Российские ученые-мегагрантники о том, какие открытия и разработки в их области запомнились в 2020 году, которые изменят нашу повседневную жизнь уже через несколько лет.
Дмитрий Иванов, профессор факультета фундаментальной физико-химической инженерии МГУ им. М. В. Ломоносова, заведующий лабораторией инженерного материаловедения: биомиметические полимерные материалы.
— В 2020 году интересы человечества очевидно сместились в сторону биологии, иммунологии, вирусологии, но если вдуматься в природу того, с чем мы сталкиваемся, то это очень сильно связано с вопросами молекулярной самосборки. Ведь вирусы по большом счету — это самособирающаяся структура из белковых частиц, ДНК и РНК, которая должна доставить генетическую информацию в клетку, а там саморазобраться. Удивительный по точности настройки инструмент. Сейчас многие экспериментаторы занимаются похожими материалами, которые пока, конечно, не так совершенны, как вирусы, но тоже могут под влиянием внешних факторов (температуры, рН или других) самоорганизовываться в сложные трехмерные структуры. Такие материалы часто представляют интерес для биомедицины и в основном относятся к мягким средам (soft matter — англ.). Они составлены из кирпичиков органической природы, состоящих из сотен и даже тысяч атомов, например, полимерных макромолекул, которые сложным образом организуются в пространстве, образуя порой иерархические структуры с несколькими уровнями организации. Так, мы можем делать структуры с заданными свойствами. В этом году мы в составе международной команды исследователей из США и наших соотечественников разработали материалы с механическими свойствами, неотличимыми от мягких живых тканей. Они полностью воспроизвели механические кривые для кожи, соединительной ткани, ткани кровеносных сосудов, ткани легких. У всех них очень сложная механика, которую невозможно повторить с помощью линейных синтетических полимеров, и это проблема, потому что материал импланта должен иметь такие же механические свойства, как и окружающая ткань. Иначе на границе раздела будут накапливаться механические напряжения, и вы будете травмировать ткани, что может привести к воспалениям, некрозам и другим тяжелым последствиям.
В рамках нашего международного консорциума был синтезирован иерархически структурированный полимерный материал, который самоорганизовывался в сложную сетчатую структуру, способную воспроизводить всю механическую кривую различных живых тканей от малых деформаций до предела разрушения. К примеру, этот материал может упрочняться при деформациях, то есть становиться жестче, когда мы его растягиваем, точно так же, как наша кожа, которая за счет такой особенности защищает внутренние органы от внешних механических воздействий.
В другой работе мы расширили спектр наших самоорганизующихся материалов, включив в него материалы, имеющие чувствительность к температуре. При хирургических операциях очень часто нужно иметь материал в твердом виде для удобства введения в тело — например, микроиголки, которые прокалывают кожные покровы, а затем при контакте с телом нагреваются, претерпевают фазовые превращения и размягчаются, заполняя нужный объем. Мы же подобрали материал, чтобы его фазовый переход происходил при температуре человеческого тела: если температура ниже 36–37 градусов, то это твердый материал с модулями упругости порядка гигапаскалей, а если выше, то он становится мягким материалом с модулями уже порядка сотен или максимум нескольких тысяч паскалей.
Артем Оганов, профессор «Сколтеха», профессор РАН, член Европеискои академии, деиствительныи член (Fellow) Королевского химического общества и Американского физического общества: сверхпроводимость при комнатной температуре и машинное обучение в материаловедении
— В моей области 2020 год запомнится прежде всего работой Снайдера и Диаса, в которой впервые была экспериментально достигнута сверхпроводимость при комнатной температуре (хотя и при давлениях свыше 2,5 млн атмосфер).
Ряд интересных работ был сделан в области машинного обучения и его применений в химии и материаловедении. Особенно интересными мне кажутся генеративные нейронные сети, способные «придумывать» новые молекулы и кристаллические структуры с интересными свойствами.Моей лаборатории в этом году удалось опубликовать важный цикл работ и по высокотемпературной сверхпроводимости, и по новым вычислительным методам. Например, нами создан алгоритм, способный предсказать вещества с нужными свойствами и среди соединений всех элементов. Для решения такой задачи требуются особые алгоритмы — простым перебором решить эту задачу невозможно. Этим методом был предсказан ряд ультратвердых материалов и было показано, что теоретически самым твердым веществом является алмаз (и его гексагональный политип лонсдейлит).
Александр Кабанов, профессор МГУ им. М. В. Ломоносова, заведующий лабораторией «Химический дизайн бионаноматериалов», директор Центра нанотехнологий для доставки лекарств Школы фармацевтики имени Эшельмана Университета Северной Каролины (США), член-корреспондент РАН: разработка противораковых препаратов
— Я хотел бы кратко рассказать о двух наших работах, опубликованных в уходящем году, которые, как мне кажется, находятся в русле новых направлений в создании терапевтических противораковых препаратов.
Как известно, в 2018 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили Джеймс Эллисон и Тасуку Хондзё за создание терапии рака путем ингибирования блокаторов иммунной системы, мешающих T-клеткам-убийцам атаковать раковые клетки. Однако этот подход работает далеко не всегда, так как клетки опухолевого микроокружения — макрофаги, фибробласты, миелоидные супрессорные клетки и другие — с помощью противовоспалительных сигнальных молекул — цитокинов — подавляют противоопухолевый T-клеточный иммунный ответ, тем самым обеспечивая дополнительную защиту раковым клеткам. В работе, опубликованной в журнале Science Advances, мы использовали животную модель мелкоклеточного рака легкого, против которого бессильны самые лучшие химиотерапевтические агенты, убивающие эти раковые клетки в культуре, и показали, что резиквимод — маленькая молекула-агонист толл-подобных рецепторов 7 и 8, которая меняет поляризацию опухолевых макрофагов с противовоспалительной на провоспалительную, обладает сильнейшим противоопухолевым действием, многократно превышающим активность антитела против блокатора иммунного ответа. Таким образом, открывается возможность лечить рак с помощью маленьких молекул, меняющих природу ракового микроокружения.
Другая работа была посвящена взаимодействиям между микробиомом и раковыми клетками. Микробы, присутствующие в человеческом организме, могут играть важнейшую роль как в возникновении и развитии рака, так и исходе противораковой терапии. Авторы неожиданно обнаружили кооперацию между бактериями и животными клетками, в которой бактерии помогают клеткам-хозяевам получать никотинамидадениндинуклеотид (НАД) — кофактор, необходимый для жизнедеятельности этих клеток. Благодаря этой кооперации раковые клетки, содержащие бактерии, становятся невосприимчивы к противораковому лекарству, ингибирующему никотинамид-фосфорибозилтрансферазу (НАМФТ) — ключевой фермент в биосинтезе НАД. Даже в условиях блокировки этого фермента лекарством работает бактериальный аналог, обеспечивающий поступление НАД из бактерии в раковую клетку-хозяина. Этот пример показывает важность целевой доставки антибактериальных препаратов в раковые опухоли для эффективной терапии рака.
Владимир Сигаев, профессор, заведующий кафедрой химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева: разработка сверхстабильной оптической памяти и другие работы в области фемтосекундной лазерной записи
— В этом году на кафедре стекла были продолжены исследования процессов фемтосекундной лазерной записи микро- и наноструктур в различных стеклообразных материалах, направленные на развитие технологии сверхстабильной (то есть не требующей перезаписи неограниченно длительное время) архивной оптической памяти.
Мы показали, что наиболее перспективным материалом для быстрой записи данных является нанопористое высококремнеземистое стекло. Всего несколько импульсов оказалось достаточным для того, чтобы сформировать пит в виде двулучепреломляющей микрообласти, а совсем недавно для этого требовались многие десятки и даже сотни импульсов, поскольку все работы по созданию «вечной» памяти и нами, и компанией Microsoft, и японскими учеными проводились ранее исключительно на кварцевом стекле. Мы оптимизировали параметры записи для создания цветных аналоговых изображений и записали в стекле миниатюрную и вечную таблицу Менделеева. Записанные в кварцевом и нанопористом стекле данные полностью сохраняются после выдержки носителя при температурах до 800 градусов и даже после закалки в воду.
2020 году мы продемонстрировали возможность создания оптического волновода в объеме прозрачного ситалла с ультранизким значением коэффициента теплового расширения. Подобный ситалл, активированный ионами редкоземельных элементов, может рассматриваться в качестве основы для создания новых светоизлучающих термостабильных оптических сред.
В новой для нас области фемтосекундной лазерной сварки нами доказана возможность чрезвычайно прочного соединения стекол и ситаллов со сплавами, в том числе со сплавами инварной группы с очень низкими значениями коэффициента теплового расширения.
Читать подробнее: Коммерсант
