Ką mokslas pasiekė 2021 metais?

Gyvybės mokslų išsivystymas mūsų planetoje yra aukščiausiame pažangos lygmenyje, tačiau pastaraisiais metais įvairūs moksliniai pasiekimai paskęsta pandemijos naujienų jūroje. Mokslininkai dirba ne tik su virusais bei vakcinomis: didelis proveržis pasiektas tyrinėjant naujus atsparumo antibiotikams mechanizmus, žmogaus bei kitų organizmų kilmę. Sukurta daug aplinkosauginį tvarumą skatinančių biotechnologinių sprendimų, smarkiai pažengė kamieninių ląstelių terapijos galimybės, pagerėjo genomo analizės metodai ir dirbtinio intelekto galimybės molekuliniuose tyrimuose. Pagausėjo naujų gydymo būdų, taip pat sustiprėjo ir ligų diagnostikos potencialas.

Biotechnologijos: nuo kavos užauginimo laboratorijoje iki antikūnais pagrįstos kontracepcijos

1. Biotechnologijų panaudojimas gaminant kavą. Kavos pupelių auginimas lemia spartų miškų kirtimą ir tokiu būdu prisideda prie biologinės įvairovės sumažėjimo bei klimato krizės. Suomijos mokslininkai sukūrė tvarų metodą, leidžiantį “užauginti kavą” laboratorinėmis sąlygomis. Iš kavamedžio išskirtas ląsteles mokslininkai augino laboratorijoje, kol susidariusi ląstelių biomasė igijo tikrų kavos pupelių savybes. Šis ląstelių auginimo metodas sunaudoja ne tik mažiau vandens, tačiau išskiria į aplinką mažiau anglies dioksido bei neskatina miškų kirtimo. Pirmoji biologiniame reaktoriuje užauginta kava pasižymėjo tikros kavos skoniu bei kvapu. [18]

2. Anglies dioksidas gali būti paverčiamas krakmolu. Kinijos mokslininkai sukūrė beląstelinį, fermentinį metodą, leidžiantį anglies dioksidą paversti į metanolį, o vėliau iš jo pagaminti mažesnius angliavandenius, kurie panaudojami krakmolo gamyboje. Šis dirbtinis, anabolinis krakmolo gamybos mechanizmas galėtų prisidėti ne tik prie tvaresnio krakmolo pagaminimo, tačiau paskatinti mažesnį pesticidų bei žemės plotų naudojimą ir prisidėti prie anglies dioksido koncentracijos sumažinimo atmosferoje. [19]

3. Antikūnai – naujos kartos kontraceptikai. Mokslininkai sukūrė antikūnus, galinčius prisijungti prie spermatozoidų bei juos agliutinuoti. Tyrime su avimis įrodytas didesnis nei 99.9 procentų efektyvumas sulaikant spermatozoidus. Manoma, jog antikūnų pagrindu pagamintos kontracepcijos priemonės ateityje galėtų būti nauja gimstamumo kontrolės alternatyva prieš hormoninę kontracepciją. [25]

Genetikos atradimai: nuo DNR išskyrimo iš oro iki pirmojo pilnai sekvenuoto žmogaus genomo

4. Pirmą kartą pilnai nusekvenuotas žmogaus genomas. Žmogaus genomo sekvenavimas ne kartą buvo pripažintas užbaigtu, tačiau nei vienas tyrimas per 20 metų nepateikė pilno genomo sekoskaitos duomenų, nes iki pilno genomo nuskaitymo trūko apie 8 proc. genomo duomenų. Tai sunkiai nuskaitomi genomo regionai, kuriems būdingi ilgi, nukleotidų pasikartojimai. Vis dėlto, 2021 m. mokslininkai paskelbė vieną pirmųjų straipsnių apie pilnai nusekvenuotą žmogaus genomą. Nustatyta, jog žmogus turi 19 969 baltymus koduojančius genus. Prieš 20 metų toks tyrimas galėjo kainuoti 300 mln. JAV dolerių, tačiau dėl technologijų pažangos šiandien tokio tyrimo kaina apie 300 JAV dolerių. [3]

5. Žinduolių DNR gali būti išskirta iš oro. Manoma, jog visi organizmai savo buveinėse palieka genetines liekanas, kurių analizė galėtų suteikti daugiau duomenų apie skirtingų rūšių paplitimą konkrečioje vietovėje. Įprastai DNR liekanos yra surenkamos iš vandens šaltinių, siekiant identifikuoti nykstančias rūšis ar patogenus. Vis dėlto, mokslininkai iš Anglijos įrodė, jog DNR gali būti surinkta iš oro. Tyrime iš oro surinkta ir sekvenuota Plikojo smėlrausio DNR. Šis eksperimentas skatina aDNR (aplinkos DNR) tyrimų plėtrą. DNR išskyrimas iš oro suteiktų galimybę analizuoti organizmų genomus vietose, į kurias sudėtinga fiziškai patekti, taip pat analizuoti genomus (pvz. nustatant tam tikros ligos paplitimą populiacijoje) neinvaziniu būdu. [4]

6. Stresas vaikystėje gali nulemti epigenetinius pokyčius, lemiančius genų raiškus pasikeitimus sulaukus pilnametystės. Šiuos pokyčius pelėse lemia Dot1l genų koduojami produktai (fermentai), kurių veiklą slopinant galima išvengti ilgalaikių epigenetinių pokyčių. Jeigu jaunos pelytės patiria didelį stresą, vėliau tokiose pelėse pastebimi depresijos simptomai, kurie gali nepasireiškti, neįvykus epigenetiniams pokyčiams. Vadinasi, ankstyvame gyvenime patirtas stresas yra susijęs su depresijos simptomų pasireiškimu suaugus dėl epigenetinių pokyčių. Jeigu šie pokyčiai galėtų būti kontroliuojami vaistais, ateityje atsirastų galimybė išvengti arba sumažinti depresijos simptomus, nulemtus vaikystėje patirtų traumų. [5]

7. Milijono metų kelionė į praeitį genomu. Stokholmo universiteto mokslininkai nusekvenavo maždaug 0,7-1,2 mln. metų senumo 3 senovinių mamutų DNR, išskirtą iš mamutų dantų, kurie aptikti amžinajame Sibiro įšale. Įvertinus šios DNR amžių, ji senesnė už vikingus, šiuolaikinius žmones ar neandartaliečius. Išsamesni sekoskaitos tyrimai atskleidė nežinomą mamutų liniją, pavadintą Krestovka mamutais bei leido nustatyti genus, kurių koduojami produktai lemia kūno plaukuotumą, termoreguliacijos mechanizmus, riebalų kiekį bei atsparumą šalčiui. Šis tyrimas svarbus ne tik tiriant gyvūnų evoliuciją, tačiau kuriant pažangesnius sekoskaitos metodus, kurie ateityje leistų tirti dar senesnių organizmų genomus. [12]

8. Molekulinės biologijos dogmos gali būti paneigtos. Mokslininkai pateikė vienus iš pirmųjų įrodymų, jog žmogaus ląstelėse RNR segmentai gali būti įrašyti į DNR molekulę. Ištirta, jog teta polimerazė gali sintetinti DNR, pasinaudodama RNR molekulėje užkoduota informacija. Šis tyrimas leidžia manyti, jog sveikose ląstelėse RNR molekulės galėtų būti naudojamos DNR pažaidų taisymui ar DNR perrašymui, tačiau vėžinėse ši polimerazė galėtų skatinti ląstelių augimą bei atsparumą vaistams. [17]

Mikrobiologija ir virusologija: nuo plastiką skaidančių bakterijų iki superkompiuterių

9. Žmogaus organizme esantys virusai formuoja viriomą. Didžiąją dalį žmogaus žarnyno sudaro bakteriofagai, kurie reguliuoja patogeniškų bakterių protrūkius. Kintant bakterijų sudėčiai žarnyne, į tai reaguoja imuninė sistema aktyvindama arba slopindama antivirusinį atsaką. Per evoliuciją bakteriogai turi išvystę molekulinę strategiją, leidžiančią lėtinti limfocitų aktyvaciją bei proliferaciją. Tai sudaro sąlygas oportunistinėms bakterijoms ir kitiems virusams sukelti įvairias žmogaus infekcijas. 2021 m. buvo paskelbti daugiau nei 70 000 naujų bakteriofagų, gyvenančių žmogaus žarnyne. Šiuo metu labai mažai žinoma apie šių virusų įtaką žmogaus sveikatai, tačiau daugėja duomenų, jog bakteriofagai gebėdami perkelti savo genus į bakterijų, pvz. P. aeruginosa, genomus, gali suteikti joms apsaugą prieš antibiotikus. [22,23]

10. Atrastos plastiką skaidančios bakterijos. Iš karvių skrandžių išskirtos bakterijos (Acinetobacter sp.) gali suskaidyti tam tikrus plastikus, pvz. PET, kurie ypač plačiai naudojami maisto pakuočių gamybai. Karvės pasižymi gebėjimu skaidyti natūralius poliesterius, pvz. kutiną. Mokslininkai nusprendė patikrinti karvių gebėjimą virškinti ir sintetinius poliesterius. Nustatyta, jog iš karvių priešskrandžio išskirtos bakterijos gamina fermentus, galinčius suskaidyti ne tik PET, bet ir kitus du plastikus PBAT (naudojamas kompostuojamuose plastikiniuose maišeliuose) ir PEF (pagamintas iš atsinaujinančių augalinės kilmės medžiagų). [24]

11. Evoliucinės lenktynės: ar gali superkompiuteriai aplenkti atsparumą antibiotikams? Bakterijos vis sparčiau įgyja atsparumą antibiotikams, o kai kurių infekcijų iki šiol neįmanoma išgydyti su dabar turimais antibakteriniais preparatais. Tai viena aktualiausių šiuolaikinių mokslo ir medicinos problemų. Šiuo metu dėl atsparumo antibiotikams kasmet miršta apie 700 tūkst. žmonių, tačiau šis gali išaugti iki milijonų. Prognozuojama, jog atsparumas antibiotikams ateityje gali 20 metų sumažinti žmogaus gyvenimo trukmę. Šiuo metu ieškoma naujų antibiotikų arba modifikuojami jau žinomi antibakteriniai junginiai, tačiau pagrindinė problema, jog bakterijų evoliucija vyksta taip sparčiai, jog tokie preparatai greitai praranda veiksmingumą. Vis dėlto, mokslininkai pasinaudodami superkompiuteriais, sukūrė naują antibiotiką, pasižymintį 56 kartais didesniu aktyvumu prieš specifinius Acinetobacter baumanii, Pseudomonas aeruginosa ir Escherichia coli bakterijų kamienus nei šiuo metu PSO patvirtinti eritromicinas bei klaritromicinas. Kuriant naują antibiotiką atlikta daugybė prognozinių skaičiavimų, kurie leidžia ištirti būsimo antibiotiko veiksmingumą, atsižvelgiant į įvairius evoliucinius scenarijus. [16]

12. Mokslininkai atrado vieną seniausių fosilijų, kurioje aptiktos į sporas panašios struktūros rodo grybų egzistavimą jau prieš 635 mln. metų. Mikrofosilijų, atrastų ant 50 mikrometrų dydžio uolienų, tyrimas skatina atnaujinti žinias apie grybų evoliuciją. Ankstyviausių organizmų įrodymai yra išskirtinai reti, tačiau būtent jie suteikia svarbių duomenų apie gyvybės atsiradimą bei vystymąsi žemėje. Pavyzdžiui, 2017 m. mokslininkams pavyko įrodyti, jog žemėje mikroorganizmai galėjo egzistuoti jau prieš 3.77-4.29 mlrd. metų. Ankstesni tyrimai su grybais rodo, jog sausumoje šie organizmai galėjo gyventi prieš maždaug 450 mln. metų. Vadinasi, tik prieš metus sužinojome, jog grybai galėjo egzistuoji ir žymiai anksčiau, todėl jų reikšmė ekosistemų funkcionavimui yra dar svarbesnė negu įsivaizdavome. Palyginimui, Homo Sapiens atsirado maždaug prieš 315 tūkst. metų. [6,7]

Dirbtinis intelektas baltymų struktūros nustatymui

13. „Google“ seserinė bendrovė „DeepMind“ paskelbė sukūrusi dirbtino intelekto (DI) sistemą, galinčią prognozuoti beveik kiekvieno žmogaus baltymo struktūrą. Algoritmas, pavadintas AlphaFold, leidžia greitai nustatyti bei tirti įvairių baltymų struktūrą. Iki šio algoritmo sukūrimo mokslininkai eksperimentiškai buvo nustatę maždaug trečdalio žmogaus baltymų struktūrą. Teigiama, jog šis algoritmas yra vienas iš didžiausių dirbtinio intelekto indėlių į molekulinės biologijos žinių plėtrą. [26]

Pirmi kartai moksle: nuo kiaulės inkstų persodinimo žmogui iki vakcinos sukūrimo prieš maliariją

14. Atlikta pirmoji dviejų rankų ir peties transplantacija. Prieš 23 metus dviejų rankų netekęs islandas tapo pirmuoju dviejų rankų ir peties transplantacijos recipientu. Manoma, jog prireiks apie metų, kol atsinaujinantys nervai pasieks alkūnės sritį ir 2 metų, kol nervai pasieks rankas. Vis dėlto, praėjus mažiau nei pusmečiai recipientas jaučia dilgčiojimą dilbiuose bei sugeba sulenkti bicepsą. [8]

15. PSO patvirtino pirmąją vakciną nuo maliarijos. Nuo maliarijos kasmet miršta daugiau nei 400 000 žmonių visame pasaulyje. Spalio mėnesį PSO patvirtino vakciną, vadinamą RTS, S, arba Mosquirix. Mosquirix buvo kuriama daugiau negu 30 metų ir oficialiai yra pirmoji maliarijos vakcina, sėkmingai perėjusi didelio masto klinikinius tyrimus. Kompanijos „GlaxoSmithKline“ sukurta vakcina per ketverius metus apsaugojo nuo maliarijos atvejų maždaug 4 iš 10 tiriamųjų (veiksmingumas - 39 proc.), kurie gavo 4 vakcinos dozes. Taip pat vakcina pasižymi 29 proc. veiksmingumu prieš sunkią maliarijos formą. Nors šis veiksmingumas yra labai mažas, tačiau PSO rekomenduoja pradėti naudoti Mosquirix vakciną Ganos, Kenijos ir Malavio valstybėse. Keturių dozių vakcina yra saugi ir gali būti skiriama nuo penkių mėnesių amžiaus. Gera žinia, jog kartu su vakcina skiriami vaistai nuo maliarijos gali iki 70,5 proc. sumažinti hospitalizacijų poreikį. [9]

16. Kiaulės inkstai pirmą kartą buvo sėkmingai persodinti žmogui. Gyvūnų organų persodinimas žmogui yra vadinamas ksenotransplantacija. Manoma, jog šis transplantacijos būdas turėtų ateityje išspręsti pagrindinę organų donorystės problemą – organų trūkumą. Vien JAV šiuo metu organų persodinimo laukia bent 100 tūkstančių pacientų, o dėl organų trūkumo kasdien vidutiniškai miršta apie 17 žmonių. Kiaulių organai jau seniai yra laikomi turinčiais milžinišką medicininį potencialą. Vis dėlto, kiaulių ląstelėse esantys svetimi antigenai, pvz. α-gal, sukelia stiprų imuninį atsaką, dėl kurio persodintas organas yra atmetamas. Viena iš išeičių – genetiškai modifikuotos kiaulės, kurios negamintų α-gal antigeno. Šiame eksperimente kiaulės inkstai buvo persodinti 54 val. pacientui, kuriam diagnozuota smegenų mirtis (paciento šeimą davė sutikimą tyrimui). Per šį 54 val. laikotarpį prijungtas inkstas veikė normaliai. Ksenotranplantacija turi potencialą būti dažniau taikoma per ateinančius dvejus metus gydant sunkias, su inkstų nepakankamu susijusius ligas, tačiau šios procedūros taikymas kelia daug bioetinių klausimų bei teisinių problemų. [10]

17. Nustatytas pirmasis horizontalus genų perdavimas tarp augalų ir gyvūnų. Mokslininkai iš Kinijos tyrė sidabrinių baltasparnių muselių (lot. Bemisia tabaci) gebėjimą maitintis augalais, kurie išskiria prieš šiuo vabzdžius veikiančius toksinus. Šie toksinai nėra pavojingi pačiam augalui dėl jame gaminamų detoksikacinių medžiagų. Tyrimo metu nustatyta, jog šios baltasparnės muselės turi prieš 35 mln. metų įgytą BtPMaT1 geną, kurio koduojami produktai taip pat pasižymi detoksikacine funkcija. Tai tas pats BtPMaT1 genas, kurį augalai panaudoja siekdami išvengti savo gaminamų toksinų poveikio. Mokslininkai mano, kad šį geną iš augalų į museles galėjo perkelti virusai. Vadinasi, vykstant evoliucijai žolėdžiai gali pasinaudoti augalų, kuriais maitinasi, genais, tokiu būdu susiformuojant apsaugai nuo tų augalų išskiriamų antrinių metabolitų. [11]

Apie žmogų ir gyvūnus: nuo aklumo gydymo iki smegenų, varomų fotosinteze.

18. Atrasta galimai nauja žmonių rūšis. Kinijoje atrasta 146 tūkst. metų senumo kaukolė, priklausiusi maždaug 50 metų vyrui. Manoma, jog ši kaukolė priklauso naujai žmonių rūšiai, pavadintai Homo longi (liet. žmogus drakonas). Ši rūšis gali būti filogenetiškai artimesnė Homo sapiens nei neandartaliečiai, tačiau ji gali priklausyti ir denisoviečiams. Išsamesnė šios kaukolės analizė atskleidė 600 bruožų, pagal kuriuos nustatyti ir tipiški dabartinio žmogaus bruožai, ir unikalūs požymiai. [1]

19. Analizuodami kaukoles, mokslininkai nustatė, jog ankstyvosios Homo genties rūšys turėjo labai panašias į beždžionės smegenis. Smegenys, leidusios atlikti sudėtingesnes pažinimo užduotis, susiformavo prieš maždaug 1,5-1,7 mln. metų. Vadinasi, prireikė virš milijono metų, kol Homo genties atstovai suformavo pažangesnes smegenis, kurios leido ankstyvoms žmonių rūšims gaminti ir naudoti įrankius, vystyti kalbos bei socialinio pažinimo gebėjimus. [2]

20. Aklumo gydymas pasitelkiant ląstelių persodinimą. Daugiau nei 200 mln. žmonių pasaulyje kenčia nuo regėjimo praradimo, susijusio su akies tinklainės ląstelių degeneracija. Mokslininkams pavyko sėkmingai persodinti žmogaus tinklainės ląsteles į beždžionių akis. Atlikus procedūrą nenustatyta jokių šalutinių poveikių, pvz. jautrumo šviesai ar stipraus imuninio atsako. Tinklainės ląstelės buvo išaugintos iš kamieninių ląstelių, kurias donoras paaukojo mokslui. [27]

21. Fantastikos rašytojai daugybę metų savo kūriniuose plėtoja idėją užšaldyti ir vėliau po tūkstančių metų į gyvenimą grąžinti žmogų. Ar tai įmanoma? Mokslininkai 2021 m. atgaivino mažą, daugialąstį gyvūną, kuris amžinajame įšale praleido 24 tūkst. metų. Šis gyvūnas, praleidęs virš 20 tūkstančių metų laiko maždaug -10 temperatūroje, galėjo daugintis. Verpetės yra permatomi, tvirtą kūną turintys gyvūnai, gyvenantys gėluose vandenyse bei dirvožemyje. Kaip ir lėtūnai, šie gyvūnai pasižymi dideliu atsparumu radiacijai, šalčiui, dehidratacijai bei mažam deguonies kiekiui. Šis tyrimas atskleidė iki šiol nenustatytas gyvūnų galimybes ilgą laiką išgyventi kriptobiozės būseną. Neįtikėtina, tačiau šios atgaivintos verpetės gyveno kartu su mamutais. Įdomu, jog tai nėra seniausias iš šalčio atgaivintas organizmas, nes kai kurie nematodai yra atgaivinti įšale praleidę nuo 32 iki 42 tūkst. metų. [20]

22. Sukurtos fotosinteze varomos smegenys. Mokslininkai sugebėjo aprūpinti buožgalvius deguonimi į jų smegenis suleidžiant fotosintezę vykdančius dumblius. Buožgalviai buvo auginami terpėje su maža deguonies koncentracija, siekiant sukurti hipoksijos sąlygas. Į buožgalvių smegenis suleidus dumblių, nustatytas smegenų veiklos atsinaujinimas hipoksijos sąlygomis. [21]

Klimato krizė: nuo negrįžtamų klimato pokyčių iki ekotokiško plastiko poveikio

23. Daugėja negrįžtamų klimato pokyčių.

Tarpvyriausybinė klimato kaitos komisija (IPCC) paskelbė klimato ataskaitą, suformuluotą apžvelgus 14 000 mokslinių straipsnių. Deja, tačiau žmogaus sukeltos klimato krizės padariniai yra sparčiai plintantys bei stiprėjantys. Dabartiniai klimato pokyčiai neturi precendento tūkstančius metų, o kai kurie iš jų, pvz. jūros lygio kilimas, yra negrįžtami šimtus ar netgi tūkstančius metų. Sklindant dezinformacijai net vienas iš trijų amerikiečių mano, jog klimato šiltėjimas nėra susijęs su žmonių vykdoma veikla. Vis dėlto, kita mokslininkų grupė išnagrinėjo 3000 mokslinių tyrimų, atsitiktinai atrinktų iš 88125 su klimato kaita susijusių publikacijų, paskelbtų nuo 2012 metų. Net 99.9% mokslinių publikacijų vieningai sutaria, jog klimatas keičiasi dėl žmonių vykdomos veiklos. Kita milžiniška globalinė problema – tarša plastiku. Vokietijos ir Norvegijos atliktas tyrimas atskleidė, jog dabartinis plastiko taršos lygis artėja prie negrįžtamų ekotoksiškų pasekmių, kurios netrukus nulems neigiamus medžiagų ciklo pokyčius ekosistemose, paskatins masinį buveinių bei rūšių išnykimą. [13,14,15]

Šaltiniai:

Šaltiniai:

[1] https://www.cell.com/the.../fulltext/S2666-6758(21)00057-6

[2] https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaz0032

[3] https://www.biorxiv.org/.../10.1101/2021.05.26.445798v1.full

[4] https://peerj.com/articles/11030/

[5] https://www.nature.com/articles/s41593-021-00814-8

[6,7] https://www.nature.com/articles/s41467-021-20975-1...

https://www.nature.com/articles/nature21377

[8] https://www.upworthy.com/first-double-arm-transplant-fast...

[9] https://www.who.int/.../06-10-2021-who-recommends...

[10] https://www.sciencealert.com/a-pig-kidney-has-been...

[11] https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00164-1...

[12] https://www.nature.com/articles/s41586-021-03224-9

[13,14,15]. https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/ac2966

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abg5433

[16] https://doi.org/10.1073/pnas.2113632118

[17] https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abf1771

[18] https://www.vttresearch.com/.../sustainable-coffee-grown...

[19] https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4049

[20] https://www.cell.com/curre.../fulltext/S0960-9822(21)00624-2

[21] https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(21)01126-3

[22,23]. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00072-6

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh1489

[24].https://www.frontiersin.org/.../fbioe.2021.684459/full

[25]. https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.abd5219

[26] https://www.nature.com/articles/d41586-021-02025-4

[27] https://www.cell.com/stem.../fulltext/S2213-6711(20)30502-6