Автор Оксана Расулова

Гори по коліна: як біонічні ноги замінюють справжні

Від моменту виникнення першого протезу в Єгипті і до появи людини на біонічних ногах на сцені TED минуло дві тисячі років. Суцільна дерев’яна кінцівка еволюціонувала до повноцінної частини тіла з електричною шкірою і датчиками замість рецепторів. Як реалізували проект з комплектації людини – розповідає Platfor.ma.

Г’ю Герр

Передісторія. Штат Пенсильванія на північному сході США перетинають гори Аппалачі – місцевість сама спонукає займатися альпінізмом. У 1964 році в містечку Ланкастер, у долині річки Сасквеханна, народився Г’ю Герр. У вісім років він підкорив гору Темпл висотою 3544 метрів, і про нього швидко заговорили як про одного з найбільш перспективних альпіністів Штатів. У 17 років він уже був доволі досвідченим, щоб підкорити серйозні вершини, тож пішов у експедицію на північ США.

Проблема. Під час експедиції альпіністи потрапили в заметіль. Дезорієнтовані Г’ю і його напарник Джеф Батцер провели в заметах під горою Вашингтон три дні. Температура не піднімалася вище -29°C. Коли хлопців знайшли, їхні ноги були на такій стадії обмороження, що їх довелося ампутувати. Джеф Батцер лишився без однієї ноги й пальців іншої. А Г’ю пощастило ще менше – йому, перспективному альпіністу, ампутували обидві ноги аж до колін.

Ідея. Протез як явище не новий, але це завжди було щось чужорідне людському тілу. Справжні ноги дають «зворотній зв’язок»: людина відчуває, що відбувається з її тілом, розрізняє температуру, біль, положення в просторі. Однак класичний протез не дає жодних відчуттів. Г’ю вийшов з лікарні і почав працювати над створенням власних. Спершу це були спеціальні «кішки» для альпінізму, названі так через схожість з котячими пазурами. А потім Герр вирішив, що здатний на більше.

Рішення. Г’ю стає студентом університету Міллерсвіля. За час навчання він запатентував власне кріплення для протезу. Наступний етап – магістратура МIТ. А після її звершення альпініст стає доктором біофізики в Гарварді. Маючи таку освіту, Г’ю почав займатися біонікою на серйозному рівні. Він повертається у МІТ не тільки як викладач, а і як засновник Центру екстремальної біоніки – там намагаються створити «чутливий» протез.

Технологія. Протез Герра не суцільний: він має з’єднання на місці суглобів людини, схожі складові частини, 12 датчиків і акумулятори, які можна заряджати окремо. Сам винахідник каже, що ноги мають три види зв’язку: механічний (поєднання ніг і тіла), динамічний (забезпечує рух) і електричний (забезпечує двостороннє проведення інформації). Кріплення ніг до тіла забезпечує синтетична шкіра, яка має різну жорсткість у різних ділянках залежно від тиску, якого вона зазнає. Загалом завдяки системам контролю нога поводиться так, ніби в ній є м’язи, нерви, сухожилля, суглоби. Керується механізм теж як «справжній» – завдяки силі волі, що мовою фізіології означає нервові імпульси від мозку: електроди на поверхні справжньої ноги фіксують імпульси від скорочення м’язів і трансформують їх в імпульси, що примушують рухатися частини біонічної ноги. Це працює, мов магія: варто подумати про рух – і він відбувається.

Про те, як моделювали біонічні ноги, найкраще розкаже їхній творець.

 

Що далі? Герр каже, що зовсім скоро у людей будуть «запасні» кінцівки, екзоскелети стануть звичною справою, а штучно вирощені нерви якісно змінять відчуття від біонічних ніг.

Наразі вченим незалежно від Герра і МТІ вдалося створити електричну шкіру, що реагує на біль. Рецептори налаштовані на певний рівень тиску, що рівноцінно больовому порогуі – і як тільки «шкіра» фіксує цей рівень, вона посилає у мозок больові сигнали. Випробування проходили на протезі руки, тож сигнал рухався ліктьовим нервом. Рука реагувала, як справжня – людина відсмикувала її. Якщо таку шкіра застосують для біонічного протезу, ми станемо на крок ближче до досконалого майбутнього. Адже «людина не може бути неповноцінною. Неповноцінні тільки наші технології», – запевняє Г’ю Герр.

І йому хочеться вірити.

Редагуй як бог: технологія зміни геному CRISPR-Cas9

За цю технологію ведуться патентні війни між корпорацією ІМТ і Каліфорнійським університетом. Білл Гейтс інвестує у стартап, який допоможе завдяки їй змінити людство. Дженіфер Лопес продюсує кримінальний серіал про її розвиток. Знайомтеся: у спецтемі «Ідеї» – CRISPR-Cas9, високоточна система редагування геному.

Передісторія. Уявімо кишкову паличку. У різних штамів цієї бактерії є різна кількість генів, але переважно їх 4200 – зовсім небагато. І з усім цим щастям паличка повинна вижити сама і ще й розмножитися. Зрозуміло, що вона ставиться до свого геному економно й абищо там не триматиме. Але у 1980-х роках під час розшифровування її геному вчені раптом знайшли, здавалося б, беззмістовну послідовність: мало того, що вона складалася з фрагментів ДНК, що повторювалися багато разів, так ще й нічого не кодувала.

Ці послідовності назвали CRISPR – Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (короткі паліндромні повтори, регулярно розташовані групами). У різних штамів бактерій ці послідовності відрізнялися. Що вони роблять, ніхто до кінця не розумів, але їх почали застосовувати як маркери: наприклад, компанія з виробництва ензимів і біопродуктів Danisco, щоб запобігти «крадіжці» цінних штамів молочнокислих бактерій для виготовлення закваски.

Прийшли 2000-і і вчені вирішили порівняти CRISPR-послідовності та вже наявні послідовності в ДНК-базах. Виявилося, що CRISPR схожі на геноми вірусів. Відкриття описали у кількох низькорангових журналах і ним ніхто не зацікавився. Тоді ж поруч з CRISPR-послідовностями виявили Cas-гени (Cas – CRISPR associated protein, або CRISPR-асоційований білок).

Група вчених зробила припущення, що білки групи Cas розпізнають вірус завдяки наборам CRISPR-спейсерів (унікальних послідовностей): як тільки РНК з CRISPR збігається з генним матеріалом вірусу, запускається «імунна реакція». Ба більше, у вже згадуваній компанії Danisco провели експеримент: у геном бактерії вбудували нову CRISPR – і вона стала стійкою до вірусу, геном якого повторювала ця CRISPR. Результати опублікували вже не абиде, а в журналі Science.

Проблема. Уся інформація про те, як функціонує наш організм, записана в генах. Літерами A, G, T, C позначають нуклеотиди, з яких складається ДНК. 6,4 млрд нуклеотидів – і навіть однієї помилки достатньо, щоб спричинити генетичне захворювання. Це і синдром Дауна, і серповидноклітинна анемія, і гемофілія, і рак, і ще дуже багато не таких відомих хвороб, спричинених мутаціями, які руйнують життя неймовірній кількості людей.

Ідея. У вчених виникла думка: чому б не боротися з генетичними хворобами, зігравши на випередження – змінюючи ДНК людини ще до народження? Серед групи білків Cas найбільш універсальним виявився Cas9. Для досягнення мети вирішили використати саме поєднання CRISPR і Cas9. І технологія не підвела.

Рішення. Експерименти з CRISPRCas9 успішно проводили на бактеріях та в умовах in vitro («у пробірці»), а у 2013 році технологія вийшла на новий рівень – CRISPRCas9 запрацював у клітинах еукаріотів (організмів, у чиїх клітинах є ядро – як у людей). А ще через два роки сталося те, що здавалося неможливим: китайські вчені опублікували статтю, де описали свій успішний експеримент з редагування геному людського ембріона. Їм вдалося виправити ген, який відповідав за бета-таласемію (синтез аномального гемоглобіну, що спричиняє анемію).

Якби ембріон вирішили розвивати далі, цілком могла б народитися здорова дитина. При цьому точність редагування була дуже низькою, наукова спільнота відреагувала неоднозначно. Але у 2016 році вчені з США звели вірогідність помилки редагування до нуля і всі визнали – тепер ми можемо змінювати геном людини. Це стало найбільшим науковим відкриттям останніх десятиліть. (Ми вже писали про те, які етичні проблеми ставить перед людством це відкриття.)

Технологія. Як працює CRISPRCas9? У живу клітину система потрапляє завдяки «упаковці» з нешкідливих вірусів, що дозволяють проходити крізь мембрани. ДНК людини – дволанцюгова спіраль, що складається нуклеотидів. РНК, що є в CRISPRCas9, називають «гідом» – місце, де має відбутися розрив (усього 20-30 нуклеотидів) вона впізнає завдяки комплементарності. Комплементарність – це здатність одних нуклеотидів (A, G) «впізнавати» інші (T, C) й утворювати з ними специфічні стійкі пари, що не дають «розплутатися» спіралі з двох ланцюгів ДНК.

За допомогою ферменту Cas9 зв’язки «розрізаються» і непотрібний фрагмент вилучається. Розрив відновлюється за рахунок природних процесів репарації ДНК під час поділу клітини (при диплоїдному наборі хромосом, коли в кожної є пара, яка підставить дружнє хромосомне плече допомоги) або ж правильний фрагмент ДНК вносять разом з системою CRISPRCas9 (при гаплоїдному наборі, коли кожна хромосома є тільки в одному екземплярі).

Що далі? Зараз різні системи CRISPRCas9 використовують у найрізноманітніших цілях: для затримки розвитку бокового аміотрофічного склерозу (хвороба, на яку страждав Стівен Хокінг), для лікування міодистрофії Дюшенна, раку, анемії та «очищення» від ВІЛу (елімінація – усунення вірусу з клітини). А завдяки CRISPR-Cas13 (з іншим білком групи Cas) учені навчилися «вимикати» гени.

За допомогою CRISPRCas9 відтворюють фільми, внутрішні органи свиней роблять придатними для трансплантації людині, диференційовані клітини перетворюють на стовбурові. Під дією технології «відредаговані» томати не потребують запилення для розмноження, а мурахи перестають реагувати на інших членів колонії, натомість обираючи самітне існування. Хоча до самого методу є багато запитань з етичної точки зору і називати його панацеєю ще рано, ми точно стали на поріг медичної революції та маємо шанс пересмислити усе людське існування.

Вертикальний ліс – штучні легені для планети

Передісторія. У студентські роки італійський архітектор Стефано Боері був учасником лівих молодіжних рухів і мало цікавився екологією, хоча його з дитинства надихало поєднання архітектури та спонтанної рослинності. Переїхавши з Мілана до Флоренції, Стефано увійшов до об’єднання Gruppo 9999. Його учасниками були молоді митці, які у своїх роботах осмислювали взаємодію людини й природи. Їхні настрої були радикальними, тому шляхи розійшлися, але Стефано згадав про ці ідеї за кілька років – під час подорожі до ОАЕ, а потім і до Китаю.  

Проблема. У XXI столітті Китай претендує на статус індустріальної наддержави – й однієї з найзабрудненіших країн світу. Для опису стану повітря у Піднебесній створили нове слово – «аероапокаліпсис». І цей смог впливає не тільки на саму країну, а й на сусідні Японію, КНР і КНДР, ба більше – навіть на перебіг глобального потепління.

В останні десятиліття заводи-гіганти й інші промислові об’єкти забезпечили Китаю не тільки швидке економічне зростання, а й низку екологічних проблем: смог у містах знижує видимість до 50 метрів, а його хмари, що прямують на Японію, помітні з космосу. За даними ВООЗ, рівень шкідливих речовин у повітрі подекуди в десятки разів перевищує норму.

Хоча ця проблема найбільш кричуща в Китаї, інших країн вона також стосується. У Європі забруднення повітря спричинює 500 000 передчасних смертей на рік. 8 років тому у Мілані кілька тижнів у повітрі тримався смог, а саме місто стабільно входить до найбільш забруднених в Італії.

Ще один фактор, який погіршує ситуацію, – висока температура повітря. Через сезонну спеку шкідливі домішки накопичуються та утримуються в приземному шарі повітря, яким дихають люди. Те, чи буде на вулицях пекельний жар або приємна прохолода, залежить від площі озеленення. Так, відповідно до досліджень в Києві у 2013-2015 роках найбільше нагріваються найменш зелені райони.

На фоні цих даних особливо насторожує тенденція до скорочення площі лісів на планеті: за даними ОНН, починаючи з 1990 року, їх стало менше на 3%.

Звісно, ліси й парки не можуть в одну мить зупинити появу нових міст і замінити собою промислові об’єкти, але нові підходи до озеленення міст можуть покращити ситуацію.

Ідея. Варто вбудовувати ліси в міста, переосмисливши взаємодію мегаполіса й природи – так вважає Стефано Боері. Його подорож до Китаю у 1979 році показала дійсний стан справ: країна неминуче рухалася до надзвичайно високого рівня забруднення, і ситуацію треба було змінювати.

Він знову звернувся до думки про єднання людини й природи заради чистої планети у 2007 році під час поїздки в Дубай, збудований всуціль зі скла та бетону. Боері загорівся ідеєю оживити міста, додати їм зелені. В 2008 році, проаналізувавши ситуацію в рідному Мілані, він презентував дослідження, де запропонував одне рішення кількох проблем – вертикальні ліси: не окремі будинки з садками на даху, а цілі міста нового покоління, де зелень органічно співіснує з бетоном. (До речі, ми вже писали, що в Україні кожен може почати з маленького міського городу).

Dadbot: чат із батьком після смерті

Platfor.ma запускає спецтему «Ідеї». У ній ми будемо розповідати про інноваційні кейси з усього світу, які надихають і змінюють життя – такі, як чат-бот Dadbot, що дозволив синові спілкуватися з померлим батьком. Як це було зроблено і чи може кожен з нас створити свою діджитал-копію, що житиме вічно?

Передісторія. «Комп’ютер і людина – істоти різних видів», – сказав інженер комп’ютерного проекту Джозес Вейценбаум і у 1966 році створив першого у світі чат-бота «Елізу». Сам автор назвав її «пародією на психотерапевта». Метою була демонстрація проблем при створенні бази даних про реальний світ. Через кілька десятків років подібні боти стануть буденністю.

У 1982 році одинадцятирічний Джеймс Влахос просиджував з «Елізою» години. Бот настільки вразив хлопця, що через кілька років він освоїв мову програмування Basic, а будучи журналістом, продовжив слідкувати за індустрією і в 2015 році написав для The New York Times про Hello Barbie – нову версію відомої ляльки, що вміє говорити.

Hello Barbie була одним з проектів PullString – компанії, що створює голосові додатки, які максимально точно імітують людську мову. Після виходу іграшки компанія заявила, що не хоче обмежуватися розважальною індустрією й бізнесом і хотіла б надавати послуги з «увіковічнення» людей. Дуже скоро ця новина відіграє головну роль в сімейній історії Джеймса.

Перший у світі чат-бот «Еліза»

Проблема. У 2016 році Джеймс Влахос дізнався, що його батько помирає. Рак четвертої стадії без шансів на видужання, більше того – у Джона Джеймса Влахоса-старшого лишалося всього кілька місяців. Він був сином грецьких іммігрантів, виріс у містечку в Каліфорнії, закінчив економічний факультет і керував великою юридичною фірмою. Працював спортивним редактором, коментатором, очолював театральну трупу, володів чотирма мовами, був гідом-волонтером.

Джеймс вирішив, що батько дійсно гідний того, щоб лишитися у пам’яті, тому починає серію інтерв’ю з помираючим. Виходить 203 сторінки формату А4, 12 кегль – це і є життя Джона Джеймса Влахоса.

Ідея. Через кілька днів після постановки діагнозу Джеймс дізнається про те, що компанія PullString викладає свої цифрові інструменти у вільний доступ. У Джеймса відразу ж виникла, здавалося б, шалена ідея – перетворити спогади батька на чат-бота, з яким можна буде розмовляти після його смерті. Переживши моральні баталії, він розповів про задум родині. Після недовгих сумнівів вони погодилися.

Рішення. Тисячі слів, сказані Джоном Джеймсом Влахосом, були розбиті на окремі теми: «Греція», «Трейсі», «Окленд», «Навчання», «Кар’єра», «Пісні і жарти» і так далі. Після написання розгалуженого коду в PullString, підбору синонімічних фраз і тестування Dadbot запустили в месенджері Facebook. Влахос-старший власноруч протестував бота – помираючи, він розмовляв із цифровою копіює себе, що буде жити, поки існуватиме сервер у Сан-Франциско, на який його записали.