Научни новини: COVID-19, CRISPR, AI и Космос

Веднъж-дваж месечно Михаил Ангелов – биолог, агроном и любим нърд от нашия екип, ни представя най-интересните скорошни новини от различни сфери на науката и ще обяснява защо тези постижения са толкова значими за света и човечеството. Или най-малкото – любопитни и забавни.

COVID-19

Въпреки че най-разпространените в момента варианти на SARS-CoV-2 предизвикват сравнително леки симптоми (особено при ваксинирани), продължават да се натрупват данни за дълготрайни и непредвидени до момента последствия.

В скорошно изследване на екип от Каталуния е констатирано, че една година след преболедуване в над една трета от неваксинираните не може да се засекат антитела, особено в групата на над 60-годишните и на пушачите. Резултатите от проучването потвърждават и че хибридният имунитет е по-силен и по-дълготраен от постинфекциозния, поради което учените препоръчват поставянето на бустерни дози и на вече преболедували. В комбинация с наблюдението, че след поставени две ваксини поне две седмици преди заразяване с вируса вероятността от дълъг ковид намалява почти наполовина, тези данни показват ясната полза от ваксинацията.

В друго изследване е установено, че дори леките случаи на заболяването по време на бременност увреждат способността за имунен отговор на плацентата при последващи инфекции. Според учените това може да се окаже само върхът на айсберга и те смятат, че тези деца ще трябва да се наблюдават в по-продължителен период, за да се проследи здравето им. Препоръката на изследователите към бременните е да се възползват от достъпните за тях ваксини, да носят маска и по възможност да ограничат контактите си, особено с неваксинирани.

Добрата новина е, че при анкетиране на бременни и кърмещи жени съобщените нежелани реакции към трета доза ваксина (бустер) 24 часа след поставянето ѝ са били рядкост. Въпреки че локалните симптоми (болка и зачервяване) са били завишени в сравнение с контролната група, едва 2,4% от бременните са съобщили за реакции, свързани с бременността (основно контракции при жени в трети триместър), а само 3,5% от кърмещите са отбелязали намаляване в количеството кърма.

Нови приложения на CRISPR

През десетте години след публикуването на статията, описваща възможностите на системата CRISPR/Cas9, учените постоянно откриват нови начини за нейното приложение.

Сливането на хромозоми е процес, който се среща в природата – понякога като следствие на еволюцията, друг път в резултат на злокачествени процеси, които водят до редица здравословни проблеми. В статия, публикувана в списание Science, е описано първото успешно подобно сливане в лабораторни условия при бозайници. С помощта на CRISPR/Cas9 учените са слели хромозоми на мишки, които впоследствие могат успешно да се възпроизвеждат с нередактирани партньори. Въпреки някои отчетени проблеми – по-малобройно потомство, симптоми на тревожност и общи поведенчески промени, тази публикация отваря вратите за много бъдещи изследвания. С помощта на този метод могат да бъдат проучени по-основни теми – като еволюцията на хромозомите и разпределението им по време на мейоза (деленето на половите клетки), но и по-практично ориентирани – например развитието на някои видове тумори.

Наборът с инструменти на генетичните инженери се увеличава и с други нови открития. За разлика от Cas9, който модифицира ДНК, Cas13 има способността да реже едноверижна РНК. Както при Cas9, и при него са възможни нежелани редакции на непредвидени места. Поради това учените са създали система за белязване на такива редакции и над 200 модифицирани варианта на протеина и така са успели да открият варианти, които запазват ефективността си, без да променят РНК на непредвидени места. Тъй като РНК молекулите се задържат за сравнително кратко време в клетките и не се интегрират в генома, тази технология дава възможност за временни промени в клетките – подход, който се счита за по-безопасен.

Освен да срязва РНК молекулите на точно специфично място, Cas13 има способността да прави това и с близки РНК молекули. Като се използва тази негова възможност, е създаден бърз и прецизен тест за SARS-CoV-2, който може да се извършва и извън лабораторни условия само със секрет от носа и гърлото на пациента. Тъй като във формата, в която се среща в природата, протеинът не е с достатъчна чувствителност за приложение в диагностиката, екипът го е модифицирал, като е подобрил способността му да се свързва с РНК. Така е постигната възможността за детекция на 12 вирусни копия в един микролитър. Това го прави много по-чувствителен и по-прецизен от познатите бързи антигенни тестове, тъй като взаимодейства директно с генетичния материал на вируса, а не с белтъците от обвивката му. Поради гъвкавостта на системата тестът може да се приложи и за други вирусни заболявания – като зика, денге, ебола.

Изкуственият интелект в полза на медицината

Изкуственият интелект става широкодостъпен и интерактивен – най-вероятно немалка част от интернет потребителите са се забавлявали с изображенията, генерирани от Craiyon, а преди няколко години AlphaGo стана първата компютърна програма, победила човек на играта Go. Поради това не е изненада, че сходни похвати навлизат все повече и в други полета на науката.

Употребата на втора версия на AlphaFold (изкуствен интелект за предсказване на пространствената структура на протеини) става изключително популярна след публикуването и отварянето на кода му през юли 2021 г. Според статистика на списание Nature само два месеца след публикацията вече се подават по над 75 статии на месец. Програмата е създадена от екип на DeepMind, подразделение на Alphabet (компанията майка на Google).

Сега учените правят следващата стъпка с използването на изкуствен интелект за дизайн на нови протеини, като резултатите им са публикувани в три статии в списание Science. Първата е за създаване на нова структура с помощта на един от двата подхода – „халюцинация“, който работи на сходен принцип като при създаването на изображения от зададен текст в Crayion, или „запълване“, при който се използват похватите на автоматичното допълване (autofill) при текстово търсене по ключова дума. Така може да се зададат желани региони в протеина, които да имат конкретна активност или структура. Следва генериране на аминокиселинната последователност с помощта на новосъздаден инструмент (ProteinMPNN), който значително ускорява тази стъпка. Финално последователностите се анализират с помощта на AlphaFold, за да се потвърди, че ще бъде получена желаната пространствена структура. Някои от тези протеини са изпитани и в лабораторни условия, където е потвърдено, че кристалната им структура отговаря на структурата, създадена от алгоритмите.

Защо това е революционна технология ли? Защото с нея може да се създадат напълно нови протеини без аналози в природата. Едно от приложенията, посочени от авторите на изследването, е проектирането и изработването на биоматериали и все по-сложни компоненти за наномашини – малки „роботи“, които могат например да навлизат в човешките артерии и да разбиват плака или пък да внасят лекарства само в определени тъкани. Но това е само малка част от хоризонтите, които методът разкрива – приложението му може да намери място в най-различни биотехнологични процеси, като създаване на ваксини и различни терапевтични средства, устойчиво производство на биомаса и биогорива и др.

Изкуственият интелект се използва успешно и при създаването на нови медикаменти. Ключова стъпка в този процес е откриването на подходящо взаимодействие между целевата молекула в тялото на пациента и тази на лекарството, но поради големия брой потенциални взаимодействия задачата не е лесна. Прилагането на машинно самообучение помага значително.

Нов модел (AttentionSiteDTI), базиран на т.нар. обработка на естествен език (NLP), е описан от авторите му като голяма стъпка напред. Основните предимства на този подход са улесненото въвеждане на данни, който позволява използването на метода за по-широк набор от взаимодействия, и по-високата му скорост, за разлика от методите, базирани на други алгоритми. Ефективността му е потвърдена успешно в лабораторно изпитване на способността за свързване на седем молекули със спайкпротеина на SARS-CoV-2 (или ACE-2 рецепторите на човешки клетки), при което пет от тях са показали очаквания от модела резултат. Авторите смятат, че благодарение на гъвкавостта и високата си възпроизводимост, този метод може да бъде ключов в процеса на въвеждане на нови лекарства на пазара.

Алгоритми се използват и за проверка на това дали новосъздадените медикаменти могат да проявят токсичност към организма. За съжаление, тези алгоритми имат и своята тъмна страна. Само с промяна на условието – да се търсят токсични вместо нетоксични молекули – за по-малко от 6 часа са генерирани 40 000 химични структури на отровни вещества. Част от тях са вече познати химически оръжия, включително изключително опасният нервнопаралитичен агент VX, но има и нови, някои от които са със значително по-висока средна летална доза спрямо VX. Както авторите отбелязват, „духът вече е излязъл от бутилката“ и предстои много сериозна дискусия относно бъдещото развитие на тези технологии и създаването на механизми за ограничаване на възможността за използването им със зъл умисъл.

Повече по темата можете да чуете в епизода 40,000 Recipes for Murder на подкаста Radiolab.

Необятният Космос

Наблюдаването на астрономически събития, като слънчевите затъмнения, може да окаже сплотяващ и помиряващ ефект върху обществата, възприемано като изживяване на колективно чудо и източник на вдъхновение и възхищение. До този извод са достигнали авторите на проучване, в което са анализирани реакциите на почти 3 млн. потребители на социалната мрежа Twitter, за да се изследва социалното въздействие на пълното слънчево затъмнение през 2017 г. Според резултатите от изследването вероятността потребителите, попаднали в зоната на пълното затъмнение, да използват думи на благоговение е била над два пъти по-висока от тези извън него. Над 1,5 пъти по-вероятно е било да използват думи, свързани с общност и принадлежност (например „ние“). Увеличили са се и позитивните емоции.

Изводите от това изследване ще можете да изпитате и сами – макар че от територията на България няма да може да бъде наблюдавано като пълно, на 25 октомври около 12:30 ч. ще започне слънчево затъмнение. Максимумът му ще настъпи около час след това, като колкото по̀ на изток се намирате, толкова по-голяма част от слънчевия диск ще бъде закрита. Ако възнамерявате да наблюдавате явлението, използвайте подходящи защитни очила или филтри.

Системата от пръстени на Сатурн е най-разпознаваемата в нашата Слънчева система поради възможността за наблюдението ѝ със сравнително малко увеличение. Нов модел предлага обяснение за тяхното образуване, както и за наклона на оста на планетата спрямо орбиталната равнина. Според хипотезата преди около 160 млн. години орбитата на една от луните му (наречена от екипа Chrysalis, „какавида“) се е дестабилизирала и вследствие на приливните сили Chrysalis е била разкъсана на парчета, които с времето са оформили системата от пръстени на планетата (преди около 100 млн. години). Това е нарушило и баланса между Сатурн и Нептун, променяйки наклона на оста му. Предполага се, че най-вероятната причина е „побутване“ от Титан (най-голямата от 83-те луни на Сатурн), като това би обяснило и по-ексцентричната му орбита.

Но пръстени имат и четирите гиганта в нашата Слънчева система. С помощта на детектора за близка инфрачервена светлина на телескопа „Джеймс Уеб“ са направени най-ясните снимки на пръстените на Нептун след получените от космическата сонда „Вояджър 2“ при прелитането ѝ покрай планетата през 1989 г. Заради използването на този детектор планетата няма характерния си син цвят и изглежда сравнително бледа – и двата ефекта са вследствие на наличието на метан в атмосферата ѝ. Видими са и облаци от метан, които са високо в атмосферата и успяват да отразят повече от слънчевата светлина. На снимката се виждат и 7 от 14-те известни луни на Нептун, като най-впечатляващ е Тритон, който с покривката си от замръзнал азот отразява около 70% от попадналата върху него слънчева светлина. Това затвърждава успешното въвеждане в експлоатация на телескопа „Джеймс Уеб“ като едно от най-значимите събития в астрономията през последните години.

Заглавно изображение: Микроскопска снимка на стъбло на петгодишен бор, напречен разрез, 40х увеличение. Източник: BCC Bioscience Image Library, CC0 / Flickr