород и кислород под действием солнечного света. Похожую «фотосинтетическую» реакцию удалось реализовать и с помощью сложного соединения на основе марганца. С первого взгляда не очень экологически чистым кажется метод получения горючих углеводородов из углекислого газа, воды и солнечного света, но этот метод лишь имитирует фотосинтез, который идёт во всех зелёных растениях. Что ж может быть экологичнее?

Седьмое место у немецких исследователей, которые с помощью нового микроскопического метода сняли целый документальный фильм о первых этапах развития эмбриона, проследив за каждой клеточкой крохотного тельца — их перемещением, делением и дифференцировкой. Даже если отбросить в сторону научную составляющую, нельзя не отметить эстетическая привлекательность видеоролика, показывающего, как из одной клеточки развивается уже похожий на что-то настоящее эмбрион.

Восьмое место у жира.

Точнее, «хорошего», бурого жира, который не запасает энергию, делая нас всё более толстыми и некрасивыми, а, напротив, расходует её, сжигая калории и согревая в мороз. Как оказалось, клетки бурого жира по своему происхождению гораздо ближе к клеткам мускулов, чем к своим «белым братьям». Кроме того, можно химическим образом повлиять на развитие этих клеток, заставив организм синтезировать больше «хорошего» жира. Можно и уменьшить количество белых жировых клеток — по крайней мере, теперь учёные знают, где находятся клетки — предшественники адипоцитов и как их отличить.

На девятой строчке группа немецких физиков и специалистов по компьютерным вычислениям, умудрившихся вычислить массы протона и нейтрона «из первых принципов» квантовой хромодинамики. Расчёт подтвердил, что большая часть массы всего того, что мы видим во Вселенной, — это лишь энергия квантовых колебаний вакуума.

Наконец, десятое место у новых методов секвенирования генома. Успехи калифорнийских компаний Illumina и Applied Biosystems позволили прочесть по кусочкам полную последовательность ДНК человека — все 3 миллиарда пар букв-нуклеотидов — и сшить их в единую связную последовательность, теперь это можно сделать не за несколько лет, а всего за две недели. И стоить это будет не много миллионов долларов, а всего около $100 тысяч. Благодаря этому у учёных теперь есть геномы не только нескольких белых и одного «синтетического» человека, но и геномы негра и китайца народности хань. Новые технологии секвенирования применялись и для расшифровки генома мамонта, известного нам теперь примерно на 70%. А некоторые компании уже обещают в следующем году предъявить технологии, которые позволят прочесть полный человеческий геном всего за $5 тысяч.

Основных успехов следующего года редакция Science ждёт от тех же генетики, астрофизики и физики элементарных частиц.

В первую очередь на будущий год запланирована публикация полных геномов целого набора важнейших сельскохозяйственных культур. Эта информация покажет учёным, в каком направлении надо работать, чтобы, например, сделать кукурузу более устойчивой к засухам, а сою — более богатой органическими соединениями, пригодными для создания биотоплива. В следующем году также будет отмечаться 200-летний юбилей со дня рождения Дарвина и должно, наконец, стать понятным происхождение видов на генетическом уровне, полагает Science. Работы, идентифицирующие гены, делающие невозможным скрещивание, начали появляться уже в этом году, а в следующем из них может сложиться вполне законченная картина видообразования на генетическом уровне.

Кроме того, через год, в декабре 2009-го, в Копенгагене должен состояться «второй Киото». На встрече руководителей мировых правительств им предстоит определиться, как бороться с глобальным потеплением, его причинами и последствиями после истечения срока действия Киотского протокола в 2012 году. Предстоит разобраться и с последствиями быстро набирающего ход окисления мирового океана из-за повышения уровня CO2 в атмосфере. Что делать с кислыми водами — пока никто не знает.

С практической стороны, предсказывает Science, в следующем году стоит ожидать серьёзного оживления разговоров об использовании успехов нейрофизиологии в криминалистике. Хотя сверхнадёжный «детектор лжи» нового поколения вряд ли будет создан, не удивляйтесь, если наука о физиологическом устройстве мозга дебютирует в судебном зале.

Наконец, на следующий год запланирован отложенный из-за сентябрьской аварии старт Большого адронного коллайдера (LHC) под Женевой, а на Тэватроне в американском штате Иллинойс уже вовсю идёт обработка данных о столкновениях частиц на сверхвысоких энергиях. Эти данные уже показывают что-то очень и очень необычное. И что-то настолько же необычное уже зафиксировали астрофизики в энергетических спектрах космических лучей, полученных в экспериментах PAMELA и ATIC. Не исключено, что между этими интригующими результатами есть прямая связь и следующий год станет годом рождения новой, «тёмной» физики.

Через две недели начнём проверять.