Противопандемийный ИИ, марсианский грунт, амортизационный хрящ

ИИ поможет предсказывать эволюцию вирусов

Святой Грааль готовности к пандемии — недостижимое пока чудо — это возможность предсказать развитие вируса, просто взглянув на его генетическую последовательность. До этого дня пока далеко. Но все больше исследовательских групп используют искусственный интеллект для прогнозирования эволюции вирусов — таких как SARS-CoV-2, различных вариаций гриппа и других.

Вирусы (особенно РНК-содержащие, такие как SARS-CoV-2) постоянно эволюционируют, накапливая новые мутации. Некоторые из этих изменений позволяют обходить иммунитет хозяина и быстро распространяться. Спрогнозировав появление тех или иных вариаций вируса, можно заранее подготовить необходимые вакцины и противовирусные препараты. Инструменты ИИ уже научились предсказывать, какие отдельные мутации вируса будут наиболее успешными и могут «победить» в краткосрочной перспективе. Но они пока далеки от того, чтобы уметь прогнозировать комбинации мутаций, которые одержат верх в более отдаленном будущем.

В прошлом исследователи проводили лабораторные эксперименты, чтобы выявлять «проапгрейженные» варианты вирусов. Но это было трудоемко и долго. Иммунолог Юньлун Цао из Пекинского университета в своей лаборатории придумал новый эксперимент: вирус «прогоняется» через панель антител, на которой сразу видно, как мутации влияют на его способность избегать обнаружения. Но и этого недостаточно, чтобы полностью объяснить направление эволюции вируса.

Новый импульс в этой области дали инструменты ИИ, разработанные для прогнозирования структуры белка: AlphaFold (созданный компанией DeepMind), ESM-23 и ESMFold. Обучение моделей ИИ требует огромных объемов данных, чтобы иметь возможность предсказывать эволюцию вируса. Эти данные появились в результате массового секвенирования SARS-CoV-2 — теперь у исследователей есть около 17 миллионов последовательностей вирусной ДНК, на которых можно обучать модели.

Одну из таких моделей использовали в Гарвардской медицинской школе в Бостоне — команда Деборы Маркс разработала 83 возможных версии белка-шипа SARS-CoV-2. На этих «аватарах» шипов ученые изучают эффективность будущих вакцин от коронавируса. Еще одна научная группа фокусируется на исследовании того, как одни штаммы вируса распространяются в популяции и начинают доминировать над другими, — и уже определила три мутации, которые в марте 2024 года помогли занять в мире главенствующее положение штамму SARS-CoV-2 под названием JN.1. Эти же мутации были найдены и в тех штаммах, которые быстрее прочих распространялись впоследствии.

Объединение данных секвенирования генома с экспериментальными результатами (как те, что получил Цао) повышает эффективность исследований. Модели с использованием таких объединенных данных разрабатывают, например, в Токийском университете — эту группу возглавляет эволюционный вирусолог Шусуке Кавакубо. В своей работе он изучает способность вируса гриппа вызывать иммунный ответ у хозяина: в тот момент, когда белок, вызывающий этот ответ, мутирует, организм перестает его распознавать. И как раз в этот самый момент производителям вакцин нужно скорректировать состав прививки.

Работы продолжаются по всему миру. Вирусологи пытаются предсказать главное — когда происходит тот самый эволюционный скачок вируса, который приводит к пандемии. Модели искусственного интеллекта, как надеются ученые, помогут в этом.

Кофе нужно пить по утрам, чтобы прожить дольше

Ученые из Университета Тулейна провели обсервационное исследование и по его итогам авторитетно заявляют: употребление кофе по утрам, а не в течение всего дня имеет прямую корреляцию со снижением смертности ото всех причин. Включая сердечно-сосудистые!

Ученые проанализировали данные американского национального опроса NHANES с 1999 по 2018 год (40 725 взрослых участников) и исследований Lifestyle Validation Study (1 436 участников). Средний период наблюдений составлял 9,8 года.

В обсервационном исследовании выявлены две различные модели времени употребления кофе: 36% участников пили кофе только по утрам. 14% — в течение всего дня. За изученный период было зарегистрировано в общей сложности 4 295 случаев смерти по всем причинам. Из них 1 268 — от сердечно-сосудистых заболеваний, 934 случая — от рака.

В итоге расчетов и корректировок выяснилось, что утренний (а не дневной) тип потребления кофе был в значительной степени связан со снижением риска смертности.

NASA еще не знает, как доставить на Землю образцы марсианского грунта

Марсоход Perseverance уже несколько лет собирает на Марсе образцы грунта — ищет доказательства существования на планете жизни в прошлом. Несколько десятков капсул с марсианскими камнями, пылью и воздухом, заботливо собранными марсоходом из различных геологических сред, лежат на дне кратера Езеро. А вот как привезти их на Землю — четкого плана по-прежнему нет. В апреле 2024-го агентство пообещало разработать для этого метод дешевле, чем первоначально предполагавшиеся 11 миллиардов долларов.

7 января NASA сообщило, что решение пока так и не найдено — ждать предложено по меньшей мере до 2026 года. Агентство изучает два варианта: один — с использованием проверенных технологий NASA, другой — с помощью систем, которые разработают частные аэрокосмические компании.

Самый ранний запуск космического корабля NASA к Марсу ожидается не раньше 2031 года, прибытие образцов на Землю — не ранее 2035-го. Потратить на это предполагается 6—7 миллиардов долларов. При этом китайская космическая программа предполагает привезти частицы Красной планеты на Землю уже в 2031-м (разумеется, никакой конкретики китайцы пока не выдают).

Образцов породы и воздуха с Марса на Землю еще ни разу не доставляла ни одна страна. Между тем изучение камней с поверхности планеты позволит ученым проводить более детальные анализы, чем те, которые может себе позволить марсоход.

Пока планы NASA ограничены двумя вариантами. Оба базируются на едином сценарии: космический корабль стартует с Земли, с него в непосредственном соседстве с Perseverance на поверхность Марса опускается посадочная платформа, на которой «приедет» ровер. Ровер соберет трубки с образцами, перенесет их в орбитальный контейнер, после чего контейнер улетает на орбиту Марса с помощью небольшой ракеты. Космический корабль, построенный и запущенный Европейским космическим агентством, перехватывает его на орбите и возвращается на Землю с образцами.

Варианты различаются способом того, как посадочный модуль попадет на Марс. Один вариант — «небесный кран», разработанный NASA. С его помощью, собственно, и спустили на поверхность планеты марсоход Perseverance в 2021 году и его предшественника — Curiosity. Второй вариант — коммерческий: система, сложенная из больших ракет и посадочных механизмов. Ее могут разработать Blue Origin или, например, SpaceX. Контракт от NASA получит та компания, которая докажет, что ее вариант дешевле остальных.

Четверти видов пресноводных животных грозит исчезновение

Многие рыбы, ракообразные и стрекозы, обитающие в пресноводных экосистемах мира, могут исчезнуть с лица земли. Под угрозой массового вымирания целых 24% видов — 30% ракообразных, 16% стрекоз и 26% пресноводных рыб. Такие данные приводят в новой статье ученые из Международного союза охраны природы под руководством Кэтрин Сойер.

Причиной тому антропогенное воздействие. Среди главных факторов риска — загрязнение пресных вод и воздуха (оно затрагивает 54% уязвимых видов), строительство плотин (влияет на 39% видов), сельскохозяйственная деятельность человека (оказывает воздействие на 37% видов), инвазивные виды и болезни (которые могут погубить 28% видов) и глобальное изменение климата (затрагивает 20% изучаемых видов). Это и немудрено — со времен зарождения цивилизации люди селились на берегах крупнейших рек и активно вели на них хозяйство.

Данные, предоставленные группой Кэтрин Сойер, основываются на исследовании 23 496 видов рыб, стрекоз и ракообразных. Как указывают авторы исследования, сокращение биоразнообразия в пресноводных экосистемах сильно недооценивается. Глобальный мониторинг выявил, что с 1970 по 2015 год на планете было потеряно 35% площади водно-болотных угодий — мы теряем эти экосистемы в три раза быстрее, чем сокращается площадь лесов Земли. Из оставшихся пресноводных экосистем 65% находятся под угрозой умеренного или высокого уровня. 37% крупных рек земли (протяженностью более 1000 километров) утратили свободный ток — они перегорожены плотинами и дамбами. Собственно, как и Волга, которая давно уже не является рекой — теперь это каскад водохранилищ.

Между тем в пресноводных экосистемах живут более 10% всех известных биологических видов на планете — примерно треть всех позвоночных, половина всех рыб. Это разнообразие пресноводных видов помогает обеспечивать глобальные биосферные процессы: круговорот питательных веществ, смягчение последствий изменения климата. А еще оно поддерживает культуру, экономику и средства к существованию миллиардов людей во всем мире.

В ушах млекопитающих нашли клетки, выполняющие функцию пузырчатой пленки

Это казалось невозможным, но ученые это сделали: нашли новый тип клеток тела млекопитающих. На сегодняшнем этапе развития науки это исчезающе редкое явление — ведь, казалось бы, все уже давно открыто. Но клеточные биологи из Калифорнийского университета обнаружили новый тип хрящевой ткани, который обеспечивает амортизацию хряща и его поддержку.

Уши и нос млекопитающих мягкие, но эластичные. Как оказалось, поддерживать такую структуру помогают клетки, устроенные примерно как «пузырчатая пленка». Вот только в роли воздуха в них вакуоли, заполненные жиром (липидами). Поэтому новую ткань в статье назвали «липохрящ».

Интересно, что клетки липохряща были под самым носом у ученых более 160 лет — еще в 1857 году немецкий зоолог Франц фон Лейдиг описывал хрящевую ткань в ухе крысы, в которой содержатся большие клетки, заполненные липидными депо. Классические клетки хряща — хондроциты — меньше, и жира в них не бывает. Они выстраиваются в жесткую решетку — внеклеточный матрикс — которая и обеспечивает хрящевой ткани структуру и поддержку. Поэтому решили, что большие клетки относятся к жировым, и забыли о них.

Группа клеточных биологов из Калифорнийского университета под руководством Максима Пликуса решила более внимательно их изучить только сейчас (на крысах). И обнаружилось, что клетки с липидными вакуолями ведут себя вовсе не как жировые. Во-первых, они показали полное отсутствие метаболической функции — их размер не изменялся, чем бы крысу ни кормили. Настоящие жировые клетки при более высококалорийном питании раздуваются, а при более низкокалорийном — сдуваются. Во-вторых, загадочные клетки выделяют иные сигнальные белки — не те же, что продуцируют клетки жировой ткани. В-третьих, активация их производства — как у хондроцитов, а не как у жировых клеток.

Вывод: перед нами клетки хрящевой ткани. Но не хондроциты, которые строят каркас хряща, а «липохрящ», который обеспечивает ткани мягкость и упругость. Это своеобразная пузырчатая пленка, защищающая хрящ от повреждений и амортизирующая его за счет «пузырей», заполненных жиром. Под микроскопом эти клетки, как описывает Максим Пликус, похожи на переливающиеся жемчужины.

Клетки липохряща находятся в тканях, выдерживающих большую биомеханическую нагрузку, и в тех, которые участвуют в восприятии звука. Клетки найдены у различных млекопитающих, а вот у амфибий, рептилий и птиц их нет. Авторы исследования предполагают, что их можно будет впоследствии использовать в медицине — готовить на их основе препараты для регенерации хрящевой ткани.