Как мы уже упоминали ранее, сегодня в мировых СМИ – на фоне беспрецедентной европейской засухи - бурно обсуждается тема грядущего голода и прочих напастей, связанных с участившимися волнами аномальной жары. Причем, проблемы в сельском хозяйстве обострились не только в Европе (где уже намечается значительное падение урожайности традиционных зерновых, а также фруктов и винограда).  Ситуация в некоторых азиатских и африканских странах выглядит еще более драматично. Здесь проблемы для сельского хозяйства создают не только убийственная жара и засуха, но и аномальные осадки и ливневые паводки, наносящие ущерб сельхоз угодьям.

В настоящее время синоптики ООН выделяют как минимум 45 стран, где нехватка продовольствия может стать очень острой. Согласно прогнозу, до конца следующего года примерно 50 миллионов человек рискуют столкнуться с голодом. Это количество добавится к еще нескольким сотням миллионов людей, которые уже сейчас испытывают нехватку еды из-за сильной многолетней засухи, поразившей африканские страны, а также из-за боевых действий в районе Персидского залива (толкающих вверх цены на зерно).

Проблемы из-за погодных аномалий испытывает сельское хозяйство и нашей страны, включая южные регионы Западной Сибири (о чем мы писали). Однако, несмотря на определенные сложности на текущем этапе, в целом перспективы сибирских регионов в свете глобального потепления выглядят достаточно оптимистично. Таково мнение ученых, которые на данный момент единодушны в том, что Сибирь может ощутимо выиграть от климатических изменений.

Надо сказать, что такого же мнения еще полвека назад придерживался выдающийся советский климатолог с мировым именем Михаил Будыко. В свое время мы ему уже посвящали несколько публикаций. Напомним, что именно Михаил Будыко внес решающий вклад в саму теорию глобального потепления, вызванного антропогенными факторами. Самое интересное, что он заявлял об этом еще тогда, когда в мировом научном сообществе была популярна теория глобального похолодания, сформулированная ведущими американскими и европейскими климатологами. Последние утверждали, будто Земля движется к очередному ледниковому периоду, который будет вызван промышленными выбросами аэрозолей (пыли и сажи). Наш ученый вступил с ними в жесткую полемику, указывая на то, что аэрозоли быстро вымываются осадками. Что касается выбросов углекислого газа, то он накапливается в атмосфере столетиями, создавая парниковый эффект. Фактор углекислого газа, считал Будыко, многократно перевешивает влияние на климат аэрозолей. Отсюда следовал вывод о неизбежности глобального потепления.

Как прогнозировал ученый, глобальное потепление будет происходить неравномерно. Активнее всего данный процесс начнет разворачиваться в высоких широтах, захватывая Сибирь. Прежде всего будут расти зимние и ночные температуры, благодаря чему сибирский климат станет мягче. В 1988 году, выступая в Гамбурге на международной научной конференции, он прямо заявил о том, что глобальное изменение климата превратит тундру в высокопродуктивные сельскохозяйственные угодья. По тогдашним расчетам ученого, границы зон, пригодных для эффективного земледелия, в ходе глобального потепления сдвинутся далеко на север. Это позволит нашей стране значительно расширить посевные площади и собирать рекордные урожаи.

Кроме того, Будыко предсказал стремительное сокращение ледяного покрова Северного ледовитого океана. По его оценкам, к 2020 году почти половина многолетних льдов будет потеряна. Данный прогноз сбылся с поразительной точностью. Примечательно, что буквально в нынешнем году китайское руководство презентовало маршрут Северного морского пути (из Китая – в Европу), который примерно на 40% короче южного морского пути через Суэцкий канал (14 тысяч км против 23 тысяч км). Этот прогноз также был сделан нашим ученым. И как мы можем судить, теперь он с точностью сбывается.

Тревожным моментом вплоть до сегодняшнего дня является таяние вечной мерзлоты, способное повлечь за собой инфраструктурные разрушения (здания, мосты, автотрассы, трубопроводы). Данная проблема существует уже не первый год. Она несет ощутимые убытки и вызывает у российского руководства наибольшую обеспокоенность. Понятно, что Михаил Будыко осознавал такие риски. И все же он не преувеличивал их значения, полагая, что временные локальные трудности, связанные с просадкой грунтов, станут незначительной ценой за те колоссальные выгоды, которые получит в итоге наша холодная страна и сибирские регионы – в особенности. Приобретение гигантских массивов плодородной земли – серьезная удача для страны. Особенно в условиях, когда традиционные сельскохозяйственные регионы планеты терпят упадок.

Тема изменения агроклиматических ресурсов Сибири вследствие глобального потепления стала серьезно изучаться в нашем столетии. Достаточно привести коллективное исследование «Agroclimatic potential across central Siberia in an altered twenty-first century» 2011 года, проведенное российскими учеными и их американскими коллегами в рамках совместного проекта NASA, РАН и других мировых агентств, изучающих климатические изменения в Северной Евразии. В исследовании прямо указывается, что сельское хозяйство традиционно холодной Сибири может получить выгоду от глобального потепления. Согласно прогнозу, к концу столетия до 85% Центральной Сибири станет климатически пригодной для сельского хозяйства. Главным же сдерживающим фактором для продвижения посевов на север станет потенциал почв. Что касается производства сельскохозяйственных культур, то он здесь вырастет вдвое. Помимо этого, улучшение агроклиматических ресурсов увеличит и само разнообразие выращиваемых растений. При этом традиционные для нынешней Сибири культуры могут сместиться примерно на 500 километров на север (то есть 50-70 км за десятилетие). Что касается засушливых южных регионов, то здесь осуществится переход на другие культуры, в настоящее время выращиваемые в теплых регионах страны.

Схожие выводы семь лет назад озвучили и ученые Института сельского хозяйства Красноярского научного центра СО РАН. Проанализировав изменчивость среднегодовой температуры и количество осадков за последние сто лет, они пришли к выводу, что уже сейчас можно наблюдать смещение границ природных зон. По их словам, изменение климатических условий в Сибири происходит быстрее, чем в России и на планете в целом. При этом наиболее интенсивное изменение отмечается в тундре и лесотундре. В условиях меняющегося климата увеличивается продолжительность вегетационного периода, что поспособствует выращиванию на северной границе сибирского земледелия таких теплолюбивых культур, как кукуруза (раннеспелых сортов), чечевица и соя.

Наконец, стоит упомянуть исследование 2022 года, проведенное учеными Сибирского федерального университета (Красноярск), которое посвящено влиянию климатических изменений на сельское хозяйство нашей страны. Как указывают авторы, влияние климата на сельское хозяйство в мировом масштабе неравномерно. Африка, Ближний Восток, Южная и Юго-Восточная Азия в настоящее время испытывают большие проблемы вследствие засух и сопутствующих явлений. В то же время регионы с высокими широтами (такие, как Россия) способны выиграть за счет увеличения продолжительности вегетационного периода. Уже сейчас прогнозируется увеличение урожайности зерновых в Ирландии, Финляндии и Канаде.

Если брать Россию, то здесь влияние климатических изменение также неоднородно, как и по всему миру. Некоторые регионы (Поволжье, регионы Южного федерального округа) могут сильно страдать от засух. Напротив, Центральная Сибирь с наибольшей вероятностью выиграет от изменений климата. В Красноярском крае, Республике Хакасия и Республики Тыва в XXI веке сельское хозяйство может удвоиться как раз вследствие глобального потепления. Выращивание таких традиционных культур, как зерновые, картофель и кукуруза (на силос) могут смеситься на 500 километров к северу, тогда как на юге можно будет выращивать виноград и абрикосы!

Как видим, восприятие глобального потепления не может быть абсолютно одинаковым для всех стран и народов. И если в традиционно теплых регионах планеты климатические изменения воспринимаются с тревогой и ужасом (теперь уже – даже в Европе), то для сибиряков ожидания прямо противоположные. Причем, подкрепленные научно.

Николай Нестеров

Изображение © commons.wikimedia.org by Ирина Гайворонская is licensed under Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International

Можно ли бесконтактно управлять активностью нейронов, в том числе в головном мозге? Именно над этой задачей работает коллаборация исследователей из нескольких крупных научных организаций страны. Главный инструмент ученых – биосовместимые наночастицы, способные при введении в организм активировать нервные клетки под действием низкочастотного магнитного поля. В будущем технология может помочь лечить пациентов с различными нарушениями – от болезни Альцгеймера до депрессии. Подробнее об исследованиях корреспонденту «Научной России» рассказали руководитель проекта доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета Роман Викторович Чернозем, директор международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Роман Анатольевич Сурменев, а также старший научный сотрудник Института цитологии и генетики СО РАН Александр Викторович Ромащенко.

Безопасная альтернатива

По словам Романа Анатольевича Сурменева, мощным импульсом для научно-исследовательских работ в области магнитоэлектрических наноматериалов для нейромодуляции, возглавляемых Романом Викторовичем Черноземом, стал мегагрант Правительства РФ. На эти средства был создан центр «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы», который возглавил Андрей Леонидович Холкин – ученый с мировым именем из Университета Авейру (Португалия), эксперт в области мультиферроиков и наноматериалов для биомедицинского применения и электроники.

Сегодня для электростимуляции нейронов при неврологических заболеваниях используют металлические электроды, имплантируемые хирургическим путем. Но этот метод сопряжен с рисками: занесением инфекции, повреждением тканей вследствие биомеханической несовместимости имплантата и ткани, последующим отторжением. Преодолеть эти риски могут помочь наночастицы. Связываясь вблизи клеточных мембран, они действуют как микроскопические локальные электроды. Это позволяет обеспечить более высокую пространственную точность, чем традиционные громоздкие системы для электростимуляции.

Команда отечественных исследователей работает над более безопасной технологией воздействия на нейроны. Создаваемые ими биосовместимые наночастицы преобразуют воздействие слабого магнитного поля в локализованные электрические импульсы, стимулирующие нервные клетки. Проект объединяет сразу несколько крупных научных организаций, включая Томский политехнический университет (ТПУ), Институт цитологии и генетики СО РАН (ИЦиГ СО РАН), Центр био- и медицинских технологий Сколтеха, Томский государственный университет, Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Федеральное медико-биологическое агентство, ООО «Центр улучшения качества жизни с помощью технологий будущего» и Сычуаньский университет (Китай). Проект реализуется при поддержке Российского научного фонда (№ 24-43-00171).

Союз ядра и оболочки

Основная работа по изучению и получению наноструктур ведется в стенах Томского политехнического университета. Размеры синтезируемых учеными магнитоэлектрических наночастиц не превышают 30 нм – в сотни раз меньше клетки крови. Каждая такая частица включает магнитное ядро из феррита марганца и оболочку из пьезоэлектрического материала – модифицированного титаната бария. Полученные наноструктуры не содержат потенциально токсичные свинец и кобальт, повышающие риск побочных эффектов. Под воздействием магнитного поля частицы усиливают приток ионов кальция (Ca2+) в нейроны – процесс, играющий важную роль в работе нервной системы, функционировании памяти и обеспечении нейропластичности.

Секрет наноструктур – в союзе магнитного ядра и пьезоэлектрической оболочки. Ключевая особенность пьезоэлектриков состоит в том, что в ответ на механическое воздействие (сжатие, удар, звуковой импульс) их структура деформируется и материал поляризуется. Если воздействие имеет циклический характер, пьезоэлектрик генерирует электрическое поле, которое помогает наночастицам стимулировать нервные клетки.

Чтобы бесконтактно «включить» пьезоэлектрический материал, можно использовать ультразвук. Но когда наночастицы находятся внутри организма, это не самый безопасный и эффективный способ: ультразвуковые колебания могут перегревать ткани и усиливать их проницаемость, а их действие ослабевает с увеличением расстояния. Применение ультразвука все еще остается одним из вариантов, однако требует отработки специальных условий воздействия.

И здесь в игру вступает магнитное поле, представляющее собой одну из самых перспективных альтернатив ультразвуку. Оно не причиняет вреда здоровью и легко проникает в ткани в определенном диапазоне параметров. Но сама пьезоэлектрическая оболочка не реагирует на магнитное воздействие, поэтому в роли посредника между ними выступает ядро наночастицы. Оно изготовлено из магнитного материала, обладающего свойством магнитострикции – способностью изменять размеры под действием магнитного поля. Когда магнитное ядро деформируется под пьезоэлектрической оболочкой, последняя получает определенный механический импульс и в ответ в результате внутренней поляризации создает на своей поверхности электрическое поле, стимулирующее нейроны.

Подробнее об особенностях наночастиц и технологии их получения рассказал руководитель проекта РНФ кандидат физико-математических наук Роман Викторович Чернозем:

«Суперпарамагнитные ядра из феррита марганца намагничиваются в присутствии внешнего магнитного поля, а после его выключения намагниченность пропадает, что предотвращает слипание (агломерацию) наночастиц. Оболочка из пьезоэлектрического модифицированного титаната бария преобразует механическую деформацию от ядра в электрический сигнал. Вместе они работают как преобразователь магнитного поля в электрические импульсы. Переменное магнитное поле заставляет магнитное ядро деформироваться (эффект магнитострикции). Эта деформация передается на пьезоэлектрическую оболочку, генерирующую локальное электрическое поле (прямой пьезоэффект) прямо на поверхности нейрона. Это поле открывает кальциевые каналы в мембране, и ионы Ca²⁺ устремляются внутрь клетки, что и регистрируется как стимуляция».

Ультратонкая оболочка наночастиц, синтезируемых в Томском политехе, покрывает ядра равномерным тонким слоем. И это важно: в большинстве других исследований она распределяется неравномерно, что снижает эффективность действия частиц. Технология, разработанная учеными ТПУ, позволяет избежать этой проблемы. Более того, цельная оболочка лучше откликается на механический импульс от деформирующегося ядра, а ее небольшая толщина – несколько нанометров – приводит к усилению магнитоэлектрического эффекта.

Нос – ворота в мозг

Наночастицы уже прошли первые испытания на клетках и лабораторных животных. Результаты работы, проведенной учеными ТПУ и ИЦиГ СО РАН, были представлены в журнале Journal of Controlled Release. Ученые последовательно протестировали разработку на культуре нервных клеток, срезах гиппокампа и мышах. В экспериментах использовались две версии наночастиц: с оболочкой и без нее, и во всех случаях нейроны активировал только первый вариант наноструктур, что подтвердило ключевую роль магнитоэлектрического эффекта в стимуляции клеток. В экспериментах на мышах наночастицы вводились животным интраназально (закапывались в нос) и через обонятельные нейроны перемещались в мозг. Таким образом, подобные наноструктуры можно использовать не только для активации нервных клеток, но и для доставки в мозг лечебных препаратов, нагрузив ими частицы.

Деталями экспериментов на живых системах с корреспондентом «Научной России» поделился кандидат биологических наук Александр Викторович Ромащенко:

«Испытания прошли в несколько этапов: сначала мы убедились, что наночастицы безопасны (проведя цитотоксические эксперименты на клетках) и могут активировать нейроны (индуцировать токи ионов кальция на культуре гиппокампальных нейронов). Затем в экспериментах на мышах мы доказали, что частицы проникают из носа в мозг по аксонам нервных клеток, а с помощью слабого магнитного поля этим процессом можно управлять, ускоряя доставку “полезных грузов” (например, белков) прямо в нужные отделы мозга. Интраназальное введение выбрано нами неслучайно. Это единственный путь, позволяющий веществам попасть прямо в мозг в обход гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), который, с одной стороны, защищает мозг, но с другой – мешает доставлять туда лекарства. Нервы, идущие из носа, напрямую соединяют носовую полость с мозгом, и по ним или вдоль них по межклеточному пространству частицы перемещаются в центральную нервную систему (ЦНС). Это самый простой, безопасный и физиологичный способ добраться до ЦНС в обход ГЭБ.

Процесс выглядит максимально просто и безболезненно: мышь фиксируют в положении лежа на животе и с помощью обычной пипетки закапывают по 7 мкл раствора с наночастицами в каждую ноздрю. Это занимает секунды и не требует наркоза.

Другие способы введения (например, уколы в вену) в этом исследовании не применялись. Но в перспективе их можно использовать, если нужно доставить частицы не в мозг, а, скажем, к опухоли в другом органе. Однако именно для доставки в мозг нос – самый прямой и безопасный путь.

При этом, как нам удалось показать, частицы можно вводить и локально – напрямую в периферические нервы или зону травмы. Это особенно перспективно для реабилитации после травм, потому что, как было показано ранее, электрическая стимуляция (которую обеспечивают полученные наночастицы в переменном магнитном поле) значительно ускоряет восстановление нейронов. Наша платформа может быть адаптирована для лечения нейротравм, и общий принцип (управление кальциевым током и аксональным транспортом) работает везде – хоть в головном или спинном мозге, хоть в нервном корешке руки».

Эксперименты на мышах раскрыли еще одну полезную возможность технологии: оказалось, что стимуляция нейронов в носовой полости с помощью наночастиц сама по себе позволяет усиливать транспорт веществ из носа в мозг.

«Обеспечиваемая неинвазивная электростимуляция магнитоэлектрическими наночастицами в слабых магнитных полях открывает кальциевые каналы нейрона. Кальций внутри клетки активирует моторные белки (кинезины и динеины), в результате чего они начинают “бежать” быстрее, увлекая за собой пузырьки с грузом, в роли которого может выступать лекарственный препарат», – пояснил А.В. Ромащенко.

На пути к совершенству

Ученые Томского политеха активно совершенствуют полученные наночастицы. В результате экспериментов исследователи научились управлять структурой пьезоэлектрической оболочки частиц, усилив их воздействие на нервные клетки. Детали работы были представлены в журнале Ceramics International.

«Частицы получают “зеленым” методом микроволнового гидротермального автоклавирования на водных солевых растворах ионов металлов (без токсичных растворителей) в две стадии: сначала синтезируем ядра, а затем на них формируем кристаллическую оболочку модифицированного титаната бария, где ионы бария частично замещены ионами кальция, а ионы титана – ионами циркония (BCZT), – пояснил Р.В. Чернозем. – Ключевой результат этой работы заключается в том, что, варьируя температуру, время синтеза и содержание щелочи, можно менять структуру оболочки и ее дефектность, что влияет на физические свойства магнитоэлектрических наночастиц. Метод считается хорошо воспроизводимым и потенциально масштабируемым, так как не требует высокотемпературного обжига».

Лучшие результаты показали наночастицы, полученные при температуре 185 °С. Они продемонстрировали рекордный магнитоэлектрический эффект для частиц, не содержащих свинец и кобальт. Во время испытаний на культуре нейронов головного мозга эта версия наноструктур в три раза увеличила приток ионов кальция в клетки и активировала на 20% больше нейронов в сравнении с другими частицами-кандидатами. 

«Статья закладывает основу для управления физическими свойствами подобных наногетероструктур с помощью контроля параметров синтеза, а эти свойства уже оказывают прямое влияние на эффективность беспроводной нейростимуляции, как показано в нашем исследовании. В рамках этой работы частицы испытали in vitro на культуре гиппокампальных нейронов. Мы проверяли, насколько хорошо частицы, синтезированные при разных температурах, увеличивают приток ионов кальция в клетки под действием слабого магнитного поля, – отметил Р.В. Чернозем. – В экспериментах мы использовали комбинацию двух полей: переменного поля (до 6 мТл, 50 Гц) для прямой активации частиц и постоянного поля смещения (20 мТл) для усиления магнитоэлектрического отклика».

Взгляд в будущее

Авторы проекта подчеркивают: до использования новых наночастиц в клинике еще далеко. Р.В. Чернозем поясняет, что сначала разработка должна пройти систематические исследования безопасности на животных in vivo.

«Нужно проверить биосовместимость наночастиц с организмом на крупных животных, понять, как частицы выводятся из организма, а также разработать протоколы для клинических испытаний на людях. По самым оптимистичным оценкам, до первых клинических исследований может пройти пять-десять лет, а до появления готовой технологии в медицине – еще больше», – говорит А.В. Ромащенко.

В то же время уже сейчас можно назвать перспективные варианты использования подобных наноразмерных материалов. По словам Р.А. Сурменева, они могут помочь в восстановлении и реабилитации после инсульта, борьбе с нейродегенеративными заболеваниями (болезнями Альцгеймера и Паркинсона), восстановлении нервных волокон, подавлении болей и лечении депрессии.

«Однако данная работа не изучает эти клинические применения, – подчеркивает Р.В. Чернозем, говоря об исследовании в журнале Ceramics International. – Она представляет частицы как доказательную концепцию (proof-of-concept) для беспроводного интерфейса с нейронами. В перспективе такой инструмент может позволить точечно стимулировать нужные участки нервной ткани для решения этих задач, что требует дальнейших исследований».

Как электростимуляция с помощью наночастиц может помочь пациенту в случае с каждым из вышеперечисленных заболеваний? На этот вопрос корреспонденту «Научной России» ответил А.В. Ромащенко.

«Начнем с лечения болей. Обычные обезболивающие действуют на весь организм, в то время как при невралгиях (повреждениях нервов) боль возникает из-за хаотичных, патологических разрядов в конкретном нервном узле (ганглии). Мы можем ввести частицы локально в поврежденный нерв. Под воздействием магнитного поля они будут генерировать электрический потенциал, который нормализует кальциевый поток в узле, подавляя патологическую импульсацию, – объяснил А.В. Ромащенко. – Что касается депрессии, то при этой патологии нарушается активность глубоких структур мозга, например префронтальной коры или гиппокампа. Существует метод глубокой стимуляции мозга (DBS), но он подразумевает нейрохирургическую операцию по вживлению электродов, что рискованно и дорого. Мы можем ввести частицы через нос (они сами доберутся до лимбической системы) и, прикладывая низкочастотное магнитное поле к нужной зоне головы, стимулировать выработку нейротрофических факторов и восстановление нейронных связей в тех зонах, которые молчат (неактивны) при депрессии.

Болезни Альцгеймера и Паркинсона возникают вследствие агломерации в нейронах неправильно свернутых белков (альфа-синуклеина и бета-амилоида), так как нарушается внутренняя клеточная логистика – аксональный транспорт. Митохондрии не добираются до далеких отростков, и клетка умирает от деэнергизации (голода). Электрическая стимуляция усиливает процесс утилизации этих агломератов и доставку факторов роста к отросткам, что значительно увеличивает эффективность терапии и замедляет развитие заболевания.

Если говорить о повреждении нерва, в этом случае погибают аксоны нервных клеток и новому отростку нужно заново прорастать сквозь рубец по 1 мм в день. Часто он не доходит до мышцы, и атрофия сохраняется навсегда. Стимуляция помогает ускорить синтез белка в теле клетки и его транспорт к месту повреждения.

Наконец, в зоне вокруг инсульта (полутени, или пенумбре) нейроны не мертвы, а “обесточены” – у них нет энергии и нарушен ионный баланс. Если их вовремя активировать, они выживут и утраченные функции восстановится. Своевременная электрическая стимуляция способна значительно снизить размер ишемического очага. Кроме того, терапия инсульта требует создания новых связей между сохранившимися участками мозга. Наша технология позволяет делать это прицельно через стимуляцию конкретных нервных цепочек в мозгу. Еще один подход – нагрузка частиц препаратом, разрушающим тромб, и ускорение его транспорта именно к ишемизированной зоне (за счет аксонального транспорта через нос или магнитного притяжения), благодаря чему мы сможем увеличить терапевтическое окно для купирования последствий ишемии».

Текущие планы исследователей охватывают несколько ключевых направлений. Во-первых, ученые работают над улучшением магнитоэлектрического эффекта частиц. Во-вторых, важно повысить биосовместимость наноструктур, для чего требуется выбрать наиболее подходящие составы и поверхностный стабилизатор – вещество, наносимое на поверхность частиц и защищающее их от агломерации и выпадения в осадок. При этом выбранное соединение должно способствовать процессу электростимуляции и проникновению частиц внутрь клеток. Это, в частности, реализуется с использованием искусственного интеллекта и технологий машинного обучения. Отдельное внимание уделяется совершенствованию способов доставки наночастиц в организм для достижения необходимого терапевтического эффекта.

Как отмечает директор международного научного-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Роман Анатольевич Сурменев, магнитные и магнитоэлектрические наночастицы, все чаще называемые умными материалами наряду с биосовместимыми скаффолдами, – одни из самых широко исследуемых объектов исследований в мире. Подобные наноструктуры также высоко востребованы в областях адресной доставки лекарств, терапии и диагностики (тераностики) раковых заболеваний. Они используются в том числе в качестве высококонтрастных агентов для визуализации. Кроме того, магнитоэлектрические двумерные материалы и трехмерные композитные структуры с различными резонансными частотами исследуются в качестве основы для технологий регенерации различных тканей (костной, нервной и т.д.) и беспроводных нейроинтерфейсов (систем, связывающих мозг и компьютер). Последние в перспективе могут обеспечить не только электроактивацию отдельных строго заданных участков головного мозга с высокой пространственной и временной точностью, но и систему обратной связи для корректировки речи и улучшения зрения, а также способствовать очувствлению конечностей при параличе и выполнению других ключевых функций мозга, полностью или частично нарушенных. Одна из основных задач в этой области – отработка обратной связи, что необходимо для коррекции электростимуляции. Однако пока все эти технологии находятся на стадии активных фундаментальных исследований, и только будущее покажет, в каком виде подобные разработки дойдут до практического применения.

Статья подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Фото и изображения - сайт https://scientificrussia.ru

Ученые доказали существование грибов 550 миллионов лет назад. Их микроскопические остатки обнаружил сотрудник Института геологии алмаза и благородных металлов СО РАН (Якутск) в породах Березовского прогиба (юго-запад Якутии). До этого общепринятым временем появления первых грибов считался ордовикский период (460 млн лет), а все более ранние свидетельства оставались неубедительными. Статья об этом опубликована в журнале Paleontological Journal.

Сохраниться древним грибам помогло редкое стечение обстоятельств. Они оказались внутри строматолитов — древних образований столбчатой формы, которые формировались в мелководной прибрежной среде. Грибы участвовали в образовании строматолитов: вода, насыщенная кремнеземом, проникала в их структуру, а затем минералы постепенно замещали органическое вещество. Окремнение произошло достаточно быстро — еще до того, как органика погибших грибов успела разрушиться и разложиться. В обычных карбонатных породах такие микроскопические организмы, как правило, не сохраняются.

Судя по строению строматолитов, в период формирования в них существовала сложная пищевая цепь. Водоросли и цианобактерии производили органическое вещество, а грибы им питались. Вероятно, некоторые из древних дрожжевых грибов жили непосредственно на зеленых водорослях и могли проникать внутрь их слоевища. Анализ образцов под электронным микроскопом показал, что у грибов уже были развиты гифы — нитевидные структуры, характерные для современных мицелиальных грибов — и способность к спорообразованию для размножения.

«Это всё микроскопические организмы. Если описывать процесс визуально, то поверхность растущего строматолита временами напоминала бродящее тесто или пивное сусло. Когда при брожении образовывался углекислый газ, пузырьки выходили наружу, а густая среда тянулась за ними, оставляя характерные трубчатые отверстия. Под микроскопом видно, что вся поверхность буквально бурлила», – рассказал главный научный сотрудник лаборатории стратиграфии и палеонтологии Института геологии алмаза и благородных металлов СО РАН доктор геолого-минералогических наук Пётр Николаевич Колосов.

В водной среде древние грибы, похожие на современные дрожжи, могли получать питательные вещества всей поверхностью тела, поглощая растворенную органику из окружающей воды. Однако поскольку они жили в зоне приливов и отливов, то периодически оказывались вне воды и уже не могли получать пищу со всех сторон. По мнению ученого, именно постоянная смена водной и воздушной среды могла способствовать появлению новых способов питания. Грибы начали формировать мицелий — систему нитевидных структур, которые распространяются по субстрату и помогают находить органическое вещество. Такие структуры впоследствии стали одним из ключевых приспособлений грибов к жизни вне воды. Таким образом, уже в позднем докембрии (эдиакарии) могли одновременно существовать дрожжевые и мицелиальные формы грибов.

«Хороших доказательств того, что грибы 550 миллионов лет назад уже освоили сушу, пока нет, но мы видим четкие признаки адаптации к условиям суши именно в экосистеме строматолитов. Постоянная смена условий — то в воде, то на воздухе — и запустила формирование этих адаптаций, что, конечно же, повлияло на последующий выход на сушу», – объяснил Пётр Колосов.

Ученый предполагает, что грибы начали активно распространяться непосредственно перед кембрийским взрывом — относительно коротким периодом в начале кембрия, когда на Земле резко увеличилось разнообразие животных в результате приобретения ими твердого скелета и раковины. Появились многие группы беспозвоночных морских животных. При этом между распространением грибов и появлением твердых покровов у животных могла существовать связь. В эдиакарии преобладали мягкотелые (как медузы) животные. Бурно размножающиеся дрожжевые грибы, питающиеся готовым органическим веществом, потенциально могли поедать мягкотелых. Возможно, приобретение раковины стало одним из способов защиты от такого поедания. Однако прямых доказательств этой гипотезы пока нет.

«Главный вывод исследования можно разделить на три части. Во-первых, грибы появились на Земле гораздо раньше, чем в мире было принято считать — это первое в истории науки прямое доказательство их существования в таком древнем периоде. Во-вторых, они не просто жили в воде, а уже тогда учились выживать на суше: прямо в прибрежных камнях — строматолитах, которые то уходили под воду во время прилива, то высыхали на солнце. В-третьих, эти древние организмы умели запускать процесс брожения — сложную биохимическую реакцию, которую мы сегодня используем для создания хлеба или пива», — говорит Пётр Колосов.

Ирина Баранова

Изображения: предоставлены исследователем

Похоже на то, что нынешнее лето войдет в историю как «момент истины» для многих жителей планеты, сполна ощутивших шокирующие последствия глобального потепления. Об экстремальной жаре, чуть ли не ежегодно накатывающей на территории западных стран, мы уже писали неоднократно. Казалось бы, люди вполне могли бы смириться с таким явлением, приняв его за норму. Однако то, что случилось в Европе этим летом, способно потрясти воображение даже у самых несгибаемых климатических скептиков.

Описывать произошедшее мы здесь не будем, поскольку оно детально разобрано в многочисленных СМИ – как в зарубежных, так и в отечественных. Обмеление крупных европейских рек, проблемы судоходства, приостановка реакторов АЭС, разрушение транспортной инфраструктуры, лесные пожары, засуха и гибель посевов – всё это достаточно понятные явления, которые, надо сказать, предполагались заранее. Но больше всего пугают прогнозы ученых. Глобальное потепление и без того преподносилось в апокалиптических тонах. Нынешнее лето, конечно же, дало климатическим алармистам дополнительные «убийственные» аргументы в пользу ускоренной реализации «низкоуглеродной» стратегии. Бурных дискуссий на эту тему пока еще не наблюдается, однако с трибун ООН уже раздаются голоса в пользу реализации «зеленого курса».

Правда, уже не совсем ясно, хватит ли материальных ресурсов для глобальной «зеленой» трансформации? Да и так ли уж она эффективна, чтобы реально влиять на климатическую ситуацию? По крайней мере опыт показывает, что ускоренная декарбонизация никак не спасла европейцев от экстремальной жары. Мало того, привела к удорожанию электроэнергии настолько, что даже использование бытовых кондиционеров становится там не по карману.

Показательной особенностью нынешнего лета стало то, что блокирующий антициклон добрался и до Западной Сибири. В наших краях также установилась небывало длительная жара, хотя ее максимальные значения кажутся теперь достаточно умеренными по нынешним европейским меркам. Специально разбирать феномен сибирского «теплового купола» мы здесь также не будем, поскольку ему были уделены отдельные публикации.

Казалось бы, сибирякам надлежит приготовиться к жаркому «экстриму» вслед за европейцами. Отчасти это верно, тем более что ученые давно уже отмечают, что климат в Сибири меняется быстрее, чем в целом по планете. Конечно, затяжные волны тепла вызывают у местных жителей некоторый дискомфорт, особенно в ночное время, если температура не падает ниже 20 градусов Цельсия. Но в целом лето характеризуется обычными людьми как «замечательное». Понятно, что это чисто субъективное и чисто «обывательское» (я бы сказал – «бытовое») восприятие ситуации, учитывая, что сибиряки традиционно устремляются летом в жаркие края из-за дефицита тепла. Нынешнее лето в какой-то мере положительно ответило на их ожидания, и не приходится сомневаться в том, что пугающие прогнозы сибирских ученых-климатологов о регулярном повторении таких событий будут ими восприняты не с тревогой, а с надеждой на лучшее.

Тревожные ожидания, скорее всего, есть у сибирских аграриев. Причины понятны: по некоторым данным, аномальная затяжная жара вызвала жесткую почвенную засуху, что привело к падению урожайности основных культур на 30% и выше. Как нетрудно догадаться, больше всего пострадали степные районы Алтайского Края, Новосибирской и Омской областей (можно сказать – главные житницы Сибири). Дефицит влаги отрицательно сказался на всхожести. К тому же избыточная жара вызвала у растений стресс, что привело к преждевременному завершению вегетации, не позволив им набрать необходимую биомассу. Мало того, обилие тепла вызвало небывалую активизацию вредителей, уничтоживших ослабленные побеги.

В настоящее время аграрии фиксируют печальные итоги сезона: у зерновых культур колос сформировался мелким и щуплым, у бобовых (например, гороха) из-за нехватки влаги на растениях было от одного до трех стручков, что катастрофически мало. Клубни картофеля из-за жары остановились в развитии, и потому товарность урожая ожидается низкой. Сильно пострадали посевы рапса: сухая почва снизила усвоение азотных удобрений. Наибольшую стойкость показал подсолнечник, однако дефицит влаги снизил потенциал масличности.

Впрочем, специалисты отмечают, что указанные проблемы носили так называемый «очаговый» характер. В отдельных районах критического снижения уровня осадков не наблюдалось, поэтому тотального режима ЧС для Западной Сибири не потребовалось. Тем не менее, ожидается рост цен на зерно и тот же картофель (примерно на 15-20 процентов). То есть с хозяйственной точки зрения лето оказалось не таким уж «замечательным». Даже дачники столкнулись с этими проблемами – особенно те из них, у которых не оказалось возможности осуществлять регулярные поливы своих посадок.

В общем, если блокирующие антициклоны станут для Западной Сибири обычным явлением, это серьезно обострит проблему продовольственной безопасности. Полагаю, с этим не приходится спорить. В то же время ситуация не является совершенно безнадежной. Выход можно найти всегда. Вопрос лишь в том, насколько к таким переменам готовы сами аграрии.

Специалисты некоторых организаций СО РАН (например, ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН») уже сейчас рекомендуют активнее внедрять селекционные сорта пшеницы, ячменя и овса, устойчивых к дефициту влаги на ранних стадиях роста. Параллельно можно расширять посевы теплолюбивых культур вроде кукурузы, сои, рапса и подсолнечника в тех районах, где им обычно не хватало для вызревания суммы активных температур. Также можно увеличить долю посевов озимых культур (пшеницы и ржи), которые успеют использовать весеннюю влагу от талых вод еще до того, как территории накроет «тепловой купол».

В целом, необходимо признать, что сельскохозяйственные районы Западной Сибири не испытывают каких-то проблем, которые ранее не испытывали наши традиционные житницы юго-западной части страны. По сути, здесь нет ничего нового. Засухи и затяжная сильная жара наносили ущерб сельскому хозяйству южнорусской степной зоны еще с царских времен. Эту проблему пытались решить наши выдающие ученые – от Василия Докучаева, Ивана Овсинского и до Василия Вильямса включительно (о чем мы достаточно много писали). В советские годы как раз для решения этой проблемы был выдвинут грандиозный «Сталинский план преобразования природы» (о чем мы также писали).

По большому счету, для юга Западной Сибири становятся предельно актуальными те наработки, что в свое время были столь же актуальны для южных сельскохозяйственных регионов страны. Уже сейчас приходится слышать о том, что традиционная глубокая вспашка с переворотом пласта в условиях засухи приводит к быстрой потере почвенной влаги. По этой причине сибирские агрономы рассматривают возможность применения новых методов обработки почвы. В частности, речь идет о технологии нулевой или минимальной обработки с оставлением на поверхности пожнивных остатков, играющих роль мульчи. Такое естественное покрытие способно защитить землю от перегрева и снизить испарение воды на 30-40 процентов (фактически, здесь воспроизводятся рекомендации Ивана Овсинского для южнорусских степей).

Параллельно проводится восстановление лесозащитных полос с целью удержания снега. Напомним, что лесополосы изначально создавались как раз для южных регионов в целях борьбы с засухой. Опыт оказался положительным, и теперь он будет очень сильно востребован и для Сибири. Кроме этих методов, проверенных временем, учеными ставится вопрос о цифровом мониторинге, когда с помощью спутниковых данных и данных с дронов осуществляется оценка уровня влажности почвы. Это позволяет «точечно» вносить удобрения и рассчитывать полив, снижая общую нагрузку на экосистему. В этом случае рекомендуется внедрение систем капельного и мелкодисперсного полива, которые сводят к минимуму потери воды на испарение. В настоящее время сибирские ученые разрабатывают сценарии адаптации оросительных каналов Западной Сибири с учетом изменения речного стока.

Как видим, представители науки вполне определились с тем, каким должен быть ответ на климатические изменения применительно к нашим регионам. Но также важно и то, что глобальное потепление открывает для сибирского сельского хозяйства новые возможности. Ученые называют это «территориальным маневром», или сдвигом на Север. Согласно прогнозам климатологов, где-то к середине или к концу нынешнего столетия значительная часть центральной и даже северной Сибири станет пригодной для активного земледелия. Об этом климатологи говорили еще в прошлом веке, а в наше время появились достаточно развернутые точные исследования об изменении агроклиматического потенциала Сибири.

Учитывая важность данной темы, мы рассмотрим ее чуть позже более подробно.  

Константин Шабанов

Изображение создано нейросетью

Коллектив исследователей из ИАиЭ СО РАН, НГУ, Университета Латакии (Сирия) и IPM (Иран) разработал метод, который позволяет получать максимум информации из квантовых измерений и при этом в десятки тысяч раз сократить число повторных измерений без потери точности. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Research (Q1).

Квантовые измерения применяют, когда требуется предельно точно определить значение неизвестного физического параметра и заметить малейшие его изменения. На этих принципах работают, например, квантовые магнитометры, измеряющие малые магнитные поля, или квантовые навигационные приборы, фиксирующие ускорение и поворот. Эффективность работы таких устройств напрямую зависит от качества данных: чем больше полезной информации ученым удается извлечь за один замер, тем надежнее итоговая оценка. Однако квантовые частицы крайне “хрупки”: каждый контакт с измерительным прибором безвозвратно разрушает их исходное состояние, и для каждого замера нужно создавать новые частицы с нуля, повторяя один и тот же эксперимент множество раз.

Чтобы не перегружать измерительные приборы множеством замеров, используют постселекцию – фильтр, при котором из общего потока отбирают только самые информативные частицы, а остальные отбрасывают. Физики называют такой процесс «квантовой компрессией». Однако у постселекции до сих пор существовал серьезный недостаток: отсекая не полезную часть данных, исследователи неизбежно теряли и полезную информацию, из-за чего падала общая точность измерений.

Авторы работы нашли способ свести к нулю потери полезной информации. Они доказали, что фильтр отбора можно настроить так, чтобы дополнительный фазовый сдвиг в точности совпал с геометрической фазой Панчаратнама, которую частица естественным образом приобретает при взаимодействии с прибором. При таком совпадении полезная информация не исчезает, а число необходимых измерений сокращается в десятки тысяч раз.

«Главная ценность нашего метода – борьба с обстоятельствами, которые мешают проведению замеров: с неидеальностями приготовления квантовых состояний, с аппаратными шумами. Чем больше измерений проводишь, тем больше эти факторы влияют на результат. С новым методом – измерений будет в десятки тысяч раз меньше, а значит и мешающие факторы будут меньше влиять на результат. В рассмотренном нами примере в статье число необходимых измерений удалось сократить примерно в 40 тысяч раз. Кроме того, сокращая число измерений, мы экономим и достаточно много времени», – пояснил соавтор исследования, старший научный сотрудник ИАиЭ СО РАН, к.ф-м.н. Владимир Томилин.

Расчеты ученых также показали, что эффект можно усилить, используя кудиты – многомерные квантовые системы, которые являются обобщением привычных кубитов. Если кубит может находиться в двух базовых состояниях, то кудит способен использовать большее число состояний. Увеличение размерности системы дает дополнительный выигрыш в объеме информации, получаемой за один удачный опыт.

В дальнейшем авторы планируют выяснить, для каких именно типов квантовых систем применим предложенный метод.

Авторы благодарят профессора Леонида Ильичёва за ценные обсуждения работы.

Исследование выполнено в Институте автоматики и электрометрии СО РАН в рамках государственного задания (проект № 124041700105-5).

Изображение: пресс-служба ИАиЭ СО РАН

Встречаем лауреатов Нобелевской премии по химии. Анри Б. Каган (Франция) и Кэнсо Соаи (Япония) получили награду за исследование химической асимметрии и механизмов, позволяющих одной из зеркальных форм молекул получать преимущество над другой. В чем значение этого открытия, чем еще известны лауреаты и какие исследования в этой области ведутся в Академгородке – читайте в нашем очередном «нобелевском» материале.

«Достаточно давно известно, что многие молекулы, особенно в органической химии, существуют как минимум в двух формах, которые еще называют энантиомерами. Они имеют одинаковый состав, но разное пространственное расположение фрагментов, точнее – зеркальное.   Поскольку атом углерода связан с четырьмя разными группами, их можно расположить двумя способами, которые относятся друг к другу как левая рука к правой. И, соответственно, особенно ярко это проявляется в биологических процессах, зачастую одна форм молекулы обладает существенно большей физиологической, биологической активностью, чем ее «зеркальный» аналог», – рассказал директор Института химической биологии и фундаментальной медицины им. Д. Г. Кнорре СО РАН, д.х.н. Владимир Васильевич Коваль.

Само это явление известно довольно давно, его химическую природу еще в XIX веке описал великий российских химик Александр Михайлович Бутлеров. Но знать явление и уметь им управлять – вещи несколько разные.

Синтезируя органические вещества, химики зачастую получают смесь двух энантиомеров, причем в разных пропорциях. По итогам одного и того же процесса, используя одни и те же реактивы и оборудование в одном опыте можно получить 80% «правого» варианта, в другом, поставленном тем же человеком в тот же день, – 70% «левого».

И эта разница имеет значение: живые организмы обычно предпочитают один энантиомер. Например, аминокислоты в белках живых организмов почти исключительно представлены L-формами, а нуклеиновые кислоты содержат D-сахара. Это свойство называют гомохиральностью, и без него жизнь в нынешнем невозможна: белок из случайной смеси L- и D-аминокислот не свернется в правильную структуру.

Получение нужного варианта энантиомера является важнейшей задачей в фармакологии: один из них станет лекарством, а другой не будет иметь никакого эффекта, тем самым мешая установить точную дозировку, а в худшем случае — станет ядом, как это было с печально известным талидомидом.

И способ решить эту задачу – получить энантиомеры нужного варианта (это называют гомохиральностью) решил один из нобелевских лауреатов этого года. Анри Б. Каган разработал способы синтеза чистых энантиомеров путем асимметрического катализа, когда при добавлении к исходному веществу оптически активного катализатора в малом количестве на выходе получается преимущественно один зеркальный изомер. При этом ученый показал, что некоторые реакции даже при использовании катализаторов с низкой энантиомерной чистотой приводят к нужному результату.

Еще в середине прошлого века британский физик Фредерик Чарльз Фрэнк показал на бумаге: чтобы гомохиральность родилась сама, нужно совпадение трех условий   –автокатализа, энантиоселективности и взаимное подавления, тогда нужная форма будет мешать производству своего зеркального двойника. Первые два условия химикам были знакомы, «рецепт» обеспечения третьего не находился еще сорок лет, удалось это сделать как раз группе Кагана.

Следующий шаг сделал Соаи в 1995 году. Он показал, что химическую асимметрию можно не только усилить, но и сделать самоподдерживающейся: в автокаталитической реакции образующийся продукт помогает получать новые молекулы того же энантиомера. Так возникла возможность химически усиливать первоначально ничтожное нарушение симметрии и в пределе получать практически только одну зеркальную форму вещества.

На основе этих результатов Соай выдвинул гипотезу, что благодаря этому эффекту и возникла жизнь. По его версии, в какой момент случайно возникла асимметрия в пользу левого, и она на основании открытого Каганом эффекта постепенно вдвигалась влево, в итоге и сформировав «левостороннюю ориентацию наших белков.

Правда, не все ученые с ним согласились. «Реакция Соаи не объясняет происхождение биологической гомохиральности: диизопропилцинк бурно реагирует с водой, а жизнь зародилась в воде. Модель Фрэнка — лишь один из сценариев события, случившегося миллиарды лет назад. Это снятие запрета, а не ответ на вопрос: химическая система в принципе способна породить асимметрию из симметрии и усилить ее до предела, и для этого не нужно ни космического излучения, ни вмешательства извне — достаточно правильно устроенной кинетики», - пишет издание «Биомолекула».

Впрочем, значения исследований Кагана и Соаи это совсем не умаляет. Как уже говорилось, получение сырья, состоящего преимущественно из одного типа энантиомеров, необходимо фарминдустрии. Умение управлять этим процессом открывает возможность новых решений в синтезе лекарственных препаратов, которые имели бы куда меньше побочных эффектов и не оказывали бы столь негативного воздействия на человеческий организм.

Не случайно, с этим эффектом связана работа целого ряда исследовательских групп в институтах Новосибирского научного центра.

«Большей частью, это работы сотрудников Института органической химии имени Ворожцова. Но и мы эти эффекты изучаем тоже, потому что очень многие биологические молекулы имеют своего «двойника». И, соответственно, они хоть и абсолютно одинаковые по составу, но при этом различные. И большинство ферментов, белков, которые связываются либо процессируют в биологические молекулы, способны делать это только с одним из субстратов, одной из двух дочерних молекул. Соответственно, необходимо это учитывать в наших исследованиях», - подчеркнул Коваль.

 Сергей Исаев

Изображение: Nobelprize.org

Разработкой микрофлюидных устройств для определения биомаркеров в крови человека для скрининга онкологических заболеваний и оценки риска развития аллергических заболеваний занимаются научные сотрудники лаборатории микрофлюидных технологий Института медицины и медицинских технологий Новосибирского государственного университета (ИММТ НГУ), которая в дальнейшем будет располагаться на площадях нового кампуса НГУ, возводимого в рамках национального проекта «Молодежь и дети». Разработка экспресс-чипов для онко- и аллергодиагностики проводится при поддержке программы «Приоритет-2030», а также индустриального партнера — компании «Медико-биологический Союз» (МБС). Взаимодействие с ведущей компанией реального сектора экономики позволяет ученым разрабатывать собственные тест-системы без оглядки на зарубежные аналоги, что способствует технологическому суверенитету России в области медицинской диагностики и достижению целей национального проекта «Молодежь и дети».

Микрофлюидика — это технология, которая изучающая поведение жидкостей и газов в микроскопических каналах и структурах. Она предоставляет возможность управлять малыми объемами жидкости, обеспечивая высокую чувствительность и эффективность в различных приложениях. Микрофлюидика с использованием флуоресцентных, оптических и электрохимических детекторов находит широкое применение в различных областях, включая аналитическую химию, биомедицину и биотехнологию. Её используют для анализа биологических образцов, обнаружения биомаркеров, диагностики болезней и мониторинга реакций организма.

Микрофлюидное устройство (микрофлюидный чип) — это компактный лабораторный прибор, который управляет микроскопическими объемами жидкостей (от нескольких микро- до пиколикров), протекающими по системе тонких каналов размером в десятки или сотни микрометров. Сами чипы изготавливают из полимерных материалов, стекла, кремния, керамики или металлов. Устройство представляет собой сеть микроканалов, вырезанных, вытравленных или отлитых в материале подложки (стеклянной, кремниевой или полимерной). Устройство считается микрофлюидным в том случае, когда как минимум один размер канала находится в микрометровом диапазоне, при этом оно использует или контролирует малые объемы жидкости, что позволяет минимизировать расход реагентов. Очень низкие скорости потока жидкости в таких устройствах позволяют улучшить эффективность массообмена и повысить чувствительность анализа.

В настоящий момент научные сотрудники лаборатории заняты тремя ключевыми разработками. Они создают микрофлюидную платформу для количественного анализа простат-специфического антигена (ПСА), онкомаркеров (CA-125 и HE4) рака яичников и для полуколичественного определения иммуноглобулинов класса Е специфических к бытовым аллергенам. Уже созданы первые прототипы аналитических чипов для количественной детекции ПСА с целью скрининга рака предстательной железы. На данный момент в лаборатории проводится отработка методов для комбинированного анализа онкомаркеров для верификации гинекологических новообразований на ранних стадиях.

— Актуальность данной работы обусловлена тем, что современная программа онкоскрининга, входящая в одно из направлений диспансеризации, не затрагивает все виды рака и представляет собой большое количество самостоятельных анализов в крупных диагностических центрах или специализированных лабораториях. Еще одним недостатком такого подхода является высокая стоимость проведения анализа крови на онкомаркеры. Поэтому наиболее перспективными для решения проблем онкоскрининга считаются микрофлюидные устройства, которые обладают рядом преимуществ, например, возможностью проведения нескольких видов анализа на одном устройстве, использованием малого количества реагентов и скоростью выполнения анализа. Предполагается, что разработанные нами устройства будут просты в использовании и способны выдавать результаты в течение 20-30 минут, пока пациент находится на приеме у врача, — рассказала заведующая лабораторией микрофлюидных технологий ИММТ НГУ Ксения Миняйло.

В процессе разработки также находится и экспресс-чип для аллергодиагностики, который станет важным элементом портативной системы для оценки риска развития аллергического заболевания. Всего за 15–20 минут по одной капле крови тест выявляет аллергию на кошек, собак или клещей домашней пыли. Своевременное обнаружение триггеров позволяет пациенту сразу исключить контакт с аллергеном, скорректировать быт и вовремя начать направленную терапию. 

— Важно понимать, что наши микрофлюидные устройства не станут альтернативными методами онкодиагностики или выявления аллергенов. Наша цель — не заменить врача, а дать ему инструмент для «стартовой маршрутизации» пациентов, — уточнила Ксения Миняйло.

Устройство работает следующим образом: капля крови пациента попадает в зону введения образца, где отделяется плазма, которая движется по микроканалу в зону конъюгации. Если целевой белок присутствует в крови, происходит его связывание с меченным антителом и далее потоком по микроканалу он движется до зоны детекции, которая начинает светиться, что позволяет быстро считать сигнал и получить результат. Сейчас учёные оптимизируют реагентную базу и методику иммобилизации антител и антигенов на полимере, чтобы добиться высокой чувствительности. Сначала фокус на точном определении одного биомаркера на чипе; следующим шагом станет переход к мультиплексной платформе, позволяющей параллельно анализировать несколько биомаркеров. Также они получают меченные антитела, с помощью которых можно качественно или количественно определять искомые биомолекулы в крови. Также рассматривается возможность полной автоматизации от считывания сигнала с помощью смартфона или специального ридера до появления результатов на компьютере или в специальном приложении, что сделает использование устройства более удобным и эффективным.

Параллельно ведется работа по оптимизации технологии создания прототипов микрофлюидных устройств из термопластичных полимеров с помощью метода лазерной абляции. Данной работой заняты студентки-биологи магистратуры Передовой инженерной школы (ПИШ) НГУ и молекулярной биологии Вероника Сачкова и Марина Кузнецова под научным руководством.

Если говорить о материалах и технологии производства, то полимер PDMS (полидиметилсилоксан) популярен благодаря оптической прозрачности, гибкости и биосовместимости, поэтому его часто используют для изготовления мкробиосенсоров. Однако для масштабного производства одноразовых микрофлюидных платформ всё чаще применяются термопласты — такие как полиметилметакрилат (PMMA), поликарбонат (PC) и полистирол (PS). Один из самых распространенных методов печати — мягкая литография, которая применяется для быстрого прототипирования чипов из PDMS. Процесс включает создание мастер-формы (чаще всего с помощью фотолитографии) и заливку жидкого PDMS, который после отверждения снимается с формы. Производство микроканалов из полимеров осуществляется либо с помощью методов репликации, таких как литье под давлением, термоформование с литьем, микрофрезерование, либо с помощью фотодетерминированных методов, таких как литография и лазерная резка. Среди этих производственных процессов абляция материала с помощью CO2-лазера является недорогим и быстрым методом, обеспечивающим высокую точность, аккуратность и гибкость. Использование процесса лазерной абляции полимеров позволяет очень быстро вырезать микроканалы с минимальным гидравлическим диаметром 80 мкм. Немаловажным аспектом является правильный выбор режимов лазерной резки, от чего зависит форма и шероховатость поверхности каналов. Для регулировки скорости потока исследуемой жидкости учитывается не только диаметр канала, его длина, но и гидрофильность/гидрофобность поверхности микроканалов для последующей работы с биомолекулами.

В будущем планируется перенести отработанную иммунохимическую схему на готовый прототип микрофлюидного устройства, специально спроектированного для детекции конкретных биомаркеров. Также поставлена задача разработать полуколичественный метод оценки степени тяжести аллергии с градацией сигнала на низкий/средний/высокий. Кроме того, ученые лаборатории намерены создать прототип, пригодный для домашнего использования, обладающий такими свойствами, как интегрированная пробоподготовка, простота эксплуатации, визуальная или полуколичественная оценка без сложного оборудования. В перспективе — создание мультиплексного онкочипа, который сможет работать не только в лабораторных условиях, но и непосредственно в кабинете врача.

 — Процесс создания микрофлюидных чипов и устройств включает использование специализированных и дорогостоящих материалов, таких как стекло, кремний, полимеры высокой чистоты и использование сложных технологий. В процессе изготовления могут возникать потери реагентов из-за адсорбции на поверхности каналов или неправильной конструкции устройства, что может привести к неточным результатам анализа или снижению эффективности реакции. И, наконец, контроль потока жидкости может быть сложным из-за малого размера каналов и ограничений в управлении давлением и скоростью потока, что может потребовать использования сложных насосов и клапанов или дополнительных манипуляций для достижения нужных условий. Несмотря на имеющиеся недостатки, микрофлюидика продолжает активно развиваться, и многие из этих ограничений могут быть учтены и преодолены с помощью новых научно-технологических решений. Микрофлюидная технология позволяет управлять очень малыми объемами жидкости, в том числе существенно меньше, чем капля крови, и обладает рядом других преимуществ. Разрабатываемые микрофлюидные платформы в разы ускоряют и удешевляют анализ ключевых биомаркеров, поскольку при их применении отсутствует необходимость привлечения лабораторной инфраструктуры, — пояснила Ксения Миняйло.

Аналоги всем трем разработкам уже существуют — одни уже представлены на рынке, другие пока находятся на стадии разработки. Единственным одобренным FDA (Food and Drug Administration,  Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США, федеральное агентство при Министерстве здравоохранения США) в 2019 году тестом является количественный экспресс-тест (Point-of-Care-тест) для определения общего ПСА, разработанный компанией OPKO Health (ранее Claros Diagnostics. Система OPKO, представленная на рынке как анализатор Claros® 1 с тестом Sangia™ Total PSA), обеспечивает полноценную реализацию принципа «от образца до результата» благодаря герметичному микрофлюидному картриджу, в который вносится образец капиллярной крови, а количественный результат выдается примерно через 10 минут. Система OPKO также демонстрирует возможность мультиплексирования, потенциально включающего определение уровня свободного ПСА и других биомаркеров. Однако в текущем варианте реализации система работает в режиме одиночного анализа (single-plex) для определения общего ПСА, подчеркивая, что при обеспечении коммерческой жизнеспособности устройства приоритет часто отдается четким клиническим показаниям, а не максимальному уровню мультиплексирования. Другим недостатком является высокая стоимость герметичного микрофлюидного картриджа и считывающего устройства, которая составляет около 2500 долларов США.

В мировой и российской практике аллергодиагностики доминируют мультиплексные лабораторные системы (ImmunoCAP ISAC, ALEX, отечественный аллергочип ProAllergy), а также активно разрабатываются новые платформы, в том числе в рамках проекта РНФ «АллергочипРФ» (Сеченовский университет, грант № 23-75-30016). Эти системы обладают высокой чувствительностью и способностью анализировать до 300 аллергенов, но они предназначены для применения в лабораториях квалифицированным персоналом на сложном аналитическом оборудовании и не предусматривают самостоятельного использования пациентами. Таким образом остается потребность в доступном и портативном устройстве для регулярного мониторинга уровня иммуноглобулинов класса Е, отвечающих за развитие аллергического заболевания. Разработка такого устройства, ориентированного на домашнее применение, является актуальной задачей, решение которой повысит качество жизни пациентов с аллергией и снизит нагрузку на систему здравоохранения.

В Российской Федерации наиболее близким аналогом по диагностической задаче является проект «Аллергочип РФ», реализуемый в Первом МГМУ им. И.М. Сеченова. Еще одним отечественным решением является система ProAllergy, разработанная специалистами Московского физико-технического института и медицинского кластера Сколково. Данная платформа относится к классу аллергенных микрочипов и предназначена для мультиплексного определения специфических IgE к широкому спектру аллергенных компонентов. Разработка представляет собой отечественную платформу молекулярной аллергодиагностики, основанную на технологии аллергенного микроматрикса. Суть анализа заключается в том, что на поверхности твердого носителя иммобилизированы аллергены, которые взаимодействуют со специфическими IgE пациента, присутствующими в образце сыворотки крови. Последующая регистрация сигнала меченного комплекса позволяет одновременно определять сенсибилизацию (приобретение организмом повышенной чувствительности к какому-либо веществу или раздражителю) к большому числу аллергенов и формировать индивидуальный профиль аллергической чувствительности.

— Мы опираемся на серьёзный методический и экспериментальный задел. Два ключевых результата последних двух лет — это магистерские диссертации, посвященные определению IgE и белковых маркеров рака простаты. По их итогам у нас появились воспроизводимые протоколы: мы стабильно синтезируем конъюгаты антител с оптическими и флуоресцентными метками для обеих мишеней. Отдельная часть нашей работы — это лазерная гравировка микроканалов в полимере на комплексе LaserPro Mercury III. Здесь мы не только отработали режимы, но и установили зависимости геометрии каналов от параметров печати. Мы сформировали архитектуру наших чипов, где предусмотрены зоны введения образца, конъюгации и детекции, а также капиллярный, пассивный поток жидкости. Для иммобилизации антител мы реализовали два подхода, которые дают высокую плотность покрытия. На базе этих решений созданы модельные тест‑системы (ИХА). Их работоспособность проверили на реальных образцах плазмы и верифицировали результаты с помощью ИФА, — рассказала Ксения Миняйло.

Разработка ученых лаборатории микрофлюидных технологий будет проще в использовании, дешевле в производстве и доступнее как для врачей, так и для пациентов.

Пресс-служба Новосибирского государственного университета

Изображение предоставлены пресс-службой НГУ

Нобелевскую премию по физике 2026 года получил Фрэнсис Халзен (США) за решающий вклад в создание нейтринной обсерватории IceCube и открытие нейтрино высоких энергий астрофизического происхождения. Разбираемся, в чем значение этого открытия и какую роль в этой области физики сыграли советские и российские ученые.

Как уже ясно из формулировки, премией отмечены по сути два результата – как открытие нового типа нейтрино, так и строительство установки класса «мега-сайнз», с помощью которой эти частицы и были обнаружены.

И это объединение их в рамках одной премии вполне заслуженно.

Нейтрино – это незаряженные элементарные частицы, которые почти не взаимодействуют с веществом и поэтому способны проходить сквозь огромные расстояния, не меняя направления и не поглощаясь по пути. Такой длинный пробег позволяет использовать эти частицы для изучения удаленных космических объектов.

«Так как она летела прямолинейно, никуда не отклонялась, можно сопоставить это направление с какими-то астрофизическими объектами и понять, вообще говоря, какие процессы там происходят», - пояснил старший научный сотрудник Института ядерной физики СО РАН, заведующий лаборатории новых методов регистрации ионизирующих излучений Междисциплинарного центра физики элементарных частиц и астрофизики Физического факультета Новосибирского государственного университета, к.ф.-м.н. Евгений Анатольевич Кравченко.

Но в то же время, в силу того же самого почти отсутствующего взаимодействия с окружающим веществом, зарегистрировать их очень сложно - нужен детектор огромного размера.

Но, как известно, «почти» не значит «совсем».  Еще в 1958 году советские физики Павел Алексеевич Черенков, Игорь Евгеньевич Тамм и Илья Михайлович Франк получили Нобелевскую премию за открытие черенковского излучения - свечения, вызываемого в прозрачной среде заряженной частицей, движущейся со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения

А два года спустя другой советский физик Моисей Александрович Марков предложил размещать оптические детекторы глубоко под водой и по черенковскому излучению восстанавливать направление движения частиц.

Предложение Маркова, сделанное на Рочестерской конференции в 1960 году, научным сообществом официально названо концепцией, которая привела к появлению серии подводных и подледных телескопов и в конечном счете – IceCube.

В СССР эта технологий развивалась на Байкале с 1980-х годов. В итоге, байкальская установка НТ-200 стала одним из первых работающих подводных нейтринных телескопов. Официальная история проекта Baikal-GVD сообщает, что первое подводное нейтринное событие было зарегистрировано еще в 1994 году, а в 1996 году байкальский детектор зарегистрировал первые восходящие кандидаты в нейтрино среди подводных установок. И во многом, именно этот успех российских ученых, экспериментально подтвердивших работоспособность идеи Маркова стал импульсом для реализации проекта IceCube.

В толще льда, на глубине от 1450 до 2450 метров были размещены 5160 цифровых оптических модулей с фотоэлектронными умножителями. По времени прихода и интенсивности света в разных точках огромного массива ученые восстанавливают направление движения и энергию частицы, а затем получают информацию о породившем ее нейтрино.

Телескоп достроили в 2010 году, а уже в 2013 году коллаборация объявила об обнаружении высокоэнергетических нейтрино астрофизического происхождения – частиц с энергиями до петаэлектронвольт, пришедших из-за пределов Солнечной системы.

Открытие положило начало нейтринной астрономии, которая может исследовать космические ускорители частиц, недоступные традиционной оптической астрономии. Впоследствии IceCube связал часть высокоэнергетических нейтрино с активными галактическими ядрами и продолжил поиск источников космических лучей.

«Но одновременно эта же большая установка позволяет изучать физические свойства самих нейтрино. И такой результат тоже опубликован. То есть, в этом как раз и проявляется уникальность этого большого детектора, который может занимается не одной задачей, познавая одновременно и микромир, и макромир», - подчеркнул Евгений Кравченко.

Такие исследования продолжаются не только на IceCube, но и на других установках. Как уже говорилось, в России исследователи работают на Байкале. Подводная глубоководная установка НТ-200, которую создавали еще в 1990-е годы стала лишь первым этапом проекта. Полным ходом идет завершение строительства нейтринного телескопа Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector). В настоящий момент активный объем достиг 0,8 кубического километра, что составляет 80% от запланированного.

Как говорится на официальном сайте проекта, Baikal-GVD – один из трех действующих нейтринных телескопов в мире и, наряду с телескопами IceCube на Южном полюсе и KM3NeT в Средиземном море, входит в Глобальную нейтринную сеть (Global Neutrino Network, GNN). Расположен в южной части озера Байкал, примерно в 3,6 км от берега. Представляет собой крупную глубоководную обсерваторию на дне озера Байкал, предназначенную для поиска и исследования потоков нейтрино сверхвысоких энергий из космоса.

Является крупнейшим в Северном полушарии нейтринным телескопом.

«У Байкала есть неоспоримые преимущества, потому что вода более прозрачна, чем лёд. Во льду протекают два конкурирующих процесса при распространении света: поглощение, когда фотоны теряются и рассеяние, когда они теряют своё направление. И в этом плане лёд отличается от воды тем, что у него сильное рассеяние, поэтому различные измерения углов прилёта и регистрация нейтрино на Байкале можно производить с большей точностью, чем на IceCube», - рассказал Евгений Кравченко.

Новосибирские физики тоже активно участвуют в реализации этого проекта. Мы недавно рассказывали, что университетская лаборатория, возглавляемая Кравченко предложила свою разработку для работы важной составляющей байкальского телескопа - наземной станции для регистрации широких атмосферных ливней, работа которой должна быть синхронизирована с системой глубоководных детекторов.

Установку планируют разместить на берегу Байкала примерно в четырех километрах от Байкальского нейтринного телескопа Baikal-GVD и синхронизировать с его глубоководными детекторами. Такое сочетание позволит дополнительно калибровать Baikal-GVD, сопоставлять результаты наземных и подводных наблюдений и получать дополнительную информацию для исследований в области астрофизики и физики элементарных частиц.

Тем временем, команды исследователей, работающих на обоих телескопах, антарктическом и байкальском, уже успешно сотрудничают друг с другом. «Байкал, кстати, подтвердил существование астрофизического нейтрино по своим независимым измерениям. Это было буквально несколько лет назад, и, наверное, этого подтверждения и ждал Нобелевский комитет. Потому что у физиков принято, что результат эксперимента полностью засчитывается только когда он подтверждён независимо еще кем-то», - отметил Евгений Кравченко.

Сергей Исаев

Изображение: Nobelprize.org

Объявлены имена лауреатов Нобелевской премии по медицине и физиологии этого года. Ими стали Карл Дейссерот, Петер Хегеманн и Георг Нагель «за их открытия в области светочувствительных ионных каналов и оптогенетики». В нашем материале мы кратко познакомим с задачами той области науки, которая отмечена премией этого года и достижениями самих лауреатов.

Оптогенетикой называют метод исследования работы нервных клеток, основанный на внедрении в их мембрану специальных каналов – опсинов, реагирующих на возбуждение светом. Если на мозг воздействовать светом с определённой длиной волны, то те нейроны, которые имеют такие каналы, будут активироваться или, наоборот, не смогут генерировать потенциалы действия. Его-то и придумали лауреаты Нобеля-2026.

Ученые еще в прошлом веке вмешивались в работу мозга с помощью электрической стимуляции, фармакологических воздействий и повреждения отдельных областей. Новый метод (оптогенетика) позволил делать это гораздо избирательнее и точнее во времени, изменять активность выбранных клеток в миллисекундном масштабе и наблюдать последствия для нервной системы и поведения, делая выводы о функции конкретных клеток и нейронных цепей.

Создание метода не было одномоментным открытием. Сначала Петер Хегеманн предположил существование необычно быстрого светочувствительного канала, а его группа нашла гены соответствующих белков. Георг Нагель экспериментально показал, что эти белки действительно так и работают, и охарактеризовал быстрый катионный канал ChR2. Карл Дайссерот перенес ChR2 сначала в нейроны, а затем и в живой мозг, превратив это открытие в инструмент управления активностью нейронных популяций. Потому и премию поделили между тремя исследователями.

Что интересно, ученые и пришли к своему открытию из разных областей науки. Петер Хегеманн много лет изучал, как как одноклеточная зеленая водоросль Chlamydomonas понимает, откуда падает свет. Долгое время плотная клеточная стенка водоросли сильно мешала электрофизиологической записи. Пока однажды его группе не удалось получить мутантную линию водоросли с дефектной клеточной стенкой. Именно на этих клетках Хегеманн и его аспирант Хартман Харц смогли нормально регистрировать световые токи.

Реакция водоросли оказалась чрезвычайно быстрой и ответ занимал миллисекунды. Это подтолкнуло Хегеманна к гипотезе, что светочувствительный белок и сам ионный канал могут быть объединены в одной молекулярной системе. Эту гипотезу он выдвинул в то время, когда само существование такого ионного канала было еще не доказано.

Хегеманн пытался выделить предполагаемый белок из глазка водоросли, но вне естественной мембраны такие белки оказывались нестабильными и плохо поддавались изучению. С развитием технологии секвенирования ДНК его группа нашла две последовательности, похожие на гены известных светочувствительных белков, и назвала их Chop1 и Chop2 — channelopsin-1 и channelopsin-2.

Но сходство последовательностей еще не доказывало, что соответствующие белки действительно являются светоуправляемыми ионными каналами. Эту задачу решили эксперименты Георга Нагеля. К тому времени, когда он к ней подошел, Нагель уже много лет специализировался на мембранных белках и ионных токах, изучал родопсины в ооцитах Xenopus laevis — крупных яйцеклетках шпорцевой лягушки.

Хегеманн передал Нагелю клонированные последовательности Chop1 и Chop2. Ученые вводили в ооциты соответствующую мРНК, после чего клетки сами синтезировали белок и встраивали его в мембрану. И в 2002 году команда показала, что Chop1 действительно обеспечивает светозависимую проводимость и сам белок достаточен для работы канала, после чего его переименовали в каналородопсин -1 (ChR1).

Год спустя Нагель, Хегеманн и коллеги охарактеризовали второй белок – каналородопсин -2 (ChR2). Ген, кодирующий белок ChR2, перенесли в клетки почки человека и хомяка, и те становились светочувствительными. То есть один ген был способен превратить другую клетку в объект, электрической активностью которого можно управлять светом.

«Одним из важнейших компонентов оптогенетики можно назвать каналородопсин – светочувствительный белок из зеленых водорослей. Эти ионные каналы нарабатывают в клетках с помощью вирусной доставки. Под действием света они открывают пору для ионов натрия и тем самым манипулируют состоянием нейронов и клеток нервной системы», - прокомментировал изданию «Наука в Сибири» эту часть исследования главный научный сотрудник сектора постгеномной нейробиологии Института цитологии и генетики СО РАН», к.б.н. Дмитрий Ланшаков.

Что интересно, Нагель получал схожий результат и раньше, еще в 1995 году ему удалось добиться, чтобы светочувствительный бактериородопсин работал в яйцеклетке лягушки. Но тогда технология пока не получила такого развития и оптогенетика зародилась восемью годами позже.

Третья часть истории метода связана с нейробиологом и психиатром Карлом Дайссеротом. Работая с пациентами с тяжелыми психическими расстройствами, Дайссерот видел ограничения существующего лечения и хотел понять, как конкретные нейронные цепи создают патологические состояния и поведение. Для этого нужен был способ вмешиваться в работу определенных нейронов в живой системе. Свою исследовательскую философию Дайссерот однажды сравнил со строительством нового инструмента: «Мы хотим построить телескоп, чтобы увидеть часть неба, которую еще никто не видел».

Чтобы найти такой инструмент, он с коллегами тестировал разные белки, способные управлять электрической активностью клетки. Узнав о ChR2, Дайссерот написал Нагелю и получил конструкцию с геном каналродопсина. В 2005 году группа Дайссерота опубликовала работу, показавшую миллисекундное оптическое управление нейронной активностью. Так фундаментальный научный результат, полученный при исследовании поведения водорослей, превратился в инструмент нейронауки.

«Существуют различные способы вирусного введения последовательностей, кодирующих оптогенетические белки, в целевой участок мозга, которые способны обеспечить экспрессию светочувствительного канала. Эксперименты на трансгенных мышах с использованием методов оптогенетики позволяют изучать и регулировать депрессивное и тревожное состояние животных и другие психоэмоциональные проявления, а также более сложные заболевания мозга, такие как болезнь Паркинсона, в том числе и на последних стадиях. Оптогенетика раскрывает новые возможности для исследования человеческого мозга», – подчеркнул Дмитрий Ланшаков.

Новосибирские ученые начали заниматься изучением методов оптогенетики в 2014 году по инициативе руководителя лаборатории функциональной нейрогеномики члена-корреспондента РАН Николая Дыгало. В ИЦиГ СО РАН исследователи проводят эксперименты с помощью доставки оптогенетических каналов аденоассоциированными вирусными векторами.

Как рассказала РИА «Новости» заведующая лабораторией функциональной нейрогеномики ИЦиГ СО РАН, руководитель кафедры физиологии Новосибирского государственного университета Татьяна Калинина, открытие Карла Дейссерота и его коллег приоткрывает и понимание о том, как работает мозг при определенных патологиях. Например, можно выяснить, какие именно нейроны задействованы при возникновении депрессии. Также это открывает путь к загадкам работы человеческой памяти.

«До этого подхода предполагалось, что можно только несколько нейронов сразу активировать или заблокировать. А с помощью этого подхода стало возможным конкретные нейроны в конкретной области мозга активировать или, наоборот, тормозить. То есть появились возможности практически молекулярного управления работой нейронов. Это очень важно», – отметила она.

Оптогенетика позволяет применить разработанный подход далеко за пределами классических экспериментов с нейронными цепями. В 2023 году группа ученых опубликовала в Nature исследование о связи сердца и эмоционального состояния. Ученые заставили кардиомиоциты мышей экспрессировать красночувствительный каналродопсин ChRmine и с помощью носимого источника света могли неинвазивно учащать сердцебиение у свободно движущихся животных. Искусственно вызванная тахикардия сама по себе не создавала выраженного избегания, однако в потенциально опасной обстановке усиливала тревогоподобное поведение. Скрининг активности мозга указал на заднюю островковую кору как на один из участков, обрабатывающих сигналы от сердца, а ее оптогенетическое подавление ослабляло поведенческий эффект тахикардии.

Более того, сегодня оптогенетика стала уже не только научным, но и медицинским инструментом, позволяющим вернуть светочувствительность сохранившимся клеткам сетчатки. В 2021 году первому пациенту с пигментным ретинитом удалось частично восстановить зрение: сохранившиеся клетки сетчатки сделали светочувствительными, а специальные очки преобразовывали изображение в подходящие световые сигналы.

Сергей Исаев

Фото: Nobelprize.org

В этом году Механико-математический факультет Новосибирского государственного университета отпраздновал свое 65-летие. С юбилеем Мехмат поздравили благодарные выпускники, ректоры вузов и деканы математических факультетов со всей Сибири, а также из Москвы и Санкт-Петербурга. Приняли участие в юбилейной программе 25 сентября и представители Института цитологии и генетики СО РАН, выпускники ММФ НГУ, которых связывает с математиками давнее сотрудничество.

В 2020 году ИЦиГ совместно с Механико-математическим факультетом запустили междисциплинарную магистерскую программу для подготовки биоинформатиков, поскольку для работы с большими биологическими данными нужны не только биологи, но и специалисты с хорошей математической базой. Связка биологов и математиков в НГУ достаточно естественна, ведь первым факультетом при открытии Новосибирского государственного университета в 1959 году был Факультет естественных наук, где изначально были объединены все направления – математика, механика, физика, биология, химия и геология. В дальнейшем эти направления переросли в отдельные факультеты и в 1961 году был основан ММФ НГУ.

Заместитель директора по организационной и образовательной деятельности ИЦиГ СО РАН, к.ф.-м.н. и координатор программы Анна Трубачева (выпускник Механико-математического факультета НГУ) отметила, что «в современном мире факультеты НГУ вновь связываются между собой через междисциплинарные проекты и образовательные программы. При этом необходимо всегда помнить, что только грамотное взаимодействие с природой и ее законами позволит нам делать большие открытия в науке».

Кураторами программы являются научные сотрудники ИЦиГ СО РАН – заместитель директора по научной работе ИЦиГ СО РАН, д.б.н. Дмитрий Афонников (выпускник Физического факультета НГУ) и главный научный сотрудник Сектора биоинформатики и информационных технологий в генетике, д.б.н. Сергей Лашин (выпускник Механико-математического факультета НГУ).

Программа «Биоинформатика. Алгоритмы анализа больших биологических данных» была разработана на базе Курчатовского геномного центра ИЦиГ СО РАН в соответствии с требованиями по кадровому обеспечению в области генетических технологий и реализуется в рамках магистратуры ММФ НГУ по направлению «Прикладная математика и информатика». Направления, по которым работают обучающиеся по программе студенты, находятся на стыке математики, информатики, биологии и медицины и связаны с описанием живых систем в базах данных, математическим моделированием, компьютерным анализом и интерпретацией экспериментальных данных, предсказанием новых особенностей организации функционирования живых систем, а также применением методов искусственного интеллекта в науках о жизни.

Сергей Лашин, выступая со своим поздравлением, отметил, что «распространена фраза, с которой обращаются к новичкам – забудьте все, чему вас учили раньше. Мы же напротив, говорим студентам ММФ, когда они поступают на эту программу – все, чему вы научились в университете, теперь вам пригодится». Также он рассказал, что эта магистерская программа пользуется популярностью среди студентов, а среди ее выпускников немало тех, кто сейчас работает по этой специальности как в научных центрах (включая ИЦиГ), так и в высокотехнологичном бизнесе, показывая достойный уровень подготовки.

Фото предоставлены ММФ НГУ