Науковці вирощують комп’ютер із живих клітин

19 Вересня 2018
наука штучний інтелект

Команда біологів і комп’ютерних інженерів планує розробити комп’ютер, який складається з живих клітин, і запрограмувати його на виконання обчислювальних задач.

Команда вчених, в якій об’єдналися біологи та комп’ютерні інженери, отримала фінансову підтримку в розмірі $500 тисяч від Національного наукового фонду США на дослідження і розробку абсолютно інноваційної нейронної мережі. Науковці планують використати живі клітини для побудови комп’ютеру. Якщо все вдасться, це дасть нам краще розуміння роботи мозку і алгоритмів.

Поки що про подробиці дослідження відомо небагато. Наприклад, те, що за планом комп’ютер буде розпізнавати зображення закодованих рукописних цифр.

«Ми сподіваємося, що в перспективі нейробіологи зможуть використовувати цю технологію як тестову платформу для вивчення людського мозку», – розповідає професор біоінженерії з Ліхайського університету Євген Бердичівський.

19 Вересня 10:26
наука штучний інтелект
Найцiкавiше на сайтi

Геній генів: як наука навчилась творити суперлюдей і чому це лякає саму науку

CRISPR Cas9 — це складна назва простої та дешевої технології редагування геному, яка кардинально змінила можливості молекулярної біології. Ця система дозволила вченим серйозно говорити про перемогу над раком, ВІЛ та вірусом Зіка, спадковими генетичними захворюваннями та малярією. Завдяки CRISPR Cas9 можна здійснити аграрну революцію або «запрограмувати» собі ідеальну дитину. Фактично ця технологія кинула людству виклик на наукових, етичних, соціальних та політичних фронтах. Platfor.ma спробувала розібратися, чого в ній більше: корисного чи небезпечного.

Ланцюг ДНК — як намисто, де структурні елементи, нуклеотиди, зібрані в унікальній послідовності. Це намисто пасує саме вам і визначає ваше життя. Коли в послідовності всі намистини складені правильно, організм працює добре. Але коли туди втручаються віруси або мутації, гармонійна послідовність руйнується і людина хворіє. Вчені з’ясували, що організмові боротися з вірусами допомагає dream-team: CRISPR та білки Cas9. Ці круті хлопці в парі можуть «вирізати» з геному частинки вірусу, зупинивши зовнішнє вторгнення в клітину.

CRISPR — це імунна система багатьох одноклітинних, яка рятує мікроорганізми від вірусів. Розшифровується як Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (короткі паліндромні повтори, регулярно розташовані групами). Це необхідно знати, тому що між повторами містяться важливі частини — спейсери (проміжки). Вони несуть інформацію про чужорідні елементи, які колись проникали в клітину або в її пращурів.

Тобто CRISPR — це такий собі колекціонер, в якого є знімки усіх вторгнень в клітину. Він також турбується про оновлення своєї колекції. А Cas9 — це вже справжній ювелір, який за допомогою знімків вишукує на 100% ідентичні послідовності та вирізає їх із ланцюга ДНК. Потім ланцюг відновлюється і заповнюється правильними комбінаціями нуклеотидів.

Емануель Шарпентьє

У 2012-му науковці Емануель Шарпентьє та Дженіфер Дудна запропонували самостійно програмувати РНК для колекції, щоб Cas9 впізнавав і видаляв саме ті ділянки гену, які потрібно науковцям. Приблизно тоді ж інші дослідники встановили, що така технологія може спрацювати не лише в бактеріях, а й у людському організмі. Коли ж стало відомо, що цей відносно недорогий та ефективний спосіб редагування геному дійсно працює, учені по всьому світові розпочали найрізноманітніші дослідження.

«Получил Нобеля, позвонил маме»: разговор с выдающимся химиком о его Украине

Роалд Хоффман – один из самых именитых химиков современности, профессор Корнеллского университета и лауреат Нобеля-1981 за работы в сфере химических реакций. А еще он родился в Золочеве Львовской области и несколько раз приезжал на историческую родину. Platfor.ma поговорила с ученым по скайпу, чтобы расспросить его об украинской семье, изнанке Нобеля и том, почему он чувствует вину за свою фундаментальную науку.

– Расскажите, как вы записывали видеопослание жителям Золочева из Корнеллского университета (оно есть чуть ниже. – Platfor.ma).

– Я надеялся заинтересовать молодых людей наукой. В первые годы после получения независимости украинская молодежь хотела изучать скорее бизнес и экономику – все то, что способствовало построению нового общества. Кроме того, тогда поддержка науки была недостаточной. И в результате молодые люди просто в ней разочаровались. Сейчас ситуация улучшилась, но это все равно нужно поддерживать.

Для того, чтобы страна развивалась, ей нужны образованные молодые люди. Какой-то процент из них поедет учиться в европейские страны или США. Кто-то там останется – и это нормально. Но важно, что они будут помнить свою родину и могут вернуться в будущем. Это определённый этап развития страны. 15 лет назад 10% китайских выпускников после окончания университета оставались в США, а теперь больше половины из них вернулись на родину. Дело в экономической ситуации страны – сегодня в Китае очень благоприятная среда для науки и исследований. Я думаю, что Украину ждёт то же самое.

Ро­алд Хоф­фман

А история с видео такая – я записал его в своем университете. Меня об этом попросил Евгений Захарчук – он мой хороший знакомый, работает в западном центре украинской Академии наук. Вообще-то поначалу он и вовсе пригласил меня снова приехать в Украину. Я был очень тронут, но, увы, не мог, поэтому хотя бы записал сообщение.

Алло, Марс на зв’язку: українець і проект, який полегшить колонізацію Сонячної системи

АвторЮрій Марченко
10 Липня 2018

Людство все активніше думає про колонізацію Марса. Один з викликів цієї амбітної мети – підтримувати якісний зв’язок між планетами, бо через особливості небесної механіки це дуже непросто. Нещодавно міжнародна команда під час масштабних змагань ідей нарешті придумала систему такого зв’язку. В складі групи був і українець Міша Рудомінський. Platfor.ma поговорила з ним про креативні підходи до науки, освіту за кордоном й те, навіщо взагалі людству потрібен Марс.

Михайло Рудомінський

– Розкажіть про себе загалом. Хто ви і чим займаєтесь?

– Я студент, інженер і підприємець. Навчаюся в Університеті Британської Колумбії у Ванкувері, але зараз переводжуся до Туринської політехніки. Працюю над створенням програмного забезпечення для оцінки вартості бізнесу разом з міжнародної командою. Також я є членом Mechanical Engineering Team в інженерній дизайнерській команді Mars Colony, де разом з іншими розробляю герметизаційну камеру–ейрлок (Airlock) для колонії на Марсі. Ще ми проводимо інтернаціональне змагання, у якому кидаємо виклик студентам з усього світу зі створення своїх ейрлоків. Наразі маємо 18 команд, серед яких Університет Торонто, Гарвард та РВТУ Аахена.

Саме після одної із зустрічей команди Mars Colony я і потрапив на ці змагання. Один мій добрий друг, який був у курсі, що я маю певні знання з астрофізики, запропонував мені після зустрічі допомогти їм з розрахунками, потрібними для розташування супутників. При цьому ми зрозуміли, що я єдиний в команді, хто взагалі щось розуміє у небесній механіці. Так я став членом групи.

Дослідження і колонізація Марса є задачею, над якою працюють тисячі інженерів і науковців по всьому світу. У це вкладається сотні мільярдів доларів. Коли настане питання комунікації між колоністами та Землею, ми сподіваємось, що наша робота буде великим кроком у шляху до його вирішення.

– Оскільки ви вже згадали про це – чому переводитесь до Італії з начебто крутої Канади?

– Переводжусь з декількох причинах. Невідповідність ціни до якості, культурна невідповідність – моя і канадська, – та й взагалі після України у Канаді нудно. Занадто там все добре.

– До речі, як ви потрапили на освіту за кордон? Чи радите ви це іншим молодим українцям?

– По секрету скажу, що то є невелика проблема. Я вибрав ВНЗ у Канаді, який мені сподобався, зайшов на їх сайт, натиснув на кнопку «Подати заявку зараз» – і через три місяці отримав позитивну відповідь. Звичайно, сама подача заявки є величезним процесом, який зайняв два місяці, а підготовка до потрібних екзаменів – півроку. Але на той момент мені здавалося, що воно того варте.

А щодо радити – я взагалі нікому і нічого не раджу, якщо люди не розуміють нащо воно їм. Ти можеш сто разів закінчити Гарвард, але вища освіта є лише одним з тисяч інструментів для досягнення своїх цілей. Якщо людина не має своєї чіткої мети, то і отримані інструменти не буде до чого використовувати. Так що моя єдина порада: «Знайте свою ціль і підбирайте правильні інструменти для її досягнення». Моя ціль – створити приватну космічну агенцію, яка буде підтримувати майбутній розвиток Марса. Для досягнення саме цієї мети вища освіта є дієвим інструментом.

– А як ви ставитеся до поняття «відтік мізків»?

– Негативно, але з розумінням.

– Самі збираєтесь колись повертатись в Україну?

– А я її і не покидав. У мене нема цілі бігти з України, я хочу досягти своєї мети і буду там, де мені краще це робити. Скажу дуже пафосно, але від серця: планета Земля – мій дім, а Україна – назавжди залишиться місцем, де я народився. Я хотів би мати можливість називати себе громадянином світу.

– Добре, давайте про змагання і зв’язок з Марсом. Що це було і як пройшло?

Змагання влаштовувались SSPI (Space Satellites Professionals International) разом із SEDS (Students for the Exploration and Development of Space) – це міжнародні організації, що об’єднують професіоналів та любителів теми супутників ы космічних комунікацій. Ми і студенти інших ВНЗ Канади повинні були створити супутникову систему комунікації для підтримки дослідження і колонізації Марса. І хоча це звучить досить просто, цей проект має багато підводних каменів.

Є декілька основних проблем, пов’язаних зі створенням такої системи: відключення зв’язку через Сонце, необхідність покриття максимальної площі Марса, використавши мінімальну кількість супутників, тощо.

Для покриття поверхні Марса сигналом ми придумали розмістити по два супутники (основний і запасний) у першій і другій точці Лагранжа Марса. Вони вийдуть на орбіти Ліссажу на відстані близько мільйона кілометрів від Марса і використають його для гравітаційного поштовху. Після цього продовжать рух цією орбітою до кінця свого терміну придатності. Наші розрахунки показали, що це надасть покриття 99.81% поверхні Марса протягом усього астрономічного дня.

Із Сонцем все ще складніше. Кожні два роки Сонце шість тижнів знаходиться між Землею та Марсом, що повністю перериває зв’язок між ними. Це може бути критичним при екстрених ситуаціях на Марсі. Перебравши десяток ідей, ми прийшли до висновку, що найефективнішими будуть варіанти розташування супутника у першій точці Лагранжа Венери, або на 45 градусах попереду руху Землі. Це дозволить все ж використовувати його для зв’язку.

До речі, на початку червня я був у команді організаторів та вів проект у Літній природничо-дослідницькій школі при київському ліцеї №145, який сам і закінчив. Там я поставив восьмикласникам те саме запитання, що було у нас: «Що треба, щоб зв’язати Марс із Землею?» І вони не те що досягли, а перевищили усі сподівання. Деякі аспекти вони опрацювали краще, ніж ми, а для декількох проблем знайшли такі естетичні і ефективні рішення, про які ми навіть не думали.

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.