Пять прорывных изобретений, которые повлияют на жизнь каждого из нас
Искусственный интеллект (ИИ) продолжает оставаться одной из главных тем в глобальной технологической повестке. Однако массовый интерес к генеративным нейросетям постепенно угасает и дает возможность другим, не менее важным изобретениям, заявить о себе. «Эксперт» собрал технологии, которые наряду с ИИ могут изменить жизнь человечества в ближайшие годы.
Препарат для лечения СПИДа
Поиск лекарства от ВИЧ-инфекции и средств ее предупреждения был одной из наиболее важных задач мировой медицины на протяжении десятилетий. В августе этого года исследователи американской компании Gilead Sciences представили первый в мире профилактический препарат, который, по их оценкам, дает стопроцентную защиту от вируса. Клинические испытания ленакапавира (Lenacapavir) проводились на группе из 2134 девушек из Уганды и ЮАР в возрасте от 16 до 25 лет. Препарат вводился испытуемым внутримышечно дважды в год — как утверждают исследователи, ни одна из них не заразилась ВИЧ по итогам эксперимента (хотя они и находились в группе риска). В ноябре медики американского Университета Эмори отметили, что в рамках третьей фазы клинических испытаний ленакапавир показал эффективность 96%. Данных о том, что препарат может применяться для лечения ВИЧ, на данный момент нет.
Ленакапавир, вступая в контакт с частицами (виронами) ВИЧ, разрушает их защитную белковую оболочку. Эта оболочка, капсид, покрывает вирусную нуклеиновую кислоту (РНК), которая провоцирует вредоносные преобразования в клетках организма, она защищает кислоту от цитоплазмы и позволяет ей дойти до ядра — там оболочка разрушается, и вирус начинает менять работу клетки. Когда ленакапавир разрушает капсид, РНК уничтожается защитной средой клетки и не доносит свой генетический материал до ядра.
Главным недостатком препарата Gilead Sciences является его цена. Годовой курс терапии может обойтись более чем в $40 тыс. Компания объясняет это затратами на исследования. При этом ученые Ливерпульского университета во главе с Эндрю Хиллом оценивают реальную стоимость ленакапавира в $40–100 за годовой курс лечения с учетом цены компонентов.
После пандемии COVID-19 международные научные сообщества начали активно адаптировать опыт, накопленный при разработке вакцин против коронавируса, для создания новых методов лечения ВИЧ, отметила управляющий директор по направлению биологических и медицинских технологий в Департаменте развития приоритетных проектов Фонда «Сколково» (входит в группу ВЭБ.РФ) Камила Зарубина. Но пока одним из главных недостатков препарата остается его высокая стоимость, добавила она. Многие фармацевтические компании стремятся получить лицензию на производство более дешевых аналогов, что позволило бы сделать лечение доступным в странах Африки, Индии и США, где уровень распространения ВИЧ особенно высок.
Мозг на 3D-принтере
Еще одним крупным достижением в медицинской сфере стала 3D-печать ткани головного мозга. Ученые из Висконсинского университета в Мадисоне (США) в феврале 2024 г. сообщили, что им удалось создать растущие и функционирующие кортикальные ткани полосатого тела при помощи технологии 3D-печати. Для этого исследователи применили технологию горизонтальной печати биочернилами — это, по их оценкам, обеспечивает лучшую связь между нейронами и позволяет сохранять их структуру.
Способ, который выбрали ученые, отличается от распространенного метода выращивания органоидов (клеточной культуры определенного вида) из соответствующих клеток различных органов. По оценкам исследователей, 3D-печать дает бОльшую точность в создании клеточной структуры.
Значительные недостатки органоидов — это высокая вариабельность их формы и ограниченный размер (чаще всего — до 1 см), указывает Полина Бикмулина, директор дизайн-центра «Биофабрика» Первого МГМУ им. И. М. Сеченова. Это не позволяет использовать органоиды в качестве искусственных органов.
Противопоставлять две технологии тем не менее не совсем корректно — каждая из них разработана для конкретной задачи. Кроме того, они могут использоваться вместе — когда органоиды выступают как кирпичики будущего органа, а 3D-биопечать позволяет создать каркас, в котором будут расти клетки, допускает она.
В случае с мозгом, да и многими другими тканями, органоиды будут полезны, например, при моделировании течения заболеваний и биологических процессов на клеточном уровне, отмечает Бикмулина. 3D-биопечать позволяет более точно контролировать структуру и состав клеток. Ее можно использовать в исследовательских целях при создании моделей органов для тестирования лекарств, тканей с определенной архитектурой, для изучения клеточных взаимодействий в контролируемой среде, например нейронных сетей или сосудистых тканей. Если говорить о прикладном использовании, то для создания тканеинженерных имплантов 3D-биопечать, конечно, подойдет лучше, чем технология органоидов, добавляет эксперт.
«Мы в Институте регенеративной медицины Сеченовского университета с помощью 3D-биопечати создаем „органы-на-чипе“ для тестирования лекарств. Мы получили модель кожи с микробиомом, на которой можно исследовать препараты для лечения дерматологических заболеваний, а в перспективе она позволит моделировать и сами заболевания», — делится Бикмулина. Технологии, необходимые для создания биоинженерных имплантов, уже существуют, и сейчас институт работает над тем, чтобы объединить их в мегапроекте «Орган-на-заказ», добавляет она.
Пока мы не можем печатать целые органы на биопринтере и сразу же использовать их для трансплантации, констатирует Камила Зарубина. В прошлом году ученые НИТУ «МИСиС» вместе со специалистами выпускника «Сколково» 3D Bioprinting Solutions провели операцию с помощью роботизированной руки, оборудованной 3D-биопринтером, отметила она. Во время процедуры эта рука заменяла часть мягких тканей, используя так называемые органоиды — группы клеток, способные выполнять функции настоящих тканей. Такие точечные операции, направленные на замену небольших участков мышц или тканей, уже возможны сегодня, говорит эксперт. Но вопрос, смогут ли учёные в будущем создавать ткани и органы, полностью совместимые с человеческим организмом, остаётся открытым и потребует дальнейших исследований, резюмировала Камила Зарубина.
Поиск участков шизофрении
Еще одним значительным достижением медицины стал метод поиска и анализа систем нейронов головного мозга START (Single Transcriptome Assisted Rabies Tracing), который разработали ученые Института биологических исследований Солка (США). «Когда дело доходит до лечения неврологических и нейропсихиатрических расстройств, мы, по сути, пытаемся починить машину, не понимая до конца ее устройства», — говорит главный автор проекта, профессор и заведующий кафедрой молекулярной нейробиологии им. Винсента Дж. Коутса в Солке Эдвард Каллауэй. Технология START объединяет в себе методы отслеживание вируса бешенства и транскриптомику отдельных клеток при секвенировании РНК. Модифицированный, безопасный вирус проходит по разным участкам мозга и взаимодействует с группами клеток — для каждой группы определяются только связанные с ней клетки. Таким образом, отслеживая перемещения вируса, специалисты составляют карту клеток мозга. При помощи метода START исследователи смогли отследить более 50 видов тормозных (замедляющих работу мозга) нейронов в зрительной коре мыши, а также новые типы связей между тормозными нейронами. Утверждается, что в дальнейшем это позволит подробнее изучать популяции нейронов в человеческом мозгу, ответственные за аутизм и шизофрению.
Сейчас терапия шизофрении, аутизма и связанных с ними расстройств основывается главным образом на использовании нейролептиков, которые воздействуют одновременно и на возбуждающие, и на тормозные нейроны. Их эффект часто неспецифичен, и они могут иметь серьезные побочные действия.
Новое поколение препаратов основано на более глубоком понимании механизмов работы тормозных нейронов. Но это долгосрочная перспектива, требующая не только фундаментальных исследований, но и множества клинических испытаний в течение многих лет, заключают эксперты.
Беспроводная передача энергии
Технологии получения энергии в космосе уже достаточно изучены — для этого наиболее активно используются солнечные батареи, но актуальной остается задача передачи энергии на Землю. В этом году исследователи Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе в Санкт-Петербурге успешно завершили испытания фотоэлектрических преобразователей на основе арсенида галлия. Они позволяют преобразовать лазерное излучение в электрический ток, при этом эффективность преобразования достигает 45% — значительно выше зарубежных аналогов на основе кремния. Технология может открыть возможности для эффективного получения энергии из космоса. В прошлом году исследователи из Калифорнийского технического института впервые передали энергию из космоса на Землю — впрочем, силы полученного тока не хватило даже на включение светодиодов.
Возможность использования энергии из окружающей среды представляется очевидным и многообещающим направлением, поскольку энергия повсюду присутствует вокруг нас в виде света, тепла, движения и т. д., уверен профессор Высшей школы бизнеса НИУ ВШЭ Михаил Аким. Последние разработки в области беспроводной передачи электроэнергии могли бы уже в ближайшем будущем решить вопросы энергоснабжения для систем интернета вещей (IoT), рассуждает эксперт. Поскольку использование IoT продолжает расширяться, спрос на использование схем и устройств без батарей стремительно растет, указывает Аким.
В последние десятилетия наметилась тенденция к развитию промышленных систем автоматизации, использующих беспроводные датчики — это позволяет значительно сократить расход средств и времени, необходимых на прокладку многочисленных кабельных трасс, подчеркивает эксперт. Масштаб задачи поистине огромен, так как любой проект автоматизации современного предприятия требует тысяч километров кабелей — это колоссальное количество проводов, огромные затраты рабочей силы на монтаж и наладку, указывает Аким. Надежная беспроводная передача сигнала уже реальна, но ключевым условием возможности развертывания таких систем является обеспечение надежного питания многочисленных датчиков, продолжает он. В настоящее время для этого используются батареи, срок жизни которых в лучшем случае составляет до десяти лет, но в реальности зачастую они выходят из строя значительно раньше, рассуждает эксперт.
Механический кубит
Одним из крупнейших достижений в области вычислительной техники в этом году стало создание первого механического кубита, что открывает возможности для разработки невиртуальных квантовых компьютеров. В конце ноября ученые Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) сообщили о создании кубита на основе пьезоэлектрического диска на сапфировой подложке. Такое устройство может принимать стандартные для обычного бита значения «0» и «1», а также входит в суперпозицию — среднее между «1» и «0» состояние. Время когерентности (срок службы, за который кубит проводит вычисления без потери информации) у механического кубита значительно превышает показатели цифровых и комбинированных кубитов. Кроме этого, для корректной работы механического кубита не требуются сверхнизкие температуры, необходимые при использовании электромагнитных технологий в квантовых вычислениях. Это позволяет ожидать появления промышленных квантовых компьютеров в ближайшие пять-десять лет, считают специалисты, опрошенные «Экспертом». Тем не менее значительным минусом механического кубита остается его сравнительно низкая точность — 60%.
«Пока говорить о конкретной реализации квантового компьютера рано. Создатели технологии утверждают, что точность механического кубита составляет всего 60%, а это значит, что практически половина состояний не может быть определена. Понятно, что два экстремальных состояния — „есть вибрация“, „нет вибрации“ — детектируются абсолютно однозначно со стопроцентной точностью, но в кубите важна именно суперпозиция состояний, а она, судя по всему, пока детектируется крайне неуверенно», — указывает заместитель начальника Управления цифровой трансформации РЭУ им. Г.В. Плеханова Павел Терелянский.
Создание квантовых компьютеров на основе механического кубита позволит быстро проводить сложные математические операции, в том числе в области ИИ, а также реализовать проекты в областях молекулярного моделирования, оптимизационных и криптографических задач.
