«Внутренний врач» для лечения диабета

Одна из самых впечатляющих разработок года появилась в хайфском Технионе. Группа профессора Шади Фараха в сотрудничестве с исследователями MIT, Гарварда, Университета Джонса Хопкинса и других американских исследовательских центров разработала «живой имплант» для лечения диабета первого типа.

Одна из самых впечатляющих разработок года появилась в хайфском Технионе. Группа профессора Шади Фараха в сотрудничестве с исследователями MIT, Гарварда, Университета Джонса Хопкинса и других американских исследовательских центров разработала «живой имплант» для лечения диабета первого типа.
 

Идея на первый взгляд проста: в организм помещают живые клетки, способные вырабатывать инсулин. Они сами реагируют на уровень глюкозы: когда сахар повышается, выделяют инсулин, когда снижается — уменьшают его выработку. Тогда, теоретически, человеку больше не понадобятся ни ежедневные инъекции, ни постоянно работающая инсулиновая помпа. Но проблема, которую много лет никто не мог решить, была в другом: иммунная система воспринимает пересаженные клетки, как чужие, и уничтожает их. Чтобы этого избежать, иммунитет подавляли лекарствами, и тем создавали множество новых рисков. Как говорится, «одно лечат — другое калечат». А команда Фараха создала так называемый «кристаллический щит». Специальное вещество создает локальную защиту только вокруг импланта, не отключая иммунную систему всего организма.

Человеческие клетки превратили в компьютеры

В Еврейском университете в Иерусалиме пошли еще дальше: ученые научили человеческие клетки выполнять логические операции, похожие на те, которые лежат в основе работы обычного компьютера. Разумеется, клетка не будет запускать Windows или подсчитывать банковский баланс. Речь идет о другом виде вычислений. Представьте себе клетку, которую можно запрограммировать так: если обнаружен такой-то набор признаков — произвести определенное лекарственное вещество. А в других случаях ничего не делать.

 

В электронике это называется логической схемой. Именно простейшими операциями «И», «ИЛИ» и «НЕ» оперируют компьютерные процессоры. Команда Лиора Нисима из Еврейского университета создала аналогичные генетические схемы внутри клеток млекопитающих. Более того, им удалось построить биологические аналоги электронных схем, выполняющих сложение двоичных чисел, а также «мультиплексор», способный выбирать один сигнал из нескольких. Такая клетка может самостоятельно анализировать несколько биологических признаков болезни и принимать решение, нужно ли вмешиваться и как. Предотвращать на ранних стадиях таким образом собираются онкологичкеские болезни, нарушения обмена веществ и аутоиммунные заболевания.

Насос без мотора, способный добывать литий из моря

4.  

В Тель-Авивском университете, совместно с Калифорнийским, создали «водяной насос без насоса». В устройстве нет ни поршня, ни других движущихся деталей. Тем не менее, оно способно заставлять ионы в жидкости двигаться в заданном направлении. А во время демонстрационного эксперимента система понизила содержание соли в воды на 50%.

Опреснение — только одно и наиболее очевидное применение разработки. Руководители проекта профессор Гидеон Сегев из Тель-Авивского университета, и профессор Шейн Ардо из UC Irvine считают, что в перспективе подобные мембраны можно научить выбирать определенные ионы. Тогда один «насос» будет извлекать из воды тяжелые металлы, другой — очищать промышленные стоки, третий — помогать перерабатывать аккумуляторы, и т.д. Одна из самых заманчивых перспектив — извлечение лития из морской воды: он нужен для производства аккумуляторов, однако его месторождений в мире немного.

Материал, который сам решает математические задачи

Пожалуй, самая необычная работа в этой пятерке принадлежит ученым, профессору Яиру Шокефу и Томеру Сигалову, из Тель-Авивского университета, и Венфэну Лю и Корентену Куле из Амстердамского. Они создали физические метаматериалы, которые могут… самостоятельно выполнять математические операции.
 

Метаматериал — это конструкция, свойства которой определяются не столько веществом, из которого она сделана, сколько ее внутренней геометрией. Представьте себе сетку из соединенных элементов, некоторые из которых при нажатии способны свободно складываться определенным образом? Ученые использовали эти деформации для вычислений. Они показали, что правильно спроектированная механическая конструкция сама способна физически выполнить операцию умножения матрицы на вектор — одну из базовых математических операций, постоянно используемых в инженерных расчетах, обработке данных и работе искусственного интеллекта.

Иными словами, вместо того чтобы сначала измерить воздействие на конструкцию, отправить данные компьютеру, произвести расчет и затем дать команду механизму — можно заставить сам материал этого механизма сразу выдавать нужный результат, деформируясь в нужную форму. Научное направление, в котором вычисления могут происходить непосредственно внутри физического объекта, получило название «mechanical computing». В будущем подобные материалы могут использоваться в мягкой робототехнике и устройствах, которым необходимо принимать простые «решения» непосредственно в момент воздействия на них (например, в бамперах автомобилей).

Антитела научились эффективно доставлять внутрь клеток

Антителами сегодня лечат онкологические, воспалительные и аутоиммунные заболевания. Но у них есть серьезное ограничение: большинство из них не способно самостоятельно проникнуть внутрь клетки, и действуют только на ее поверхности. Хотя именно внутри клеток находятся многие белки, непосредственно участвующие в развитии рака, болезни Паркинсона и других заболеваний.

Международная команда из Тель-Авивского университета, Техниона и Корнеллского университета нашла способ обойти этот барьер. Ученые временно изменяют внешние свойства полноценного антитела — образно говоря, надевают на него «маскировку», после чего упаковывают его в липидную наночастицу, и настраивают ее так, чтобы она преимущественно попадала в нужный орган или тип клеток. Оказавшись внутри, антитело освобождается и снова обретает способность связываться со своей мишенью.

Читайте также: «Теневые короли Израиля», с желаниями которых вынуждены считаться все

В раковых клетках антитела смогли воздействовать на белки, участвующие в воспалении и развитии опухолей. В борьбе с болезнью Паркинсона тоже достигнут прогресс, но исследование еще на доклинической стадии. Но сама возможность доставить полноценное антитело внутрь клетки открывает перед медициной огромное количество возможностей.

Будущее уже на пороге

У всех этих работ есть общая черта: ученые постепенно стирают границы между привычными нам категориями. Клетка превращается то в компьютер, то в фабрику лекарств, материал становится вычислительным устройством, а имплант — «внутренним медиком», самостоятельно реагирующим на изменения в организме.