8 февраля — День российской науки. Как выглядят современные российские учёные? Чем они занимаются сегодня, чтобы завтра наша жизнь стала лучше и комфортнее? Мы пообщались с пятью исследователями и попросили рассказать про свои самые интересные разработки. А как развивается российская наука и что ждёт её в будущем — узнали у прогнозиста.
РАЗРАБАТЫВАЮТ БИОПРИНТЕРЫ ДЛЯ ПЕЧАТИ ЧЕЛОВЕЧЕСКИХ ОРГАНОВ
Фёдор Сенатов — кандидат физико-математических наук, директор НОЦ биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС
Фёдор Сенатов и его коллеги занимаются разработками в области биомедицинской инженерии. Сейчас учёные работают над созданием трёх типов биопринтеров, на которых можно будет печатать эквиваленты органов и тканей с использованием клеток человеческого организма:
Гибридный 3D-биопринтер. Уникален тем, что позволит печатать твёрдые и мягкие ткани одновременно, например кость с костным мозгом внутри.
In situ — подвижная роботическая рука с биопринтером «на пальце». Печатает ткани и органы не в лаборатории, а прямо на теле пациента. Может проводить операцию под разными углами и печатать по изогнутой траектории. Имеет сенсоры, которые подстраивают печатающую головку под движения тела пациента — она поднимается на вдохе и опускается при выдохе. Разработку уже успешно испытали на мышах и свиньях.
Магнитно-акустический принтер, который не наращивает биоматериал послойно, как первые два типа принтеров, а формирует его из органических или неорганических частиц сразу со всех сторон с помощью технологии магнитной левитации. Создаёт трёхмерный конструкт из органических или неорганических частиц, в том числе биомиметический эквивалент ткани или даже человеческого органа. Кстати, подобный магнитный биопринтер в 2018 году был доставлен на Международную космическую станцию для проведения экспериментов по 3D-печати живых тканей в невесомости.
Для создания таких 3D-биоконструкций учёные разрабатывают и используют так называемые умные биоматериалы (smart biomaterials). Они могут состоять из живых клеток, природных материалов (например, коллагена) и синтетических материалов. Умные биоматериалы могут обладать памятью формы — то есть сначала печатают изделие одной формы и размера, а внутри пациента оно может самостоятельно изменить форму, подстраиваясь под организм.
ПОМОГАЮТ СДЕЛАТЬ АНАЛИЗ КРОВИ БЕЗБОЛЕЗНЕННЫМ
Аркадий Карякин — доктор химических наук, профессор кафедры аналитической химии химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
Сегодня активно развиваются технологии неинвазивной диагностики, позволяющие оценивать состав крови без болезненного прокола иглой. Это становится возможным благодаря биосенсорам, созданным на основе берлинской лазури. Они выявляют глюкозу в поту, что позволяет судить о её содержании в крови.
Биосенсоры — устройства, которые передают информацию о химическом составе какого-либо объекта разными способами. Например, в форме электрического сигнала. Именно такими электрохимическими биосенсорами и занимается Аркадий Карякин вместе с коллегами. Они научились использовать биосенсоры для медицинской диагностики на глюкозу и лактат. Анализ на лактат позволяет определять эффективность спортивных тренировок с учётом индивидуальных особенностей человека. Неинвазивный способ (без прокола кожных покровов) отслеживания лактата вместо стандартного анализа крови из пальца упрощает и удешевляет процедуру — а значит, она будет доступна не только спортсменам, но и обычным людям, которые занимаются фитнесом. А неинвазивный анализ на глюкозу сильно облегчит жизнь людей с сахарным диабетом, которым приходится контролировать уровень глюкозы в крови несколько раз в день.
Сейчас Аркадий Карякин с коллегами занимается созданием нанозимов — наночастиц, избирательно ускоряющих химические реакции. Их применение в иммуно- и ДНК-сенсорах сделает биосенсоры дешевле и чувствительнее.
ОЧИЩАЮТ СТОЧНЫЕ ВОДЫ ПИВНЫМИ ДРОЖЖАМИ, А ПОЧВУ — СПЕЦИАЛЬНЫМИ РАСТЕНИЯМИ
Инга Зиньковская — доктор химических наук, начальник сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка Объединённого института ядерных исследований.
Инга со своими коллегами занимается экологическими исследованиями, используя метод нейтронно-активационного анализа. Одно из направлений её работы — очистка сточных вод. Сегодня в реки и водоёмы попадает огромное количество плохо очищенных сточных вод с промышленных предприятий. Задача Инги и её коллег — предотвратить загрязнение окружающей среды, предложив методы очистки стоков на производстве. Для этого используются экономически выгодные сорбенты, взятые из окружающей среды, — микроорганизмы, бактерии, цианобактерии и дрожжи. Например, пивные дрожжи, которые остаются в виде отходов при производстве пива. Их можно получать бесплатно и применять в очистке воды от таких тяжёлых металлов, как никель, цинк, хром, медь и другие. Пивные дрожжи аккумулируют тяжёлые металлы, позволяя снизить их концентрацию в стоках до предельно допустимых значений или даже ниже.
Второе направление работы Инги — исследование загрязнения воздуха при помощи мхов и лишайников. У этих растений плохо развита корневая система, они почти ничего не накапливают из почвы и питаются атмосферными осадками — поэтому отлично подходят для оценки экологического состояния воздуха на больших территориях. По результатам таких исследований, проводимых во многих странах мира, в том числе в России, издаётся атлас атмосферных выпадений тяжёлых металлов.
Также Инга занимается биоремедиацией почв — очисткой от вредных пестицидов, удобрений и тяжёлых металлов с помощью растений гипераккумуляторов. Такой метод биоремедиации может применяться на больших территориях и считается экономически выгодным и эффективным.
БОРЮТСЯ С ДИАБЕТОМ И ПЫТАЮТСЯ ОСТАНОВИТЬ ЭПИДЕМИЮ ОЖИРЕНИЯ
Марина Шестакова, учёный-медик, академик РАН, директор Института диабета Национального медицинского исследовательского центра эндокринологии Министерства здравоохранения РФ
Хорошо известно, что ожирение — основной фактор риска развития сахарного диабета 2-го типа (СД2). Однако около 30% лиц с крайне выраженным (морбидным) ожирением не заболевают СД2 даже при длительном анамнезе ожирения. Это может означать, что существуют некие механизмы, защищающие и, наоборот, предрасполагающие к развитию СД2, в том числе на уровне самой жировой ткани.
Марина и её команда решили «расшифровать» факторы, защищающие людей с ожирением от развития диабета, чтобы в будущем можно было создать лекарственные препараты, предупреждающие появление этой болезни.
Было проведено исследование с участием 90 человек с морбидным ожирением. В него вошли люди как с диабетом, так и без него. Для анализа учёные взяли жировые клетки испытуемых и обнаружили, что у больных с диабетом клетки увеличены в размерах, переполнены жиром, воспалены, инфильтрированы клетками иммунной системы (лимфоцитами и «плохими» макрофагами). У таких людей потеряна способность к образованию новых жировых клеток, а это значит, что весь поступающий с едой жир начинает накапливаться не в жировой ткани, а проникает во внутренние органы — печень, поджелудочную железу, почки, мышцы, сердце, нарушая их функции. Это и приводит к развитию диабета. Виноваты в этом в том числе и гены, которые потеряли способность увеличивать депо подкожной жировой ткани. Учёные пришли к выводу, что помочь таким людям не заболеть диабетом можно, активировав определённые гены в организме.
Сегодня Марина Шестакова с коллегами продолжают проводить исследования, цель которых — остановить эпидемию ожирения и помочь тем, кто уже болеет, вернуть здоровье и сохранить их результаты.
ПЕРЕДАЮТ ЭНЕРГИЮ БЕЗ ПРОВОДОВ С ПОМОЩЬЮ МЕТАПОВЕРХНОСТЕЙ
Полина Капитанова, старший научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО
Полина Капитанова и её научная группа разработали технологию беспроводной передачи энергии с помощью метаповерхностей. Это искусственно созданные плоские поверхности с уникальными электромагнитными свойствами. Предложенный резонатор на основе метаповерхности позволяет создавать равномерное магнитное поле. Он может быть использован в составе передатчика и без проводов и адаптеров заряжать сразу несколько электронных устройств. Представьте: вы кладёте на стол смартфон, наушники, планшет или любые другие гаджеты — и они заряжаются. Причём все одновременно.
Не так давно разработка Полины и её команды была использована при создании уникальных шахмат со светящимися фигурами. Этот прототип был сделан для наглядной демонстрации интерактивной подсветки. Как только фигуры оказываются на шахматном поле, они загораются зелёным или синим цветом. Это происходит благодаря светодиоду, который подсвечивает фигурки изнутри. Энергия к светодиодам подводится беспроводным методом — в шахматную доску встроен передатчик на основе метаповерхности. Такие шахматы — уникальный пример, как энергия от одного передатчика передаётся на 32 приёмника одновременно с одинаковой эффективностью.
Уже сейчас метаповерхности находят применение в самых разных сферах: медицине, связи, энергетике и оптике.
Что происходит в российской науке сейчас и что ждёт её в будущем?
Александр Чулок, доктор экономических наук, российский прогнозист, международный эксперт Программы развития ООН по форсайту, директор Центра научно-технологического прогнозирования Института статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ
Несмотря на определённые усилия, наблюдаемые в последние годы, доля затрат на науку в ВВП не превышает 1%, по данным ИСИЭЗ НИУ ВШЭ, в то время как за рубежом этот показатель в два-три раза выше. Наши позиции на глобальных исследовательских фронтах не превышают 5% на фоне присутствия США или Китая в 66% и 51% соответственно. Ресурсные возможности отечественной науки всё ещё позволяют сделать рывок, но распорядиться ими надо очень продуманно, концентрируясь не только на решении сиюминутных задач, но и ориентируясь на будущее. Например, в топ-20 фронтиров мировой науки, которые ИСИЭЗ НИУ ВШЭ определил с использованием анализа больших данных iFORA, входят области потенциальных конкурентных преимуществ отечественной науки — клеточные и геномные технологии, мембраны, искусственный интеллект и машинное обучение.
Задавая вопрос, как российская наука должна развиваться, важно понимать, к какому облику будущего мы хотим прийти. Для этого нужен классический форсайт, позволяющий объединить разных стейкхолдеров, междисциплинарные направления исследований вокруг формирования желаемого образа будущего.
Форсайт — процесс систематической научно обоснованной оценки перспектив будущего науки, экономики и общества, природы с учётом глобальных трендов, внутренних заделов и вовлечением всех стейкхолдеров, формирующих будущее.
А дальше — искать возможные ориентиры. Сегодня нам нужна национальная инновационная система нового уровня, сформированная на базе экосистемного подхода и с опорой на аналитику больших данных. Также важно провести инвентаризацию ориентиров — от глобальных вызовов до целей устойчивого развития сквозь призму наших национальных задач. Где-то они будут совпадать с мировыми — например, для нас сейчас особенно актуально обеспечение технологического суверенитета, социальной стабильности, освоение труднодоступных территорий, включая Арктическую зону, проблема таяния ледников. И важно поддерживать научные связи с партнёрами из других стран, потому что для науки границ не существует.
Подписывайтесь на наш телеграм-канал — там больше интересного.
