Год чешской науки в мировом масштабе
Непростой 2020 год выдался весьма плодотворным для чешских ученых. Они осуществили целый ряд открытий и изобретений, как связанных, так и не связанных с главной темой года – коронавирусом. В нашем специальном выпуске мы познакомимся поближе с некоторыми из них.
Освоение космоса является одной из ярких и благодарных тем для научных открытий на протяжении последних десятилетий. Важнейшую роль в этом играют спутники.
Чешский «мозг» для европейских космических ракет
Чехия расширяет сотрудничество с Европейским космическим агентством. Возглавляемая Петром Капоуном компания S.A.B. Aerospace s.r.o. из Брно подключилась к разработке специализированного компонента для ракеты Ariane 6. Вместе с двумя партнерскими отечественными фирмами брненская компания разрабатывает «секвенсор», позволяющий на орбите без риска столкновения запускать большое количество спутников практически одновременно.
– Раньше ракеты доставляли на околоземную орбиту по 2-4 спутника. Этим процессом всегда управлял бортовой компьютер. Однако сегодня речь идет о размещении на космической орбите за один отрезок времени сразу десятков спутников, что значительно сложнее и компьютер не всегда справляется с этой задачей безошибочно. Дабы исключить сбои, выдача приказа осуществляется через «секвенсор» – «маленький мозг», контролирующий запуск спутников», – рассказывает Петр Капоун.
Получив собственный приказ от бортового компьютера «секвенсор» далее снимает с него нагрузку и самостоятельно начинает операцию запуска каждого конкретного спутника.
Именно в этом и заключается причина нашего успеха в тендере. Предложенную технологию мы неофициально называем – «метод комода». Представьте себе шкафчик с десятью расположенными над собой выдвигающимися ящичками, каждый из которых управляет 3-4 спутниками, – поясняет глава компании.
Одна выгода системы заключается в том, что при наличии на ракете 20, 30, 50 или 100 разных спутников, их запуском на орбите будет управлять единственный компьютер. Изменяться будет только количество установленных «ящичков». Второй положительный аспект – если один «ящичек» сломался, то на работу остальных сбой не повлияет.
Оставшиеся спутники без задержки будут размещены на орбите. Дополнительный бонус – экономия энергии. Это сокращает и общие финансовые расходы.
Чешская Республика, по мнению Петра Капоуна, хотя это обстоятельство способно многих удивить, располагает большим потенциалом для успешной работы в космической отрасли.
У нас есть техническая база и большой опыт работы в сфере авиапромышленности, а там уже до космоса рукой подать. Недостает лишь мелких ноу-хау. Подспорьем развития является также высокий уровень университетского технического образования в стране, – уверен руководитель чешской компании S.A.B. Aerospace s.r.o., получившей в августе 2019 года самостоятельность в рамках холдинга S.A.B.
Компания S.A.B. Aerospace связана с разработкой и производством диспенсера для ракеты Vega, а также части модуля Carrier Modul в рамках проекта ExoMars 2020. Причастна компания к работам над компонентами установки по тестированию и доставке биологических образцов на МКС.
Фирма также принимает участие в конструировании несущего модуля зонда Plato, который в 2026 году должен быть запущен с целью поиска и сбора данных о планетах вне Солнечной системы.
Главная тема ушедшего года – пандемия коронавируса. Новое заболевание, затронувшее практически все сферы жизнедеятельности человека по всему миру, стало толчком к многочисленным открытиям, помогающим защититься от него. Внесли свою лепту и чешские ученые, изобретя специальную бумагу, которая уничтожает бактерии и вирусы.
Чешская бумага нокаутирует SARS-CoV-2
Новая реальность, продиктованная пандемией коронавируса, заставила весь мир начать отказываться от наличных денег. Вирус комфортно чувствует себя на поверхностях, превращая купюры в разносчик опасной заразы. Врачи посему настоятельно рекомендуют отказаться от денежных знаков и уменьшить риск, перейдя на бесконтактные способы оплаты. Чешские ученые, однако, изобрели специальную бумагу, которая уничтожает бактерии и вирусы и может быть использована для производства банкнот, чеков, а также надежных медицинских масок. Поскольку она успешно и главное быстро уничтожает даже SARS-CoV-2, они назвали ее «антиковидной бумагой».
В разработке принял участие производитель ценных видов бумаги и картона
Для достижения результата ученым из Академии наук ЧР понадобилось пять лет. Особая бумага способна справиться с микробами в течение одной минуты. Уничтожение нового типа коронавируса происходит несколько медленнее.
— Одновременно такая бумага защищает от широкого спектра бактерий, таких как MRSA, золотистый стафилококк, вызывающий сложно излечимые заболевания у людей,
— сообщил Михаэл Брода, директор компании SPM–Security Paper Mill, которая участвовала в разработке. По мнению Броды, технология применима также для производства рецептов или обоев для больничных палат.
SPM является основным и старейшим производителем ценных и специальных видов бумаги и картона в Чехии и Словакии. Компания была основана в 1997 году чешскими акционерами и является продолжателем более чем полувековой традиции выпуска ценных бумаг в стране. Основная часть продукции идет на экспорт и присутствует на самых передовых рынках ЕС.
Защитные свойства сохраняются на протяжении всего срока службы бумаги
В течение одной минуты с ее поверхности исчезает до 99 процентов микробов, – рассказал руководитель группы разработчиков Иржи Собек из Института химических процессов Академии наук Чехии. Собек принес с собой на «Чешское Радио» образец «волшебного» наполнителя в виде мелкого порошка белого цвета. Это и есть искомый революционный компонент?
— Да, перед нами — высокоэффективный наполнитель, который добавляется в бумагу. Сейчас я открою пакетик, чтобы вы могли убедиться, насколько этот порошок гладкий. Он выглядит почти так же, как гладкая мука. На такой бумаге также можно писать, ее можно окрашивать, и при всех своих качествах она не распадается на слои. С точки зрения химического состава основу составляет оксид цинка ZnO, который в мире используется для производства специальной бумаги. В нашей бумаге закреплены наноструктурированные комплексы цинка и серебра, которые способны обезвреживать вирусы, бактерии и дрожжевые грибки на протяжении всего срока службы бумаги, — рассказал о технологии нового писчего материала, который способен сослужить добрую службу также в другом качестве, Иржи Собек.
До сих пор подобные методы применялись лишь на поверхности бумаги, на которую наносился защитный слой. Однако его компоненты изменяли свойства бумаги: печать становилась менее качественной, слой вскоре утрачивал свою способность инактивации бактерий.
— Особенность систем, созданных наноструктурами, заключается в том, что они инактивирует бактерии и вирусы и в то же время они не выделяются из бумаги. Это делает бумагу безопасной для кожи человека.
Возможности многоролевого замещения
Согласно некоторым исследованиям, на таких поверхностях как картон коронавирус может сохраняться до 24 часов. Тесты чешского Института органической химии и биохимии, например, подтвердили, что использование антиковидной бумаги позволяет противостоять атаке коронавируса уже через десять минут.
— Тесты подтвердили, что в течение десяти минут после попадания коронавируса нового типа на такую бумагу погибает до 70% частиц, через полчаса на инфицированном образце происходит стопроцентная элиминация, полное уничтожение вируса.
Иржи Собек указал, что наноструктурированные комплексы могут быть закреплены также в других материалах — например, в ткани, что позволило бы производить надежные медицинские маски, которые уничтожают микроорганизмы. Но это не являлось главной целью разработчиков.
Новая бумага в будущем может быть использована для печати денежных купюр и чеков, а также найти применение для долгосрочного архивирования документов в повседневной офисной работе. С учетом ситуации вокруг пандемии, планируется активное использование новейшей технологии в сфере здравоохранения и других местах с повышенным риском заражения.
Ученые намереваются обратиться с предложением о производстве к правительству Чешской Республики. Антиковидную бумагу можно производить в больших количествах, от нескольких сотен килограммов до десятков тонн в год.
И в этом году чешские ученые сделали немаловажные открытия в области медицины. Например, болезнь Паркинсона стало возможно обнаружить на самых ранних стадиях, благодаря специальной программе, которая применяется во время ультразвукового исследования.
Искусственный интеллект made in Czech Republic против болезни Паркинсона
Лишь немногие врачи способны непосредственно во время ультразвукового обследования распознать у пациента самые первые, едва заметные симптомы надвигающейся болезни Паркинсона. При этом своевременное выявление симптомов позволяет вовремя начать лечение и затормозить развитие недуга. Однако скоро все может измениться коренным образом. Уже почти год врачам доступна разработка чешских специалистов, занимающихся искусственным интеллектом. Специализированная программа самостоятельно анализирует результаты обследование мозга пациента, выявляя самые ничтожные отклонения в прохождении ультразвука через ткани.
«Наше ультразвуковое обследование «под присмотром» искусственного интеллекта наиболее полезно пройти родственникам пациентов, страдающих болезнью Паркинсона, а также гражданам с проявляющимися признаками этого недуга. В этих случаях мы способны установить степень риска того, что у них эта болезнь может развиться», – комментирует профессор Давид Школоудик, автор идеи применения искусственного интеллекта и ультразвукового исследования для выявления болезни Паркинсона на самых ранних стадиях. Обследование безболезненно и безопасно. Если патологических изменений нет, то экран ультразвука окажется пуст.
«Если все стандартно, то на снимках ничего нет, все черное. Это означает, что волна проходит сквозь однородную среду, в которой нет малейших препятствий. Если же в исследуемой структуре появляется нестандартная ткань, то ультразвук отражается обратно в сторону зонда. На экране в этом случае мы видим очертания более светлой и яркой области», – разъясняет Марек Вацулик, представитель компании Tesco Sw.
Разработанная чешскими специалистами система искусственного интеллекта анализирует ультразвуковые снимки вместо врача, который, однако, определяет интересующие его конкретные области головного мозга пациента. Софтвер сравнивает полученные данные со средними показателями здоровых людей. Если программа выявляет отклонения, врачи продолжают диагностику с применением иных методик.
«Одним из первых типичных признаков болезни Паркинсона является потеря способности различать запахи. Если система искусственного интеллекта регистрирует у пациента специфические изменения, то мы немедленно осуществляем тестирование на потерю обоняния. Если результат позитивный, то, вероятнее всего, речь идет о начальной стадии недуга. Далее мы лишь подтверждаем наше предположение другими методами», – говорит профессор Давид Школоудик.
Профилактические обследования пациентов на болезнь Паркинсона, благодаря чешской разработке, могут стать гораздо доступнее, так как все проходит быстрее.
«Самое важное, что в распоряжении врача сразу оказываются конкретные числа, касающиеся состояния пациента. Это серьезное подспорье. Если результат выбивается за пределы нормы, врач сразу понимает, что речь идет о патологии. Второе важное обстоятельство – экспертов, способных распознать по изображению на экране ультразвука подозрительные изменения в головном мозгу, в мире найдется всего несколько десятков. Благодаря программе искусственного интеллекта тестирование на болезнь Паркинсона станет рутиной, с которой справится любой врач. Программа все сделает самостоятельно», – подчеркивает специалист.
К сожалению, медики еще не знают точных причин возникновения болезни Паркинсона. Ученым еще только предстоит их выявить. Если это удастся, то значительно ближе станет тот день, когда врачи найдут также эффективное лекарство.
Давид Школоудик: «Последняя теория работает с тем, что недуг спровоцирован патологическим развитием сосудов, что провоцирует более интенсивное нарушение структуры окружающих их клеток, что ведет к болезни Паркинсона. Сейчас нам удалось определить фактор риска. В развитии болезни играют роль также токсины, ускоряющие деградацию поврежденных клеток. Предположительно, если ограничить контакт с этими токсинами, то можно снизить риск развития недуга».
Еще одно открытие в области здравоохранения сделано чешскими учеными в попытках борьбы с лишним весом. Оно касается разработки препарата, помогающего снизить аппетит.
Чешские ученые близки к победе над лишним весом
Чешские ученые вышли на след предполагаемого препарата, подавляющего чрезмерный аппетит. Мыши, которым давали высококалорийную пищу, теряли до двадцати процентов лишнего веса в течение двухнедельного курса лечения испытуемым препаратом. В настоящее время ведутся работы по подготовке к выпуску лекарства в сотрудничестве с датской компанией Novo Nordisk. Клинические испытания могли бы проходить также в Чешской Республике.
Пептид, который естественным образом образуется в головном мозге
«В принципе, это пептид, который естественным образом образуется в головном мозге. Мы добавляем лишь некую жировую субстанцию, благодаря чему происходит липидизация. С помощью инъекций мы вводим его в кровь и в мозг подопытных зверьков»,
— объясняет Ленка Малетинска, биохимик из Института органической химии и биохимии Академии наук Чехии.
Как рассказала Малетинская, чешские ученые на данный момент изучают механизмы действия этой молекулы. Они предполагают, что одним из важнейших свойств пептида может быть то, что вещество вызывает изменения в липогенезе, то есть в синтезе жирных кислот и жиров, и способен снизить процент жира в организме. Например, привести к уменьшению жира в клетках печени, ожирение которой наблюдается у мышей и людей с избыточным весом.
— В лабораторных условиях мы стараемся имитировать у модельных мышей процесс, схожий с человеческим. Кормим их высокоэнергетической пищей, что приводит к ожирению зверьков. Ожирение также в свою очередь связано с диабетом и повышенным давлением, что мы часто можем наблюдать также у наших пациентов, гопитаизированных в Институте клинической и экспериментальной медицины. Затем мы вводим различные вещества в кровь мышей и ведем наблюдения за их весом и другими параметрами. Когда мы начинали наши исследования, я прибег к опыту, полученному во время стажировки в США. Можно сказать, что за этот период времени мы существенно продвинулись, однако все по-прежнему вращается вокруг стремления лечить мышей от ожирения, чтобы выявить все необходимые механизмы, — говорит в интервью «Чешскому Радио» профессор и ведущий чешский диабетолог Мартин Халузик из Института клинической и экспериментальной медицины — IKEМ сотрудничает в разработке этого революционного вещества с Институтoм органической химии и биохимии.
Упомянутые пептиды воздействуют через другой рецептор, чем используемые в настоящее время аналогичные гормоны. Однако еще никому не удавалось модифицировать эту группу пептидов таким образом, чтобы они обладали настолько выраженным интенсивным эффектом, пояснил Халузик.
Перспективное сотрудничество с компанией Novo Nordisk
Преимущества нового потенциального препарата состоят в том, что его можно комбинировать с уже используемыми. В таком случае шансы на достижение долгосрочных целей значительно возрастут: вес уменьшится, что позволит уменьшить и побочные проблемы, связанные непосредственно с ожирением.
— То, что крупная фармацевтическая компания Novo Nordisk, ведущий производитель препаратов в сфере диабетологии и ожирения, выбрала именно чешскую молекулу, является доказательством того, что это вещество очень интересно. С учетом того, что разработка фармацевтической субстанции длилась «всего лишь пятнадцать лет», это можно считать свидетельством истории одного большого успеха. Я осмелюсь думать, что если кто-то и может что-то с этим сделать, то это Novo Nordisk. Теперь у нас есть совместный грант, чтобы найти механизм воздействия. Мы приближаемся к тому, что видим связь между диабетом, ожирением и болезнью Альцгеймера, и то, что эти вещества могут иметь даже больший потенциал, чем изначально предполагалось,— подчеркивает Мартин Халузик.
Глобальная фармацевтическая компания Novo Nordisk, основанная в Дании еще в 1923 году, уже приступила к модификации чешской молекулы. Фирма поставила перед собой цель создать препарат для лечения ожирения долгосрочного пользования.
— Конечно, мы все еще находимся в самом начале пути в том смысле, что не знаем, удастся ли нам достичь победного конца. Если мы докажем, что длительная потеря веса улучшает многие осложнения, существует большая вероятность того, что страховые компании также согласятся оплатить это вещество, надеется Ленка Малетинска.
То, что микробы – это не только вредоносные микроорганизмы, известно уже давно. Чешским ученым удалось обнаружить, что именно эти микроорганизмы играют важнейшую роль в профилактике и лечении аутоимунных заболеваний.
Чешские ученые доказали целебную силу микробов
Незаменимую роль в процессе лечения, а также в профилактике аутоиммунных заболеваний играют микробы. Результаты новых исследований ученых чешского Института молекулярной генетики, подтверждающих предполагаемую истину, были опубликованы в престижном научном журнале Nature Communications.
Исследования чешских ученых дают возможность еще лучше понять процесс возникновения болезней аутоиммунной системы. Согласно общепризнанной среди ученых «гигиенической гипотезе», нехватка естественного контакта человеческого организма с бактериями, которые нас окружают, приводит к нарушениям действия иммунной системы человека. Организм не может пройти необходимый процесс «самонастройки». Механизмы, рассчитанные на присутствие микробов, в результате работают не так, как надо. Следствием, как правило, являются разного рода аллергические реакции, а также аутоиммунные заболевания.
Ключевую роль в процессе настройки иммунной системы играет начальный этап жизни человека, объяснил «Чешскому Радио» один из авторов исследования Матоуш Воборжил.
«Именно на этом этапе развития наш организм учится правильно функционировать. Предельно важно, чтобы ребенок находился в контакте с микробами, которые стимулируют его иммунную систему. Стерильность и чистота окружающей среды, в которой мы теперь живем, приводит к тому, что у некоторых людей отсутствие контакта с необходимыми бактериями приводит к неисправной работе иммунной системы и развитию аутоиммунных заболеваний, таких как сахарный диабет первого типа».
Чешские ученые в ходе исследования подвергли подробному анализу толл-рецепторы. С точки зрения эволюции эти молекулы относятся к самым старым из тех, которые присутствуют на поверхности многоклеточных организмов. Толл-рецепторы играют важную роль в иммунной системе, благодаря им клетки способны распознавать присутствие самых разных микроорганизмов, рассказал глава проекта Доминик Филипп:
«Толл-рецепторы ответственны за распознавание в организме любых микробов, бактерий, инфекции. Они сразу активизируют иммунную систему. Однако общение на уровне «толл-рецепторы – иммунная система» идет по двум направлениям, так как многие микробы очень полезны для организма, выполняют своеобразную роль тренажеров и помогают настроиться иммунной системе таким образом, чтобы она способна была активно бороться с бактериями».
Чешские ученые экспериментально подтвердили , что процесс настройки иммунной системы организма поддается искусственному влиянию и что оборонные механизмы можно активизировать при помощи природных или искусственных микробиальных препаратов.
«Мы – первые в мире, кому удалось доказать, что на поверхности клеток тимуса (вилочковой железы) расположены толл-рецепторы или толл-подобные рецепторы. Мы нарушили работу этих рецепторов и наблюдали за тем, каким образом это отразилось на иммунной системе организма подопытных мышей», - продолжил Воборжил.
Результаты были впечатляющими, утверждают ученые. Снижение действия рецепторов привело к большей склонности к развитию аутоиммунных заболеваний кишечника и развитию сахарного диабета первого типа, то есть к ошибочному действию иммунной системы, которая в таких случаях атакует собственные ткани или органы.
Медузы – одни из самых загадочных существ на планете Земля. Это подтверждает и открытый чешскими учеными факт, что флуоресцентные белки, вырабатываемые организмами некоторых медуз, – те самые, которые делают их тела светящимися, - способны поглощать и испускать световое излучение. Именно они могли бы помочь найти замену подкожному введению инсулина.
Белки медуз могут помочь найти замену инсулину
Белки медуз открывают перед учеными новые возможности. Они способны выполнять функцию миниатюрных антенн, поэтому могут помочь найти замену инсулину, а также в исследованиях неврологических заболеваний. а Статья чешских ученых, посвященная этой теме, была опубликована на днях в престижном журнале Национальной академии наук США, Proceedings of the National Academy of Sciences .
Ученые обнаружили флуоресцентные белки в ткани некоторых медуз, благодаря которым они светятся изнутри, еще в прошлом столетии. Такие диковинные белки способны поглощать и испускать световое излучение. Именно они могли бы помочь найти замену подкожному введению инсулина, поэтому ученые из Института органической химии и биохимии Академии наук Чехии и занялись их исследованием.
Флуоресцентные белки характеризуются способностью к интенсивной люминесценции в узком спектральном диапазоне. Белки, полученные, например, из тканей медузы Aequorea victoria, используются для отслеживания самых разных биологических процессов и контроля деятельности генов. Эта характеристика позволяет ученым проводить мониторинг молекулярных процессов в клетках. Упрощенно говоря, если направить на такие белки лазерный луч, они начинают светиться так же, как и медузы. Исследователи таким образом видят до мельчайших деталей, как клетки реагируют на определенное вещество.
Флуоресцентные молекулы в клетках функционируют как миниатюрные антенны
— Молекулы флуоресцентных белков ранее воспринимались как светящиеся точки. Но наши исследования показали, что они ведут себя не как точки, а как маленькие антенны. Когда мы освещаем их с разных сторон, они в большей или в меньшей степени способны поглощать свет. И такие антенны не излучают этот свет равномерно во всех направлениях, а в некоторых направлениях вообще бездействуют. Важность нашего открытия заключается в том, что хотя флуоресцентные белковые молекулы широко используются в биологических исследованиях, их способность функционировать в роли антенн еще не полностью оценена и действительно не используется. Знание направленных свойств флуоресцентных белков может привести к новым способам использования этих полезных молекул»,— объяснил в интервью «Чешскому Радио» профессор Йозеф Лазар из Института органической химии и биохимии Чехии.
Группа ученых во главе с Йозефом Лазаром подготовила бактерии, содержащие флуоресцентные белки, и нашла способ выявить, при каких условиях белки образуют кристаллы. Облучив их лазером, они обнаружили в специальном микроскопе, что при освещении кристаллов под определенным углом свечение становится более интенсивным. Благодаря этому ученые смогли еще точнее определить, каким образом кристаллы расположены и удерживаются друг с другом, потому что видели, в каком направлении реагируют отдельные антенны. Продолжает Йозеф Лазар:
Танец молекул не является хаотическим
— В принципе, перед нами не что иное, как маленькие механические устройства. Когда они катализируют химическую реакцию, происходит следующий процесс — молекула белка меняет свою форму и подталкивает химические реактивы, они же реагенты, принять положение, в котором может происходить химическая реакция. При прикреплении антенн к отдельным участкам молекулярной машины мы сможем узнать больше о том, каким образом работает интересующий нас фермент, «закваска», или белковая молекула.
Интерес ученых к данному исследованию был изначально продиктован стремлением найти замену подкожному введению инсулина. С помощью этих антенн, показывающих направление, ученые теперь могут более точно определять, как клетки организма реагируют на инсулин, в том числе как они группируются и как ориентируются в пространстве. На основе полученных сведений они способны предложить более точную химическую формулу вещества, которое окажет аналогичное инсулину действие.
— Инсулин — это маленький белок, который разрушается в желудочно-кишечном тракте, поэтому его не выписывают в виде оральных препаратoв. Mы хотим найти какой-то другой химическое вещество, способное заменить инсулин, которое можно было бы производить в виде таблеток,— сообщил профессор Йозеф Лазар.
С учетом того, что флуоресцентные белки действуют наподобие направленной антенны, с их помощью нейробиологи, например, также могут отслеживать электрические сигналы в человеческом мозге для изучения различных неврологических заболеваний.
