Есть ли жизнь на Марсе, как спасти антибиотики, победить рак и коронавирус. Открытия ученых МГУ-2020

Работа с «Борексино». Сотрудники физического факультета и НИИ Ядерной физики МГУ принимали участие в установке и запуске детектора, обеспечивали его работу и обрабатывали полученные данные. Источник: Particle.mephi.ru

Космические открытия

В третьем классе я спросила учительницу, откуда ученые знают, какая температура внутри Солнца. Измерили большим градусником, пошутила она. Даже взрослому трудно представить, как делают выводы из косвенных свидетельств. Однако именно так, при помощи сложных теоретических расчетов, ученые установили реакции, которые протекают в недрах звезд и являются источником тепла и света.

Но чтобы подтвердить выводы астрономов, нужно получить экспериментальные свидетельства. Например, зарегистрировать попадание на Землю нейтрино — мельчайшей частицы, одного из продуктов описанных учеными реакций. Для этого в 2000-х годах в Италии, под горным массивом Гран-Сассо, была построена лаборатория и в ней установлен детектор «Борексино». Нейтрино попадает на детектор, возникает слабая вспышка света, ее улавливают и усиливают тысячи фотоумножителей. Эксперименты сопровождаются расчетами, в результате которых в прошедшем году установили, что «Борексино» детектировал нейтрино, образовавшиеся именно в результате интересующей исследователей реакции внутри Солнца.

Кстати, мы находимся на оптимальном расстоянии от Солнца: ближе — жарко, дальше — холодно настолько, что вода существует только в виде льда. Но когда в воде растворено вещество, температура ее замерзания падает. Например, в почве Марса найдены соли хлорной кислоты, раствор которых замерзает при температуре меньше 0° С и может быть средой обитания микроорганизмов. В 2020 году ученые факультета почвоведения МГУ исследовали, могут ли микроорганизмы пустынных почв — экспериментальные аналоги гипотетических марсианских микробов — обитать в присутствии таких солей. Оказалось, что микроорганизмы не погибли, а существовали и размножались в почве с 5%-ным содержанием перхлоратов (для сравнения, если в почве найдено более 0,25% растворимых солей, она считается засоленной). В дальнейшем планируется изучить влияние на микробов других концентраций соли, чтобы оценить, возможна ли всё-таки жизнь на Марсе.

А вот соленость вод Мирового океана составляет около 34% (на самом Севере — чуть выше). В 2020 году закончилась кругосветная морская экспедиция, в результате которой российские ученые уточнили данные о положении Южного магнитного полюса. Впоследний раз он был определен в 2000 году, а каждый год может смещаться на 50 км. Экспедиция была посвящена 200-летию открытия русскими моряками Антарктиды. Работать пришлось при ветре более 30 м/с и 7-метровых волнах.

Схема магнитного поля Земли, магнитные линии обозначены желтым цветом. Фиолетовым цветом обозначена ось вращения — она не совпадает с магнитной осью. В точках, называемых магнитными полюсами (синие), магнитные линии перпендикулярны поверхности Земли.

Сотрудники кафедры физики моря и вод суши физического факультета совместно с японскими специалистами обнаружили в 2020 году новое явление в океане. Они проанализировали данные глубоководных обсерваторий за 2011 год, когда катастрофическое цунами обрушилось на берега Японии. Оказалось, что за час до цунами возникают свободные гравитационные волны. Их удалось воспроизвести на разработанной 3D-модели, изучение которой поможет прогнозировать цунами в будущем.

Наконец, сотрудники географического факультета с 2000 года изучали полученные со спутников Terra и Aqua изображения северных лесов России. Ученые оценили сезонные и многолетние изменения фитомассы и индекса листовой поверхности. Это важно для оценки изменений климата — например, выявлена тенденция к более раннему наступлению весны и осени и увеличению площади листьев, способных к фотосинтезу.

Дела сердечные

Мечтая полететь как птица, Наташа Ростова вряд ли задумывалась о том, сколько энергии ей будет нужно на каждый взмах крыла. А ведь эту энергию мышцы птичьих крыльев получают при помощи кислорода. Значит, кровь, в которой он растворен, их сердце должно прокачивать с большой скоростью. В 2020 году ученые кафедры физиологии человека и животных биологического факультета объяснили, как это возможно, учитывая, что по строению клетки сердца птиц немногим отличаются от клеток сердца змей и ящериц, которым природа не подарила такой работоспособности.

Число ударов сердца в минуту у разных птиц. Для сравнения, сердце человека сокращается в среднем лишь 70 раз в минуту

Сердце работает тем эффективнее, чем больше в его клетках кальция. И если клетки сердца ящерицы берут кальций только снаружи, из внеклеточного пространства, то у птиц и у нас, людей, внутри самих клеток есть хранилище кальция, которое называют эндоплазматической сетью. В этом году установлено, что сердца птиц в этом смысле гораздо «богаче» наших, и извлечение кальция из хранилища у них происходит значительно легче, чем у млекопитающих.

Упрощенная схема движения заряженных частиц через мембрану живой клетки. Внутри высокое содержание калия (К+), при открытии каналов он выходит из клетки. Натрия (Na+) и кальция (Ca++) больше снаружи клетки, поэтому они при возможности свободно проходят внутрь

Другая команда исследователей той же кафедры совместно с группой профессора Джонатана Стецика из Университета Анкориджа заинтересовалась особенностями работы сердца рыбы даллии. Дело в том, что, попав в условия, где холодно и недостаточно кислорода, она не впадает в состояние малой активности вплоть до неподвижности, как другие рыбы. Вместо этого даллия перестраивает свой обмен веществ и адаптируется, подавая пример невероятной стойкости.

В чем же секрет этой обитательницы Аляски и Чукотки? Помимо кальция, для работы сердца важно адекватное количество калия. Если его слишком много или слишком мало, сердце может остановиться. Во время нормальной активности клетки калий выходит наружу через определенные каналы. У даллии в неблагоприятных условиях таких каналов становится больше и калий выходит лучше, что меняет электрические процессы. А следом за ними меняется работа сердца, и рыба активизируется в поисках более приемлемого места обитания. 

Третьим незаменимым для работы живых клеток катионом (положительно заряженной частицей) является натрий. И с ним тоже связано важное открытие. Ученые кафедры в сотрудничестве с НМИЦ имени В.А. Алмазова выявили белок RhoA, который, если его активировать, уменьшает интенсивность прохождения натрия в клетку. Это открытие, как ожидается, поможет получить рычаг воздействия на причину аритмий.

Химфак МГУ в борьбе за эффективность антибиотиков

Эфффективность антибактериальных лекарственных препаратов снижается из-за их неправильного использования, и проблема становится все более острой. В прошедшем году специалисты химического факультета опубликовали результаты целого ряда открытий, связанных с этим вопросом.

Так, на кафедре химической технологии и новых материалов совместно с китайскими учеными был разработан способ очистки сточных вод от антибиотиков путем ускорения их разложения. Метод действует в отношении тетрациклинов, которые широко используются не только в медицине, но и в сельском хозяйстве, из-за чего могут попадать даже в питьевую воду. 

Механизм действия разных антибиотиков: макролидов и тетрациклинов. Рибосома для белка — как печатная машина для книги. И макролиды, и тетрациклины нарушают процесс «печати», но на несколько разных этапах. В результате жизнедеятельность бактерии становится невозможной

Была решена и другая насущная задача, касающаяся здоровья детей. Ученые кафедры энзимологии (науки о ферментах) совместно со специалистами из Берлина разработали тест-полоску для определения антибиотиков группы макролидов в грудном молоке. Метод основан на принципе химического связывания искомой молекулы с антителом — так же работает, например, тест-полоска на беременность. Именно представители МГУ внесли основной вклад в разработку веществ-индикаторов.

Наконец, было найдено новое вещество, которое способно подавлять жизнедеятельность бактерий — тетраценомицин. Он не может быть использован как лекарство, потому что нарушает жизненно важные процессы не только в бактериальной, но и в животной клетке. Однако если в дальнейшем удастся найти молекулу, которая будет действовать схожим образом, но только в клетке бактерии, это будет важным шагом в борьбе с инфекционными заболеваниями.

Медленно, но верно — ученые в поисках средств лечения рака

В онкологии неожиданным оказалось открытие противоопухолевых свойств одной из форм витамина В₁ — рутинного средства при менее грозных заболеваниях. Ее эффективность была продемонстрирована in vitro (то есть клетки выделены из организма и помещены в пробирку) при эксперименте с клетками рака легкого — одного из самых опасных и трудно поддающихся лечению. Предположительно это связано с тем, что в клетке легкого, когда она становится раковой, снижается активность определенного комплекса ферментов, и форма витамина В₁ его вновь активирует. Так же действует наиболее часто применяемый для лечения рака легких препарат цисплатин.

Для лечения рака печени на химическом факультете разработано новое биологически активное вещество, совмещающее в себе противоопухолевые свойства и специфичное действие на клетки печени. Разработка вошла в перечень Роспатента «100 лучших изобретений России» за 2019-й и первое полугодие 2020 года.

Сотрудники медицинского факультета также исследовали белковые молекулы, участвующие в апоптозе — процессе своевременной и необходимой гибели клеток. Ученые нашли мутации определенного белка, которые приводили к тому, что клетка не гибла вовремя. Именно эти мутации были обнаружены в раковых клетках матки и легкого.

Рисунок 6. Лапка 15-дневного зародыша мыши под микроскопом, окрашена специальным красителем. У зародыша между пальцами перепонки, которые впоследствии исчезают благодаря апоптозу. Изображение из тематической статьи Википедии

Фермент теломераза, который может стать новой мишенью противоопухолевой терапии, изучали сотрудники медицинского и химического факультетов, ученые Казанского университета и Сколтеха. С помощью этого исследования ученые надеются найти ключ к победе над старением. Также они предполагают, что если подавить активность теломеразы, можно вылечить онкологическое заболевание.

Генетическая информация закодирована в длинной нитевидной молекуле — ДНК, которая «скручена» так, что образует палочковидные структуры — хромосомы. На микроскопической фотографии хромосомы человека, на их концах светятся теломеры (др.-греч. τέλος — конец и μέρος — часть). В течение жизни хромосомы постепенно укорачиваются за счет концевых участков, с чем связан процесс старения. Теломераза препятствует такому укорочению, и клетка становится «бессмертной». Источник: Khan Academy (фрагмент)

Ученые против пандемии

Главное испытание года — пандемия коронавирусной инфекции. На факультете биоинженерии и биоинформатики выяснили, что причиной высокой опасности этого вируса может быть способность заражать стволовые клетки, за счет которых происходит в том числе обновление эпителия, выстилающего дыхательные пути. Такие выводы были сделаны благодаря анализу количества частиц, которые позволяют вирусу проникать внутрь, на поверхности клеток. У стволовых клеток таких частиц оказалось больше, поэтому они заражаются вирусом быстрее других.

При участии ученых медицинского факультета МГУ были разработаны платформа для дистанционного консультирования врачей «ПРО ИВЛ» и программный модуль для анализа КТ-снимков легких «COVID-MULTIVOX». В течение минуты программа оценивает объем и степень поражения. Она не способна заменить врача, но удобна для количественной оценки, так как позволяет объективно отслеживать динамику, выделять сравнимые группы пациентов для исследований и сравнивать эффективность различных методов лечения для каждой из них. Кроме того, в декабре был представлен «КТ-калькулятор», работающий по принципу нейронной сети.

Совместно с физиками представители факультета фундаментальной медицины продемонстрировали возможность использовать фторсодержащие газы. Эти газы безопасны и уже применяются в глазной хирургии. Они нужны для контрастирования, то есть улучшения качества изображения при магнитно-резонансной томографии, которая сможет стать альтернативой компьютерной томографии легких.

Кстати, в университетской клинике предложили новый подход к предотвращению и лечению такого осложнения коронавирусной инфекции, как фиброз легкого. Ученые нашли клетки, которые выделяют вещества, препятствующие этому патологическому процессу и даже способные обратить его. Следовательно, возможно как использовать клеточную терапию, так и разрабатывать препарат, который будет действовать так же, как описанные вещества.

Лекарство прямого действия надеются найти сотрудники научной группы, запустившие расчеты на суперкомпьютере «Ломоносов». На основании огромной базы данных, в том числе информации о молекулярной структуре вируса, компьютер предлагает возможное строение лекарственной молекулы. За этим следует труд по синтезу вещества, проверке его действия на клеточных культурах, потом на животных и в случае эффективности — клинические исследования. Весь процесс займет несколько месяцев.

Но еще в мае Всемирная организация здравоохранения включила разрабатываемую в МГУ вакцину в перечень перспективных. В октябре вакцина проходила доклинические исследования на хомяках и обезьянах. Эта прививка является поливалентной, то есть защищает от многих коронавирусов, а не только от COVID-19.