Биополимеры для искусственных тканей и органов
В 90-х годах ученые Института биофизики СО РАН разработали новый материал — биопластотан. «Природный пластик», произведенный из продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, предназначен для создания изделий биомедицинского назначения — от нитей, с помощью которых сшивают раны (после регенерации тканей биополимеры разрушаются), до каркаса для живой ткани.
Сегодня работа с материалом ведется как в Институте биофизики, так и на базе Сибирского федерального университета. В 2010 году стартовал проект по производству и исследованиям материалов. Исследованием медицинских приложений руководит доктор медицинских наук, заведующая кафедрой медицинской биологии Института фундаментальной биологии и биотехнологии СФУ Екатерина Шишацкая. В работе принимают участие исследователи из других сибирских городов (например, Томска), а также коллеги из Германии. Путь до медицинского рынка тернист — биополимеры (конструкции из ультратонких волокон) должны пройти десятки испытаний, но, будем надеяться, в ближайшие годы разработка сибирских ученых станет доступна ученым и врачам во всем мире.
Еще одна сфера использования биополимеров — печать имплантатов из биопластотана, на 3D-принтере. «Запчасть» помещается в организм на место поврежденной кости, а на поверхности оседают остеобласты — клетки, задача которых восстановить и обновить костную ткани. Полимер совместим с организмом, не отторгается, а постепенно полностью разрушается до углекислого газа и воды — по мере того, как клетки начинают формировать костную ткань и твердую костную структуру.
Примечательно, что биопластотан может использоваться не только в качестве медицинского изделия, но и для производства экологичного пластика. Утилизация изделий из биоразрушаемого материала в естественных условиях не наносит вреда окружающей среде.
Исследования биолюминесценции
Красноярский край является одним из лидеров по изучению процессов биолюминисценции в России — видимого в темноте свечения живых организмов. Старт этому направлению дал красноярский академик Иосиф Гительзон. В настоящее время известно более 800 видов светящихся живых существ, среди которых рыбы, ракообразные, моллюски, бактерии, черви, грибы и другие виды.
В 2017 году коллектив Института биофизики СО РАН получил биолюминесцентные белки, которые могут использоваться при тестировании лекарственных препаратов нового поколения. Примечательно, что методика уже внедрена в производство немецкой фармацевтической компанией Bayer AG, в рамках сотрудничества с которой был запущен проект. Белки, выделенные из светящегося планктонного рачка Metridia longa, сибирские учены предлагают использовать для анализа препаратов — проверять их безопасность и эффективность.
Кроме того, красноярские биофизики СФУ с помощью биолюминесценции (прибора-биолюминометра) научились оценивать состояние воздуха и почвы — степень загрязнения и токсического воздействия на живой организм.
Наконец, светящийся белок может быть использован в диагностике, заменяя радиоизотопную метку. Белок направляют в органы, а затем в организм вводят субстрат для свечения. Результаты позволяют в динамике проследить, как уменьшается или увеличивается, например, доброкачественная и злокачественная опухоль. Метод уже прошел доклинические испытания на животных.
Марсианские хроники
В 60-70-е годы в красноярском Академгородке по проекту отца космонавтики Сергея Королёва и директора Института физики в Красноярске Леонида Киренского построили бункер — прообраз космической станции — в которой люди могли месяцами жить автономно, без поступлений воды, воздуха или пищи — как в условиях колонизации условной Луны или Марса.
Ученые из Красноярска на себе поставили эксперимент из блокбастераЗимой 1976-1977 гг. прошел четырехмесячный эксперимент, в ноябре 1983 г. — апреле 1984 г. состоялся последний, пятимесячный эксперимент. В конце 1980-х годов финансирование проекта практически прекратилось и БИОС законсервировали, однако результат проекта до сих пор не повторили нигде в мире.
Красноярские ученые дышали кислородом, выделяемым растущими в нем растениями, вода очищалась внутри системы, а рацион, состоявший преимущественно из растительной пищи, также добывался из того, что росло в БИОСе. Бункер был разделен на четыре равных по площади отсека: жилой и еще три с растениями и водорослями. Самый длительный и известный эксперимент занял 180 суток — с 24 декабря 1972 года по 22 июня 1973 года. Удалось достичь полного замыкания системы по кислороду и углекислому газу и почти полного (95 %) по воде. Экипаж получал 100 % необходимой растительной пищи (огурцы, редис, лук), выращенной в БИОСе.
В конце 1980-х годов финансирование проекта практически прекратилось и БИОС законсервировали. Однако красноярский опыт вовсе не пропал. Интерес к подобным работам проявили китайцы и европейцы. Именно гранты Европейского Союза стали толчком к модернизации БИОСа.
Расшифровка генома лиственницы
В начале 2019 года группа исследователей лаборатории лесной геномики научно-образовательного центра геномных исследований СФУ объявила о полной расшифровке генома лиственницы. Отметим, геномы хвойных имеют громадный размер, в несколько раз превышающий геном человека. На сегодняшний лишь две команды ученых в мире смогли расшифровать геном хвойного дерева.
Методика расшифровки генома, которую использовали сибирские ученые, позволяет быстро и точно исследовать невероятный объем данных — 12 млрд нуклеотидных оснований. Результаты исследования опубликовал авторитетный журнал BMC Bioinformatics.
Результаты расшифрованного генома могут использованы для создания базы генетических ресурсов лесов и в лесном хозяйстве — например, чтобы использовать для восстановления лесов деревья, оптимально подходящие для конкретных погодных условий и почвы. Кроме того, данные расшифрованного генома красноярцы планируют использовать в качестве инструмента борьбы с нелегальным оборотом древесины.
Аптамеры для диагностики рака
С 2010 года руководитель Лаборатории биомолекулярных и медицинских технологий КрасГМУ Анна Кичкайло (Замай) с коллегами работает с синтетическими одноцепочными молекулами ДНК — аптемерами.
Молекулы могут быть использованы для диагностики и терапии ряда заболеваний (среди них, например, онкология — рак легких, молочной железы, глиобластома головного мозга) — они связываются с молекулами-мишенями и распознавать пораженные клетки на ранних стадиях развития болезней. Успешные эксперименты на лабораторных мышах уже проводились и были успешными.
В 2019 году красноярские ученые рассказали о первых наработках по выявлению рассеянного склероза новым методом. Исследователи Красноярского научного центра СО РАН совместно с коллегами из Института фундаментальной медицины и химической биологии и медуниверситета предлагают выявлять заболевание с помощью аптамеров и биолюминесцентных белков, которые взаимодействуют с клетками крови (сейчас заболевание выявляют с помощью ряда анализов и МРТ). Это поможет обеспечить раннюю диагностику заболевания.
Исследование метода уже провели на 177 пробах крови здоровых и больных людей с подтвержденным диагнозом. Распознавание здоровых пациентов с отрицательными показателями составляет 96 %. Вероятность того, что пациенты с положительными результатами действительно имеют заболевание — 52 %.
Деревья и глобальное потепление
Огромный вклад в мировую науку внесли красноярские дендрологи. В середине 80-х Евгений Ваганов и Александр Шашкин предложили модель роста деревьев — она описывает рост годичных колец деревьев в зависимости от разных факторов внешней среды. Сегодня модель используется для этих целей во всем мире.
Что происходит с погодой?Исследования в области дендрохронологии продолжаются — ученые Сибирского федерального университета на основе модели Ваганова-Шашкина научились делать прогнозы о состоянии лесов в зависимости от изменения климата в долгосрочной перспективе.
Стоит отметить, что проблема реакции деревьев на возможные климатические изменения — одна из главных в современной лесной экологии. Несмотря на значительное количество исследований, четкого ответа на то, как будет реагировать древесная растительность в естественных условиях на эти изменения среды при разном составе древостоев в разных физико-географических зонах, до сих пор не было.
Сейчас ученые подтвердили гипотезу о том, что в холодных и засушливых условиях главную роль в формировании ксилемы (ткани, составляющей основную полезную биомассу древесины) играет влажность почвы. А вот начало и конец периода годичного роста определяется температурой окружающей среды. Планируется создание нейросети, которая поможет предсказать развитие лесов Северного полушария.
Лечение алмазами
Еще в Советском союзе ученые Института биофизики в Красноярске получили первые наноалмазы — серый порошок, получаемый из серии коротких взрывов углерода.
Где в Красноярске выучиться на проектировщика «умных материалов»?В свое время за детонационную технологию получения наноалмазов ученый Анатолий Ставер, который занимался разработкой технологии вместе с коллегами, даже получил государственную премию РФ.
Их используют в одном из наиболее активно развивающихся направлений современной медицины — контролируемой доставке лекарств к биологическим мишеням (например, к клеткам нужного органа или ткани). Наночастица и прикрепленная к ней молекула взаимодействуют только с избранными клетками. Это используется, например, в создании эффективных лекарств от рака, но без разработок красноярских ученых, которые придумали способ получения наноалмазов, дальнейшие исследования не были бы возможны.
Новые звезды
Открытие нескольких сотен новых звезд — еще одна заслуга сибирских ученых из обсерватории на крыше СибГАУ. Она работает в Красноярске с 2009 года. В 2011 году Сергей Веселков, директор обсерватории, а также ученые из анатомической обсерватории Сибирского государственного аэрокосмического университета открыли около 200 новых светил, а в 2012 — еще 300.
К сожалению, звезды, которые открыли сибирские ученые, не увидеть невооруженным глазом — большинство находятся на 13 величине удаленности (человеческий глаз видит до шестой величины), но обозначить положение объектов относительно известных созвездий можно — это Кассиопея и Большая Медведица.
Как уточняют ученые, наблюдения за звездами велись давно, однако заслуга красноярских специалистов состоит в том, что они подтвердили их переменность — яркость звезд изменяется со временем в результате происходящих физических процессов. После утверждения открытия в каталогах напротив звезд появились соответствующие пометки.
Список важных научных открытий и разработок красноярских ученых можно продолжить — сибиряки изобретают новые лекарства, материалы и технологии. К сожалению, путь от первых испытаний до массового потребления и публикаций в журналах с мировым именем тернист, поэтому о многих открытиях красноярцам еще только предстоит услышать. Остается ждать и гордиться.
Маша Русскова специально для интернет-газеты Newslab
