Вестники будущего. Топ-12 инноваций, которые меняют нашу жизнь прямо сейчас

Современные технологии дают надежду на победу над раком, приглашают в космические путешествия, открывают новые математические пространства и освобождают от необходимости сдавать экзамены по вождению.

Разработки в области медицины, микробиологии, генной инженерии, освоения космоса и новых вычислительных методов могут принципиально изменить устоявшееся восприятие того, в каком направлении двигается цивилизация. И они уже трансформируют мир: благодаря реализованным идеям ученых будущее буквально врывается в день сегодняшний.

Человечество надеется на позитивные перемены и инвестирует в них: сфера инноваций ежегодно привлекает около $ 1,7 трлн, подсчитали во Всемирной организации интеллектуальной собственности.

НВ с помощью экспертов определил 12 инноваций, которые меняют нашу жизнь уже сейчас.

Полимеразная цепная реакция

Наибольшее влияние на развитие молекулярной генетики и биотехнологий за последние годы оказала технология циклического копирования ДНК — полимеразная цепная реакция (ПЦР). Если 40 лет назад расшифровка и детальное изучение одного гена могли потребовать пять лет работы и приравнивались к защите диссертации, то сегодня ПЦР-тест обнаруживает присутствие специфических генов корона­вируса в организме человека в течение суток.

В мире созданы огромные базы данных расшифрованных последовательностей геномов, включая геномы штаммов коронавируса. И каждый житель планеты имеет возможность в реальном времени сравнивать эти последовательности в открытом доступе. Так, ученые уверенно могут отличить новые штаммы от ранее описанных, «прочитать» все изменения и объяснить причины эволюции каждого генома. «Метод ПЦР практически спас человечество от различных эпидемий, к которым мы мало были готовы, — заявляет Наталья Шульга, биолог и основатель Украинского научного клуба. — Определение вирусов стало огромным подспорьем в их лечении».

Ежедневно эта инновация применяется почти в каждой биологической лаборатории, клинике и используется для всех биоинженерных, большинства диагностических и биотехнологических работ. Кроме того, ПЦР вызвала бум в развитии оборудования и устройств: по ряду оценок, объем связанной с ней индустрии диагностики составляет более $ 5,65 млрд и каждый год только растет.

Бионические протезы

Критически важной инновацией в биомедицине эксперты считают создание бионических протезов, которые используют высокоточные технологии в хирургии, биоэлектронные устройства и новые композитные материалы.

Сочетание достижений из разных областей исследований — биологии, медицины, электроники и материаловедения — позволили создавать протезы, которые не просто замещают потерянный орган или конечность, но и возвращают человеку ощущение присутствия утраты и полного контроля над протезом.

В случае использования бионической конечности пациенты отмечают отсутствие фантомных болей и полный возврат функции — все это позволяет даже полноценно заниматься спортом.

Серийно подобные устройства в 2007 году стала выпускать британская компания TouchBionics. Ее продукция достаточно широко используется в медицине для помощи инвалидам, однако из‑за небольшого спроса и малой конкуренции даже простой бионический протез стоит порядка $ 25 тыс. — без учета установки и последующей реабилитации.

Иммунотерапия рака

Проблемы лечения раковых образований связаны с тем, что перерождение больной клетки может произойти в любом месте при нарушении регуляции ее генома.

Такие нарушения происходят ежедневно, но иммунная система способна распознавать и уничтожать их. Однако со временем раковые клетки могут победить этот механизм и тогда остановить рак очень трудно.

Использование иммунологических подходов для сдерживания размножения раковых клеток за последние 20 лет показало хорошие результаты.

Это все еще дорогой метод, поскольку требует высококачественных лабораторий и массовых стерильных иммунологических производств. Стоимость процедуры — $ 5−10 тыс. У пациента берут раковые клетки и воспроизводят специфические антитела к ним, которые возвращают в организм человека. Те распознают больные клетки и запускают механизм их уничтожения. Метод является безболезненным, нетоксичным и долгосрочным.

Редактирование генов

Молекулярный «скальпель» CRISPR Cas9 — мощный инструмент редактирования геномов. Основа для него — это особые генетические последовательности в бактериях, с помощью которых можно корректировать клетки даже высших организмов, то есть людей. В начале 2013 года несколько групп ученых показали, что системы CRISPR позволяют лечить наследственные заболевания.

Для этого нужно исправить информацию, возбужденную мутацией. Большинство подобных хворей вызваны изменением только одной «буквы» ДНК, а всего в геноме человека их 6 млрд — это тысячи книг размером с Войну и мир. Ученые должны найти «опечатку» и исправить ее в заданном месте, не изменив ничего больше. Это и есть задача геномной медицины.

Чтобы излечить «неправильный» ген, нужен точнейший молекулярный «скальпель», который найдет мутантную последовательность и удалит ее из ДНК. Им и является CRISPR.

С его помощью можно лечить «простые» генетические заболевания: гемофилию, муковисцидоз, лейкемию. «Это полностью меняет подход к лечению болезней человека и сравнимо с первым полетом в космос», — говорит Татьяна Булыгина из Института микробиологии о редактировании генов.

Благодаря CRISPR ученые смогли удалить из человеческого эмбриона дефект ДНК, ответственный за болезни сердца, — уникальную процедуру провела команда исследователей из США и Южной Кореи.

В той части истории с редактированием генов, которая касается человека, много противоречивых этических моментов, но удаление «информации» о наследственной болезни из ДНК — это прорыв, важный для всего человечества. Потенциально такая технология позволит «очистить» гены всех людей от заболеваний, передающихся по наследству. Кроме того, технология CRISPR уже перевернула американский аграрный сектор, позволяя создавать семена, растения из которых крайне устойчивы к любой непогоде и дают хорошую урожайность.

Выращивание и пересадка новых органов

У новорожденных детей относительно часто (один случай на 6−12 тыс.) встречается микротия — недоразвитие ушной раковины, которое может вызвать сильное ухудшение слуха. Более того, иногда слуховой проход оказывается полностью закрытым, что вызывает еще большие проблемы.

Исследователям из Шанхайского университета Джао Тонг удалось в ходе эксперимента успешно пересадить пяти детям уши, которые были выращены из их собственных хрящевых клеток.

Методика включает в себя сканирование здорового уха и разработку его зеркальной модели. Затем создается форма, заполненная особым биоматериалом и усеянная крошечными отверстиями. Из ткани недоразвитой ушной раковины выделяются клетки, которые помещают в поры полученной формы. Во время роста хрящевой ткани материал внутри формы разрушается, а за 12 недель клетки образуют полноценную ушную раковину, которая заменяет недоразвитую. Прооперированные дети будут в течение пяти лет регулярно проходить осмотры у медиков для подтверждения того, что новое лечение действительно эффективно.

Изучение флоры кишечника

Проект MetaHIT получает финансирование от Европейской комиссии и объединяет 15 институтов из восьми стран, занимающихся «переписью населения» кишечника человека — среды обитания многих бактерий.

Их видовое разнообразие ученые пытаются изучить, используя методы генетического анализа. От 70 % до 80 % бактерий, населяющих кишечник человека, не поддаются культивированию и размножению в лабораторных условиях, поэтому проект MetaHIT изучает их наследственный материал. Основная цель проекта — установить связи между генами микробиоты кишечника человека, человеческим здоровьем и болезнью. Ученые сосредоточены на двух расстройствах, имеющих все большее значение в Европе: воспалительных заболеваниях кишечника и ожирении.

Исследователи расшифровывают нуклеотидные последовательности молекул ДНК. Речь идет о множестве одноклеточных организмов, а это сотни видов бактерий и миллионы генов. Ведь микробы человеческого кишечника — это до 10 триллионов клеток общим весом 2 кг, что превышает массу нашего мозга.

Выявление связи между бактериальными генами и людскими болезнями поможет разработать новые диагностические и прогностические инструменты для профилактической и персонализированной медицины.

Искусственная еда

Настоящий прорыв в food tech — активно развивающейся индустрии пищевых технологий — получился у американской компании Beyond Meat: ей удалось сделать мясо на растительной основе, которое по вкусовым качествам не отличается от настоящего. Продукты Beyond Meat разошлись по всему миру, а компания вышла на Нью-Йоркскую фондовую биржу, произведя там настоящий фурор.

Сейчас растительное мясо уже можно найти на прилавках украинских магазинов и в ресторанах.

Теперь же появилось множество небольших стартапов, которые продолжают искать собственные способы превращения растительных компонентов в продукт, неотличимый от мяса. Так, швейцарская компания Planted разработала искусственную курятину и уже начала продавать ее ресторанам. Особо заинтересованы в этой технологии жители Азии, ведь население этого региона растет с большой скоростью. А малайский стартап Phuture Foods намерен накормить всю Азию «свининой» из грибов, бобов и пшеницы.

Другие компании собираются выращивать в пробирке рыбу и морепродукты, воспроизводить фактуру которых проще. Технология может стать заменой традиционному рыболовству, которое сталкивается с последствиями перелова рыбы и климатических изменений. Не забыты и вегетарианцы — компания Good Catch уже предложила покупателям аналог тунца из бобовых и водорослей.

И вовсе фантастической выглядит разработка компании Air Protein, которая предлагает не­обычный способ производства мяса из пробирки. Она намерена добывать белки мяса буквально из воздуха — точнее, из углекислого газа, который уловят и переработают особые микроорганизмы.

Квантовый компьютер

Идею квантового компьютера предложили несколько ученых, среди которых был Ричард Фейнман. В 1980‑х исследователи заметили, что квантовая физика позволяет существенно расширить возможности такой машины. Квантовый объект принимает не одно из двух состояний, а оба одновременно, и это дает возможность выполнять вычисления сразу во множестве параллельных вселенных. В то время как обычный компьютер использует алгоритмы, каждый из которых может быть в двух состояниях: 0 или 1.

Первые разработки квантовых компьютеров пришлись на начало 2000‑х. Однако так и не была решена важнейшая задача — отрасль не могла предложить такую конструкцию кубита [квантовый разряд, или наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере], чтобы его квантовое состояние не разрушалось случайными помехами во время вычисления. Лишь в 2019 году устойчивость кубитов повысили настолько, что Google объявил о достижении «квантового превосходства», — это понятие определяет границу, за которой квантовой компьютер решает задачу существенно быстрее классического компьютера.

По заявлению Google, на тестируемую ими задачу у простого ПК ушло бы 10 тыс. лет. И хотя IBM оспорила это утверждение, сказав, что на такое решение классический компьютер потратит лишь 2,5 дня, прорыв был зафиксирован.

Квантовые компьютеры принципиально изменят подход к вычислениям и помогут развивать полноценный искусственный интеллект.

Самоуправляемый автомобиль

Автопилот — не новость, ведь эта технология давно апробирована в авиаиндустрии. Но сейчас производители разрабатывают новые методы управления наземной машиной без вмешательства человека. И автопилот вышел на четвертый уровень, что означает практически полностью автономное вождение с небольшими ограничениями: например, снабженный им автомобиль может ехать только по размеченной дороге. Технически, при наличии хорошего по качеству полотна дороги, разметки, знаков, GPS-трекинга и высокодетализированных карт он способен полностью заменить водителя.

Коронавирус ускорил внедрение автопилотов для грузового и общественного транспорта, который сможет передвигаться по регламентированным маршрутам и выделенным трассам. Скорее всего, вскоре на автобанах будет полоса для машин, управляемых автопилотом.

Следующий — пятый — уровень сделает реальностью полностью автоматическое вождение. Так, компания Nissan работает над технологиями управления машиной при помощи мысленных команд. Отдельную программу разработки самоуправляемых автомобилей имеет компания Alphabet [материнский холдинг Google], а в Tesla заявляют, что ее электрокары с автопилотом скоро поступят в продажу и станут основным продуктом компании.

Новый Хаббл

В следующем году команда инженеров NASA и компании Northrop Grumman планирует запустить в космос инновационный телескоп Джеймса Вебба (JWST). Он позволит выявить свет первых звезд и галактик, сформированных после Большого взрыва, а также изучить формирование и развитие звезд, планетных систем и происхождение жизни.

Аппарат должен выяснить, как выглядели галактики во временном периоде, начиная с 400 тыс. лет после Большого взрыва до 400 млн лет после Большого взрыва. «Ожидается, что новый телескоп перевернет наше представление о природе Вселенной», — говорит Дарья Доброчеева, научный работник Главной астрономической обсерватории НАН Украины.

Телескоп сможет обнаружить относительно холодные экзопланеты (на них возможно возникновение жизни) с температурой поверхности, практически равной земной. В зону его подробного наблюдения попадут более двух десятков ближайших к Солнцу звезд.

А инфракрасные инструменты JWST используют для изучения вод­ных миров Европы (спутник Юпитера) и Энцелада (спутник Сатурна) — там станут искать метан, метанол, этан, то есть признаки существования условий для развития различных форм органической жизни.

Корабль для покорения Марса

Второе десятилетие XXI века, похоже, ознаменуется покорением планет Солнечной системы. Хотя на главный вопрос — есть ли жизнь на Марсе? — пока ответить не удалось: сейчас ученые исследуют эту планету дистанционно.

Но вскоре земляне смогут заняться своими исследованиями на месте благодаря миссии Илона Маска, вознамерившегося послать на Красную планету пилотируемый космический корабль. Сейчас этот аппарат — Starship — проходит тесты. Его разработка стартовала в 2010 году, когда команда Маска представила первые проекты ракет-носителей большой грузоподъемности Falcon. Через два года создали проект двигателя Raptor, предназначенный для Starship, а в 2014‑м прошли его первые испытания.

Свой корабль Маск намерен отправить на Марс в 2022 году с грузом, а в 2024‑м — уже с экипажем.

Эксперты предполагают, что вскоре между Землей, Луной и Марсом будет курсировать целый космический флот, а путь на Красную планету займет не более 150 суток. Президент США Дональд Трамп уже заявил о создании космических вооруженных сил, которые будут отстаивать интересы его страны в космосе.

Волшебный графен

Двухмерный графен — материал из графитовой пленки толщиной всего лишь в один слой атомов углерода — открыли в 2004 году. Но только в последние годы ученые начали творить с его помощью настоящие чудеса.

Итальянские исследователи из Университета Тренто и их коллеги из Центра по разработкам с использованием графена Кемб­риджского университета смогли «накормить» графеном пауков, после чего те стали производить паутину, которая оказалась в несколько раз прочнее обычной. Подобным образом действовали и китайские исследователи: скормив графен шелкопряду, они получили прочную шелковую нить, которая проводит электричество. С ее помощью можно буквально внедрять в одежду носимую электронику — наушники, телефоны и так далее.

Графену пророчат большое будущее: из него начнут делать суперпрочные материалы и будут использовать в умных контактных линзах, настенных покрытиях, в биосенсорах и нейроинтерфейсах. А производители обуви и спортивных товаров смогут выпускать носки и стельки, распознающие силу давления в той или иной области подошвы благодаря графену.

Объем рынка графеновых технологий, по прогнозам, вырастет за несколько лет в сотню раз.

Кто помогал НВ в составлении рейтинга инноваций: Татьяна Булыгина, научный работник Института микробиологии и вирусологии им. академика Заболотного НАН Украины; Дарья Доброчеева, научный работник Главной астрономической обсерватории НАН Украины; Яна Ибрагимова, основатель CAPS Business School; Елена Ливинская, биолог; Алекс Лисситса, президент ассоциации Украинский клуб аграрного бизнеса; Евгений Найштетик, основатель Lorton Investments, инвестиционной компании в области медицинских и биологических стартапов; Александр Снидалов, вице-президент софтверной компании Ciklum; Сергей Шарапов, заведующий лабораторией в Институте теоретических исследований им. Боголюбова НАН Украины; Наталья Шульга, основатель Украинского научного клуба; Рауль Чилачава, журналист и ведущий проекта Две лошадиные силы.

Читайте этот материал в свежем номере журнала НВ — № 21 от 5 июня 2020 года.

Источник: nv.ua