Квантовые осцилляторы, искусственные бактерии и неандертальцы

Сванте Паабо пришлось пересмотреть свои взгляды на возможность скрещивания гомо сапиенсов с неандертальцами.
Фото с сайта www.plos.org

Как всегда, в январе мы знакомим вас с десяткой самых главных научных событий года, по версии журнала Science. Журналисты этого одного из самых главных в мире научных изданий (его единственным конкурентом считается английский журнал Nature, перебивший его возрастом, поскольку живет с середины XIX века, а также некоторыми, очень важными для мира научными открытиями типа статьи Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика о двойной спирали ДНК) ежегодно собираются вместе и начинают стенка на стенку выбирать десятку лучших научных прорывов года.

Прорыв года – Breakthrough of the Year

На самом деле они выбирают не десять прорывов, а один и девять – первый называют Прорывом года (Breakthrough of the Year) и выделяют особо, вторых – Следующими, или Остальными (Runners-up). Это удивительно, однако часто так случается, что Прорыв года у них оказывается совершенно неожиданным, но почему-то каждый раз в конечном счете выходит так, что правы были ребята из Science, а не те, кто ставил на что-то другое.

Возможно, что причина здесь проста – в первый момент журналисты (и не только журналисты, а даже и сами ученые) часто просто не понимают значения того или иного события, а когда приходит понимание, время ушло и новость устарела, журналисты про нее забывают, а ученые┘ что ж, ученые чаще всего не хотят тратить время «не на свое дело».

Похоже, что в ушедшем году произошло то же самое – событие, которое редакторы Science признали Прорывом года-2010, они и сами не заметили в момент, когда о нем было сообщено в самом начале апреля. Теперь по прошествии времени они отдают ему должное.

Прорывом года они назвали работу физиков Университета Калифорнии, которые раскачали микроскопический маятник силами, которые подчиняются не классической, а квантовой механике. Маятник, или, если точнее, рычаг, имеет толщину в нанометры и длину в несколько микрон. Микроскопический для нас, для квантовой механики он представляет собой макроскопический объект, первый в мире видимый невооруженным глазом квантовый осциллятор.

В редакционной статье журнала это достижение сравнивается с мотоколяской «Модель А», которую Генри Форд собрал на собственной кухне в 1896 году. Этот неказистый квадроцикл дал начало гигантской автомобильной промышленности, радикально изменившей весь мир, и, возможно, сходная судьба ожидает достижение калифорнийских ученых. Сам эффект теоретически известен давно и основан на поглощении и испускании атомами квантов энергии, но экспериментально никто до прошлого года воспроизвести его не сумел – требовались чрезвычайно низкие температуры и как можно более высокие энергии квантов. Американским физикам удалось обойти эти препятствия, создав новый вид осциллятора и заморозив систему до нескольких сотых градуса выше абсолютного нуля. В результате они сумели сделать так, чтобы «волосок» завибрировал, с огромной частотой меняя свою толщину.

Остальные – Runners-up

Вторым в списке и первым из остальных девяти достижений редакция Science отметила работу группы генетиков из Института Крейга Вентера (США), которые объявили о создании первой в мире бактерии с искусственно синтезированной ДНК. Геном почти полностью, за исключением одного-единственного гена, аналогичен геному реальной бактерии, но весь фокус в том, что он был собран из множества коротких отрезков ДНК. Лишний же ген нужен был для того только, чтобы организм бактерии синтезировал белки, которых раньше у этой бактерии никогда не было, – обнаружив их, ученые смогли убедиться, что эксперимент прошел удачно. По своему потенциалу бактерия с искусственным геномом мало чем отличается от квантового макроосциллятора. Этот метод может произвести настоящую революции в биологии и медицине. А пока он дал начало новой науке – синтетической биологии.

На третьем месте – расшифровка генома неандертальца международной группой генетиков во главе с немецким палеогенетиком Сванте Паабо, который в конце прошлого века заявил, что мы не имеем ничего генетически общего с неандертальцами и 80 тыс. лет назад наши африканские предки, живя с ними бок о бок по всей Европе, генетически никак с ними не пересекались.

Но вот теперь он вместе с большой группой коллег из множества институтов опроверг сам себя, доказав, что все-таки мы унаследовали от неандертальцев от 1 до 4% генов.

Крысы триумфально вернулись в научные лаборатории. Фото Виктора Куйды

Четвертая строка списка снова посвящена генетике, точнее, геномике – науке, изучающей уже существующие геномы. Здесь отмечен целый спектр работ, поднявших геномику на новый уровень благодаря появлению новой техники, позволяющей проводить секвенирование (считывание) генетических текстов намного быстрее и дешевле, чем раньше. Особо отмечен успех международного проекта «Тысяча геномов», в ходе которого, в частности, ведется поиск мутаций в человеческом геноме величиной в одну букву – они называются SNP. В 2010 году этот поиск чрезвычайно ускорился, и к 6,5 млн. уже известных SNP добавилось еще 8,5 млн. Считается, что эта информация поможет ученым выявить все болезнетворные мутации.

Пятое по важности научное достижение, по версии Science, тоже имеет отношение к биологии и касается так называемого перепрограммирования клеток. Это довольно известная техника, при которой с помощью введения в клетку лишних копий генов можно взрослую клетку превратить в эмбриональную. В прошлом году эту технику удалось радикально модифицировать, сделав ее намного быстрее и эффективнее. В основе новой технологии лежит использование синтетических РНК, которые «кажутся» клетке своими и потому не вызывают иммунного ответа. Оказалось, что синтетические РНК не только быстрее и лучше перепрограммируют клетки в стволовые, но также могут заставить стволовые клетки превратиться в нужную ткань. Этим способом, например, соединительную ткань можно превратить в мышечную.

Шестое место также отдано биологии, вернее, так называемому экзонному секвенированию. Экзоны – это участки ДНК, где находятся кодирующие гены. Они занимают всего лишь 1% от полного объема генома. В прошлом году ученые научились секвенировать только экзонные участки ДНК. Это в сто раз облегчает поиск генов-мутантов, вызывающих наследственные заболевания. Воспользовавшись этим способом, ученые смогли выявить генетические причины более чем десяти редких наследственных болезней. Среди них – неправильное развитие мозга, деформации лица и т.д.

На седьмой строчке уже не биология, а физика – Science поместил здесь работы по созданию «квантового симулятора», системы, облегчающей решение сложных задач из физики твердого тела. Описывая поведение кристаллической решетки, ученые пользуются головоломной математикой, в основе которой лежит так называемый гамильтониан – квантово-механический оператор, содержащий информацию о расположении атомов в узлах решетки и их движениях. Решать эти гамильтонианы весьма сложно. В прошлом году сразу несколько групп опробовали для их решения «квантовые симуляторы» – системы с использованием множества лазеров, «копирующие» поведение кристаллической решетки. Пока с помощью таких симуляторов удалось решить уже решенные задачи. На очереди – гамильтонианы, которые другим методам решения не поддались.

Восьмое место присуждено другому симулятору – молекулярному. Симулятор на этот раз «обыкновенный». Это компьютерная модель, с помощью которой биологи пытаются понять устройство и внутреннюю динамику белков. Основное препятствие здесь – невероятное количество вариантов, с перебором которых до сих пор не могли справиться самые мощные суперкомпьютеры. До прошлого года они были способны просчитать динамику молекулярных цепочек белка в течение времени, слишком короткого для того, чтобы его архитектура хоть сколько-нибудь изменилась. В прошлом году с помощью суперкомпьютера с 512 процессорами и нового софта американским исследователям удалось стократно увеличить это время, доведя его до миллисекунды, чего уже вполне достаточно для моделирования внутренней динамики простых белков.

Под номером девять значится «возвращение крыс» в биолаборатории. Организм крысы ближе к человеческому, чем мышиный, и они чаще мышей болеют человеческими недугами. Поэтому, исследуя, например, болезни Паркинсона и Альцгеймера, предпочитали иметь дело с крысами. Однако методика под названием «мышиный нокаут», разработанная в 1989 году и включающая в ДНК мыши тот или иной ген, все изменила. Она не годилась для крыс, но была настолько перспективна, что, повздыхав, генетики переключились на мышей. В прошлом году «мышиный нокаут» наконец удалось сделать «крысиным», и более удобные для исследований грызуны стали возвращаться в лаборатории.

Последним, десятым научным достижением года названо создание двух новых медикаментов, предотвращающих ВИЧ-инфицирование. Один из них – вагинальный крем тенофовир – на 39% уменьшает вероятность проникновения вирусов СПИДа в организм женщины. Второй – профилаксис, принимаемый перорально, оказался одинаково хорош для лиц обоего пола. Его тестирование, проведенное на большой группе мужчин и женщин, показало, что он уменьшает риск ВИЧ-заражения на 43,8%.

* * *

Как всегда, без отметок оказались достижения, опубликованные в последней декаде года, а их было немало. По мнению редакции Science, научное достижение должно отстояться хотя бы пару месяцев. В следующий список они тоже не попадают, как прошлогодние. Поэтому, если ученый хочет попасть в список Science, ему следует проявлять публикационную активность, не дожидаясь осенних дней.