За развитием каких технологий нужно следить в 2024 году

Применение технологий глубокого обучения в области белкового дизайна

Двадцать лет назад Дэвид Бейкер из Университета Вашингтона в Сиэтле и его коллеги совершили прорыв: они создали новый белок с помощью компьютерных инструментов. Он получил название Top7 и не выполнял никаких биологических функций.

Сегодня технология дизайна белков используется для создания ферментов и других белков. Это открывает новые возможности, в том числе создание белковых вакцин и средств доставки лекарственных препаратов.

Прогресс в этой области связан с использованием больших наборов данных, которые ассоциируют последовательность белка с его структурой. Сложные методы глубокого обучения, такие как большие языковые модели (LLM), играют важную роль, позволяя распознавать закономерности в структуре белков.

Применение стратегий, основанных на последовательностях, приводит к созданию синтетических белков и позволяет адаптировать существующие для формирования новых структур. Однако для индивидуального проектирования структурных элементов или функций лучше подходят стратегии, основанные на структуре. Прогресс в этой области был отмечен в прошлом году.

Программы, такие как RF-диффузия и Chroma, используются для создания новых белков, которые могут образовывать прочные соединения с целевыми мишенями. Эти инструменты открывают новые возможности для создания ферментов, транскрипционных регуляторов и других функциональных материалов.

Обнаружение дипфейков

Стремительное развитие генеративных алгоритмов ИИ упростило создание убедительных, но полностью искусственных изображений, аудио и видео, а это приводит к появлению потенциальных рисков манипуляции общественным мнением, пишет Nature

Ученые сейчас работают над методами обнаружения таких манипуляций, в том числе с помощью встраивания скрытых сигналов и анализа контента. Они хотят создать универсальные инструменты для обнаружения дипфейков. Уже появились соответствующие ресурсы, такие как DeepFake-O-Meter7. Именно они могут стать шагом в этом направлении. Однако проблема дипфейков, создаваемых с помощью ИИ, останется актуальной в течение длительного времени.

Встройка больших фрагментов ДНК

В конце прошлого года впервые в истории терапия генного редактирования на основе CRISPR была одобрена регуляторами в США и Великобритании для лечения серповидно-клеточной анемии и трансфузионно-зависимой β-талассемии. Это стало огромным достижением в медицинском применении редактирования генома.

CRISPR и связанные с ней технологии используют короткую программируемую РНК для управления ферментами, такими как Cas9, чтобы изменять последовательности ДНК. Эти методы сейчас все чаще используются для редактирования генов в лабораторных условиях, а также исследуются учеными для интеграции более крупных фрагментов ДНК. Новые методы, такие как использование однонитевого отжига (SSAP) и прайм-редактирование, предлагают возможность точной вставки крупных участков ДНК в геном человека.

Помимо применения в медицине, эти технологии также применяются в сельском хозяйстве. Например, метод PrimeRoot, разработанный группой ученых из Китайской академии наук, использует первичное редактирование для усиления устойчивости сельскохозяйственных культур к болезням и патогенам.

Нейрокомпьютерный интерфейс

Многие люди говорят медленно и иногда используют неправильные слова из-за бокового амиотрофического склероза. Однако благодаря сложному нейрокомпьютерному интерфейсу, разработанному Фрэнсисом Уиллеттом и его коллегами из консорциума BrainGate, они могут выражать свои мысли вербально.

Система использует электроды для отслеживания активности мозга и перевода сигналов в речь с помощью алгоритмов глубокого обучения. Этот метод также помогает другим людям с неврологическими нарушениями восстановить утраченные навыки. Различные исследования помогли понять, что новая технология может быть полезна для людей-инвалидов и даже тех, кто страдает расстройством настроения.

Суперразрешение

В 2014 году Штефан Хелл, Эрик Бетциг и Уильям Мёрнер получили Нобелевскую премию по химии за преодоление «дифракционного предела», который ограничивал разрешение световой микроскопии.

Ученые достигли разрешения, которое составило порядка нескольких десятков нанометров, что позволило проводить эксперименты на молекулярном уровне. Однако другие исследователи стремятся к дальнейшему улучшению разрешения. Метод MINSTED, разработанный группой исследователей под руководством Хелла, позволяет распознавать отдельные флуоресцентные метки с точностью 2,3 ангстрема. Данный метод сравним с разрешением, достигаемым при использовании обычных микроскопов.

Группа Ральфа Юнгманна, исследователя нанотехнологий в Институте биохимии Макса Планка в немецком Планеге, изучает метод последовательной визуализации (RESI), который позволяет увидеть отдельные пары баз на цепи ДНК с разрешением в масштабе ангстрема при использовании стандартного флуоресцентного микроскопа.

Метод одноэтапной наномасштабной микроскопии (ONE), разработанный группой нейробиологов, возглавляемой Али Шаиба и Сильвио Риццоли из Университетского медицинского центра Геттингена, позволяет отображать мелкие структурные детали белков с использованием стандартного конфокального микроскопа. Он основан на технологии расширяющей микроскопии и может использоваться для диагностики нарушений свертывания белков.

При этом Юнгманн и Шаиб убеждены, что пространственное разрешение микроскопии может быть улучшено, а это откроет новые возможности для исследований в области биологии.

Клеточные атласы

Google Maps поможет вам найти удобное кафе и покажет как до него добраться. Однако сейчас нет аналога для навигации по сложному ландшафту человеческого тела. Проекты по созданию клеточных атласов, такие как «Атлас клеток человека», привлекают внимание ученых со всего мира для составления подробных карт тканей организма.

Эти усилия включают использование новейших аналитических инструментов, таких как Xenium и PhenoCycler, для анализа молекулярного содержимого на уровне отдельных клеток. Например, исследования HCA над легкими человека помогли понять изменения, происходящие при различных заболеваниях.

Атласы клеток могут оказаться ценным ресурсом для разработки таргетированной терапии и понимания этиологии различных заболеваний.

3D-печать наноматериалов

В наномасштабе происходят удивительные явления, которые могут усложнять прогнозы материаловедения, но также предоставляют возможность создавать легкие материалы с уникальными свойствами: повышенная прочность и способность к катализу или хранению энергии.

Ученые разрабатывают различные стратегии для создания таких наноматериалов, включая ускорение процесса фотополимеризации и методы для печати сложных структур из металлов. Преодоление экономических барьеров становится все более реальным благодаря появлению более доступных лазерных систем и коммерциализации новых производственных процессов.

Ранее эксперты заявили, что в 2024 году половина населения мира может столкнуться с дезинформацией на выборах из-за искусственного интеллекта.