PCR.NEWS на Geek Picnic: будущее биотехнологии

Geek Picnic — международный научно-популярный фестиваль и open air, посвященный современным технологиям, науке и творчеству. Портал PCR.NEWS как популяризатор науки не мог обойти это событие стороной. Читайте в нашем материале, что Geek Picnic может предложить любителям наук о жизни и чем PCR.SHOP порадовал посетителей.


Credit:

PCR.NEWS

Я прибыла на Geek Picnic только к трем часа дня и сразу же побежала по рядам шатров и палаток. Чего там только не было — и дроны, и игры, и стимпанк-гаджеты. Но я собрала волю в кулак и решила найти то, что точно заинтересует нашу аудиторию. Глаза разбегались, но, кажется, мне удалось выцепить самое интересное.

Максим Богуш рассказал мне о первом отечественном фотополимерном принтере повышенной точности. Максим представляет Центр проектной деятельности Московского политехнического университета. Он поставил перед своими студентами задачу — разработать фотополимерный принтер. Что студенты успешно и сделали в течение двух семестров. На выставке были представлены уже две версии принтера.

Фотополимерный принтер достаточно широко применялся во время пандемии. Так, на нем печатали палочки для мазков первых экспресс-тестов. Также принтер позволяет печатать переходники для ИВЛ-аппаратов — в случае необходимости устройство не пропускает в себя во время работы даже воздух, а изделие можно сделать биосовместимым. Возможности же фотополимерного принтера в медицине гораздо шире. Активно развивается, например, стоматологическое направление.

Компания Biodata разрабатывает приложение для хранения медицинских данных. Пользователь может загрузить туда результаты анализов в виде фото или скана бланка, высланного лабораторией; система его прочитает и оформит в табличку. Если приложение выявляет отклонения, оно выдает автоматическое уведомление — на какие риски человеку стоит обратить внимание. Оно может напомнить пользователю, что ему пора пересдать инсулин, проконтролировать гемоглобин или посетить эндокринолога. Приложение в первую очередь предназначено для осознанных людей, которые занимаются своим здоровьем, а также для профессионалов, которые работают с пациентами — врачей, нутрициологов, диетологов.

Владимир Козлов и компания AnnNIGM представили клипсу-трекер динамики глюкозы. Глюкоза измеряется в крови, но при этом не нужно каждый раз прокалывать кожу. Принцип действия достаточно прост — через мочку уха пропускается свет на спектральном пике поглощения глюкозы. Чем больше глюкозы, тем меньше света мы сможем уловить на обратной стороне мочки. На основании поглощенного света рассчитывается концентрация глюкозы. Звучит просто, но компания проделала долгий путь.

Работа началась еще в 2018 году, четыре года компания пилотировала разные варианты. Все заработало только к концу прошлого года. Первая крауд-кампания прошла успешно. С мая 110 человек уже активно используют клипсу. Недавно началась вторая крауд-кампания, и за три дня удалось собрать необходимую сумму. У компании есть заявка на международный патент, а в планах — сделать трекер в виде кольца. Не совсем понятно, как же свет можно пропустить через палец. Но Владимир рассказал, что у них есть успехи в этом направлении.

Разумеется, я не смогла пройти мимо нашего любимого PCR.SHOP. Я поговорила с менеджером магазина Марией Иваненковой о впечатлениях от Geek Picnic и о новой продукции магазина.

На скольких выставках вы уже побывали?

За последние полгода мы посетили уже более четырех выставок, познакомились с огромным количеством людей. Сегодня аудитория более молодежная, это очень здорово! Мы познакомились с ребятами, которые только будут поступать на биологов. Они оценили наши яркие носочки.

Вы когда-нибудь были на выставках, посвященных популяризации науки?

Мы в основном были на профильных конференциях. Geek Picnic — наше первое мероприятие такого формата.

Какие у вас впечатления?

Очень здорово. Очень много людей в необычных костюмах. Есть особое настроение, все веселые, шутят друг с другом. Все такие активные, несмотря на жару. От этого мероприятия идет огромный заряд энергии.

Есть ли отличия у Geek Picnic и у профильных выставок?

Профильные выставки более серьезные, а сюда ребята приходят, чтобы показать и подчеркнуть свою индивидуальность.

Есть ли у вас новинки?

Специально на мероприятие мы привезли анатомический шоколад — 15 шоколадный органов, выполненных довольно реалистично. Эта коробка вызывает разные эмоции: восторг и приятный шок. Также совсем недавно появились короткие носочки. И, конечно, суперновинка — игра «Мемо», где нужно находить совпадающие карточки, мы ее сделали по патогенам. Специально для нас художник нарисовал каждый вирус, каждую бактерию. Игра получилась атмосферной. Мы знаем про вирус Зика, но как он выглядит, не все помнят. А вирус красивый, хоть и злой.

На кого игра больше рассчитана — на детей или на взрослых?

Мне кажется, и детям будет интересно, они будут познавать что-то новое. И подросткам будет прикольно поиграть в нее, например, тем, кто только будет поступать в медицинский вуз или на биолога — потренироваться, запоминать, как выглядят бактерии и вирусы.

Есть у вас что-то еще для детей?

Для детей еще есть книга «Вирусы и ты». (Автор этой книги, выдающийся специалист по вирусологии и межклеточной коммуникации Леонид Марголис, на PCR.NEWS) Также мы запустили яркие зеленые футболки «Я буду ученым», которые тоже очень понравились нашим покупателям. Например, пришла бабушка, рассказала, как ее шестилетнему внуку нравится все научное, купила футболку и книгу, потому что ребенок увлечен научной темой, он все это сейчас познает.

Как давно вы продаете книги?

Мы начали продавать книги с открытия магазина, но сначала ассортимент был совсем небольшой. Сейчас мы делаем на это больший упор. Редакция PCR.NEWS сделала нам подборку самых интересных научно-популярных книг, также мы сейчас активно расширяем ассортимент профильной научной литературы. За последние три месяца число книг выросло до 150.

Какие планы у магазина?

Мы хотим сделать отдельный книжный раздел, добавить еще больше литературы, чтобы человек мог найти там все необходимые ему книги.


Устав от ярмарки, я пошла на лекции, конечно, на самые научные из тех, на которые успевала. «Квантовые сенсоры для изучения мозга» — звучит интересно. Я человек далекий от квантовой физики. Но Максим Острась, исполнительный директор QLU (спин-офф Российского квантового центра), раскрыл тему понятно и красиво.

Мы живем в эпоху так называемой второй квантовой революции, рассказал он. Но была и первая. Когда ученые изобрели квантовую механику в начале прошлого века, они научились управлять коллективными квантово-механическими явлениями. На принципе таких явлений строится практически вся современная электроника.

Во вторую квантовую революцию исследователи научились управлять коллективными квантово-механическими явлениями на фоне одиночных атомов, фотонов, ионов. Здесь появляются удивительные явления, такие как суперпозиция и запутанность. Эйнштейн называл запутанность адским взаимодействием на расстоянии.

Суть явления заключается в следующем: при особых условиях можно запутать квантово-механические частички так, что они начинают чувствовать друг друга на любом расстоянии. Но у этого явления есть также такое свойство, как хрупкость. Невозможно пронаблюдать за квантово-механическими явлениями, не разрушив их, а следовательно, нельзя скопировать. Шредингер своим умозрительным экспериментом с котом (на самом деле — кошкой, подчеркнул Максим) проиллюстрировал абсурдность квантовой физики, если бы она была применима в макроскопическом мире.

На этих свойствах строится новый класс технологий. Эти технологии называются квантовыми. Они традиционно делятся на квантовые вычисления, квантовые коммуникации и квантовую сенсорику. Квантовые вычисления в первую очередь понадобятся для создания квантовых компьютеров; коммуникации — для криптографии. Про квантовые сенсоры Максим рассказал подробнее.

Квантовых сенсоров много, и они дают принципиально новый уровень чувствительности по сравнению с обычными сенсорами. Наиболее интересны с точки зрения применения к человеку так называемые магнитометры. Они могут использоваться также в геологоразведке, методах неразрушающего контроля, металлодетекторах.

Работа наших органов тесно связана с излучением электромагнитных полей. Самый мощный источник электромагнитного излучения — это сердце. Магнитометры можно применять для исследования зон ишемии. Они отличаются от здоровых зон по электрическому потенциалу. А там, где есть разность потенциалов, есть и напряжение, ток. Но этот ток очень маленький, и с помощью ЭКГ его зафиксировать нельзя.

Магнитные поля, которые генерирует этот электрический ток, проходят через ткани человека без изменений. Их можно фиксировать и таким образом неинвазивно проводить диагностику. Этот метод называется магнитокардиографией. Однако эта технология сопряжена с определенными трудностями, она довольно дорогая и пока не пришла в массы. Сложно понять по магнитным полям, как вызвавшие их патогенные токи расположены на сердце.

Но есть что-то, что проще зафиксировать и посмотреть, чем сердце, — это человеческий мозг. Есть несколько типов нейромониторинга: ЭЭГ, (ф)МРТ, ПЭТ/Спектр. ЭЭГ — довольно дешевый метод, но у него есть недостаток — плохое пространственное разрешение. МРТ можно использовать для получения анатомической структуры мозга, а функциональная МРТ позволяет изучать активные структуры мозга. Здесь проблема уже во временном разрешении. Для некоторых процессов, например, локализации эпилепсии, даже секунды — это слишком много. ПЭТ — дорогой и достаточно редкий метод, да к тому же довольно вредный для организма человека.

Оставшуюся часть лекции Максим говорил о другом методе — МЭГ (магнитная энцефалография). На сегодняшний день МЭГ — наилучший метод неинвазивной нейровизуализации. Он непосредственно отражает работу нервных клеток, имеет очень высокое временное и пространственное разрешения. Это полностью неинвазивный и пассивный метод.

Но чтобы мониторить магнитные поля, которые создает мозг, нужно использовать очень чувствительные квантовые датчики. Потому что поля, которые создает мозг, примерно в 10 млрд раз слабее магнитного поля Земли. Отсюда и необходимость защиты от внешних магнитных шумов.

Долгое время МЭГ использовалась только в исследованиях и была недоступна для рынка. В первую очередь из-за высокой стоимости самих устройств (3–5 млн долларов) и их ключевых компонентов — чувствительных магнитометров. Первые квантовые датчики требовалось постоянно охлаждать. В Москве есть подобная установка, и только на жидкий гелий тратится несколько сотен тысяч долларов ежегодно.

В 2017 году появились другие квантовые датчики, которые позволили значительно уменьшить систему. Начали развиваться новые коммерческие направления для МЭГ: FieldLine, Kernel, Cerca. Сейчас происходит ренессанс МЭГ.

Потенциально МЭГ можно применять для дооперационного картирования (например, при раке и эпилепсии), для прогноза и диагностики шизофрении, болезни Альцгеймера и Паркинсона, для исследований и для визуализации пренатальной активности мозга. Это только клинические применения. А можно использовать МЭГ для создания нейроинтерфейсов, как в медицинских целях, так и для развлечений, а также для нейромаркетинга.

В рамках Российского квантового центра был разработан новый тип датчиков, полуквантовых-полуклассических. Сенсоры QLU обеспечивают достаточную чувствительность для МЭГ, просты в эксплуатации, не требуют сложной инфраструктуры и дорогостоящего криогенного охлаждения и действуют при комнатной температуре, дешевле конкурентных решений.

В коллаборации с нейрофизиологами и математиками из Сколтеха и ВШЭ была написана статья Evolution of MEG: A first MEG-feasible fluxgate magnetometer. Она опубликована в журнале Human Brain Mapping. Сейчас идет разработка многоканальной системы.

Далее Илья Зубарев, сотрудник лаборатории регуляции клеточной сигнализации МФТИ и лаборатории молекулярной эндокринологии МГУ, а также Анастасия Латыпова, студентка МФТИ, прочитали лекцию на тему «Управляя законами жизни. Как контролировать клетки с помощью магнитного поля».

В настоящее время ученые хотят исследовать, что происходит в наших организмах и клетках, с минимальным воздействием на них. Но большая часть методов, которые сейчас есть, достаточно травматичные. Чтобы перейти от инвазивных методов (инъекций, хирургических операций) к неинвазивным, начали разрабатывать новые концепции.

Сначала появилась идея управлять организмом с помощью света. Воздействуем на мышь светом определенной длины волны, а у нее меняется экспрессия генов. Это направление получило название «оптогенетика».

Однако у оптогенетики существуют определенные ограничения. Например, биологические ткани обладают ограниченной светопроницаемостью. Тогда возникла идея использовать магнитное поле. Этим занимается магнитогенетика. Теоретически магнитное поле могло бы не только включать и выключать какие-то процессы, но и физически воздействовать на клетки.

Тут есть другая проблема. Если наши клетки не воспринимают свет, то мы берем у бактерий или вирусов гены светочувствительности и переносим их. Но с магнитным полем все не так понятно.

В нашем организме нет таких систем, которые могли бы чувствовать магнитное поле. Сейчас даже нет доказательств того, что птицы могут ориентироваться на магнитное поле Земли. Вопрос — как заставить клетки воспринимать магнитное поле? Одна группа организмов все же обладает магниточувствительностью — это магниточувствительные бактерии.

Они обычно живут в прудах и любят зарываться в ил. При этом магнитное поле Земли помогает им понять, где верх, где низ. Эту способность им обеспечивают особые органеллы — магнитосомы.

Магнитосомы состоят из липидной мембраны, маленького кристалла магнетита внутри и трансмембранных белков. Магнетит имеет общую формулу Fe3O4 и является ферримагнитным веществом. Магнититься ему позволяет особая кристаллическая структура. Размер кристаллов магнетита — около 100 нм.

Формирование магнитосом — это сложный процесс, состоящий из нескольких этапов. Первый этап — выгибание собственной клеточной мембраны клетки. Потом — формирование кристалла магнетита с определенными структурой и размером. Для всех этих этапов нужны белки, которые ускоряют реакции. В этом процессе непосредственно участвуют 26 генов, а в целом — около 300.

Можно ли научить другие бактерии или даже клетки человека формировать магнитосомы? Это очень сложно. За 26 лет одной научной группе удалось заставить кишечную палочку образовать структуры, похожие на магнитосомы.

Но с человеческими клетками все еще сложнее, ведь мы более дальние родственники магниточувствительным бактериям, чем кишечная палочка. Даже если мы дадим человеческим клеткам инструкцию по сбору магнитосом, никто не гарантирует, что клетка сумеет ей воспользоваться.

Другая группа исследователей внесла в стволовые клетки человека всего один ген mms6 и добилась появления пузырьков с железной пылью. Специалисты говорят, что это все же не магнитосомы, они не обладают их свойствами. Но это уже прогресс.

Но даже если в клетках человека удастся собрать рабочую магнитосому, клетка не сможет получить от нее никакой информации. Как сделать так, чтобы магнитосомы были нам полезными?

Решение — в трансмембранных белках. Можно вставить белок с функциональным доменом или антителом.

Основные области применения потенциальных разработок группы — это наука (например, открытие и закрытие ионных каналов) и биотехнология (например, таргетная доставка лекарств).

Научная группа планирует получить эукариотическую клеточную линию с магнитосомами, использовать магнитосомы для разделения белков и клеток и перейти к работе с мышами.

Фундаментальная проблема, стоящая перед группой, — как перенести в клетку 26 генов. Может, не все их обязательно нужно брать? Для решения этой проблемы исследователи используют биоинформатические методы, ищут аналоги или хотя бы гомологи необходимых белков. В первую очередь нужны гены, которые будут контролировать формирование кристаллика магнетита и его рост.

Констатин Дебликов, блогер и популяризатор современного протезирования, выступил с докладом на тему «От крюка до нейроинтерфейса. Эволюция протезов рук».

Константин использует разного рода протезы уже девять лет, он работал тестировщиком нескольких моделей бионических протезов рук.

Вначале он рассказал об эволюции протеза. Первый письменный источник, в котором появилась идея протезирования — это «Ригведа». Есть несколько находок из Древнего Египта, например, функциональный протез большого пальца ноги. Протезы упоминаются в трудах Геродота и Плиния Старшего.

В 1812 году произошла революция в протезировании — был изобретен первый в мире тяговый протез руки. На человеке при помощи системы ремней и тяг крепился протез. Когда человек вытягивает пораженную руку вперед, ремни натягиваются, протез раскрывается. Когда человек тянет протез на себя, тяги ослабевают, протез закрывается. Таким образом человек осуществляет хват протезом, используя только пораженную руку без помощи здоровой. Тяговые протезы до сих пор остаются самым популярным типом протезов.

Терминальное устройство такого протеза, которое осуществляет хват, — это обычно крюк. История крюка в протезировании довольно длинная. Его можно использовать как столовый прибор, как оружие, как манипулятор, которым можно что-то к себе притянуть, то есть он очень функционален.

На рубеже XIX и XX веков в США впервые придумали разделить крюк напополам. При этом на внутренней части расщепленного крюка находится какой-то нескользящий материал, который позволяет более уверенно фиксировать предмет в протезе. Протез в виде такого крюка — самый популярный в США.

Почему крюк, а не пятерня? Повторить в металле руку — задача сложная даже для сегодняшних инженеров. Крюк проще, меньше, прочнее, легче, что важно для протезов.

Почему люди до сих пор пользуются тяговыми протезами? Они дешевые, их легко починить, они не боятся воды, грязи, высоких и низких температур. Чем протез проще, тем лучше. Поэтому бионика до сих пор в чем-то проигрывает тяговым протезам. Но люди никогда не бросали надежду построить антропоморфную кисть.

Главный прорыв в протезировании на сегодняшний день — открытие миоэлектрического управления. Такие протезы работают от сокращения мышц. Когда наша мышца сокращается, возникают электрические сигналы. Эти сигналы можно детектировать, усиливать и использовать для управления протезом.

Датчики плотно прилегают к мышцам предплечья. Когда человек напрягает мышцу с внутренней стороны предплечья, датчик это улавливает, передает сигнал в кисть, а кисть делает хват, пальцы сжимаются. Когда напрягаются мышцы с внешней стороны предплечья, электрод это улавливает, посылает сигнал, кисть раскрывается.

В 1990-х годах был презентован первый многосхватный протез. Вместо одного электродвигателя теперь их пять, по одному на каждый палец. В протезе есть микропроцессор, и он может выполнять более сложные команды с помощью тех же миоэлектрических датчиков.

Следующее направление, которое сейчас развивается, — установка множества электродов вместо двух. Тогда пользователь мог бы обучить нейросеть, чтобы она понимала, какой движение он хочет совершить. Первые коммерческие образцы появились только в прошлом году.

Константин уточнил, что он говорил о протезах предплечья, потому что локтевые и плечевые суставы в настоящее время достаточно примитивные. Многие люди, потерявшие руку выше локтя, не пользуются протезами.

Большая проблема протезов — они не могут чувствовать. Например, нельзя нащупать что-то в темноте. Нельзя почувствовать, когда что-то выскальзывает из хвата. Несколько групп работают над этой проблемой. В настоящее время в тех протезах, которые существуют на рынке, обратная связь реализована в виде вибрации. Протез вибрирует, когда он что-то держит. Тут тоже есть плюсы и минусы. Следующий шаг, по мнению Константина, — вживление электродов в мозг и управление протезом напрямую с помощью мозга. Некоторые подвижки в этом направлении уже есть, например, проект Neuralink Илона Маска.


Добавить в избранное

Вам будет интересно