Задача Коалиции CEPI состоит в разработке новых технологий создания вакцин, обеспечивающих скорость проверки их эффективности и безопасности, масштабирование их производства и широкий доступ для всех групп населения. Современные технологии разработки вакцин позволили биотехнологической компании Moderna и фармацевтической компании Pfizer в 2020 г. перейти от разработки к клинической проверке вакцины от COVID-19 за четыре месяца, тогда как раньше этап разработки длился годы или десятилетия. Интересной инновацией в составе вакцины стало использование ионизируемых липидов в составе наночастиц, несущих мРНК вакцины. При физиологическом pH частицы остаются нейтральными, но попав в клетку в результате эндоцитоза в кислой среде созревающей эндосомы они накапливают заряд и высвобождают содержащуюся в них мРНК. На стадии разработки следующее поколение ионизируемых липидных наночастиц, обеспечивающих целевую доставку вакцины за счет специфического связывания с клеточными маркерами. В процессе разработки еще ряд технологий, в том числе использование углеводов в составе наночастиц, обеспечивающих эффективную сублимационную сушку без повреждения структуры или состава вакцин, что упрощает их хранение и транспортировку. Ведется разработка портативной автоматизированной технологии печати (синтеза) РНК. В феврале 2019 года CEPI инвестировала 34 миллиона долларов США в разработку биофармацевтической компании CureVac независимой транспортабельной единицы, обеспечивающей производство вакцин на основе мРНК для регионов с низким уровнем ресурсов.

Оптогенетика - методы контроля активности определенных клеток и сетей мозга - вызвала ажиотаж в области нейробиологии с момента ее появления в 2005 году. И похоже, что в 2021 году можно ожидать качественный скачек уровня исследований в этой области. Возбуждение нейрона под действием светового пучка связано с действием фотонов на «опсины», мембранные каналы, возбуждаемые светом. Гены опсинов, модифицированные под возбуждение разными длинами световых волн и с контролируемой экспрессией в разных типах нейронов под действием специфических промоторов, внесены в геномы клеточных культур и экспериментальных животных методами генной инженерии. До сих пор активация нейронов осуществляли узконаправленным пучком лазера, что накладывало ограничения в продолжительности и очередности стимуляции нейронов. Подобные ограничения приводили к значительному огрублению моделей активации и передачи сигнала по нейронным сетям.

Прогресс в оптогенетике связан с объединением трех новых технологий – созданию и применению двухфотонного лазерного микроскопа, имеющего большую проникающую способность по сравнению с конфокальным и меньшую фототоксичность, модификации опсинов под двухфотонное возбуждение, и разработке метода лазерных голограмм. При этом лазерный пучок делится на множество лучей, формирующих по реперным точкам трехмерное изображение нейронов, и это изображение накладывается на объект, стимулируя нейроны в 3-х измерениях и в сложных временных моделях. Время стимуляции группы нейронов при этом уменьшается на порядки, воспроизводя реальные условия стимуляции в мозге. Производители микроскопов, такие как Bruker и 3i, включили голографию в свои системы двухфотонной визуализации. Нейробиологи могут делать снимки в микроскоп, отмечать нейроны, которые они хотят активировать, а программа генерирует голограммы, соответствующие этим паттернам активации. В ближайшей перспективе это позволит исследовать нейронный код с точностью до одного нейрона.

Антитела используются в качестве терапии с середины 1990-х годов. Однако только в последние пару лет, когда ученые выяснили, как структура антител влияет на их функцию, стал понятен их потенциал. Способность антител связываться с антигенами, как выяснилось, не определяет однозначно их способность активировать иммунные клетки, в том числе естественные или натуральные киллеры (NK-клетки). Тем не менее, сейчас известны структурные особенности антител, связанные с максимальной эффективностью взаимодействия их с NK-клетками. Для внесения изменений в структуру антитела на уровне кодирующей последовательности используют метод PIPE (полимеразное неполное удлинение праймера), объединяющий в двухэтапном протоколе мутагенез, осуществляемый в ходе амплификации, и клонирование продуктов амплификации. В большинстве случаев речь идет о терапевтических антителах на основе иммуноглобулина G. Ведутся также работы по применению антител на основе иммуноглобулина Е (IgE). Эти иммуноглобулины связаны с воспалительными аллергическими реакциями, но будучи адаптированными к маркерам клеток раковой опухоли, они могут стать надежным способом уничтожения опухолевых клеток. Прелесть сконструированных антител в том, что из-за их универсального характера их можно применять практически к любому заболеванию, если есть терапевтическая мишень для антител.

Клетки тела выполняют множество различных функций. Но все они происходят из одной клетки и одного генома. Как одна клетка дает начало всем этим различным типам? В настоящий момент принято рассматривать трехмерную архитектуру генома как результат и как составляющую эпигенетической регуляции экспрессионной активности генома. Комбинирование трех наиболее популярных методов - Hi-C, CUT & Tag и SHARE-seq позволяют получить новые данные по ткане- и пол-специфичной регуляции экспрессии. Метод Hi-C основан на ковалентном связывании комплексов ДНК-белок с применением формальдегида, и последующих реакциях рестрикции ДНК, лигировании концов цепей ДНК, оказавшихся в одном комплексе с белковой глобулой, и секвенировании химерного фрагмента. Применение этого метода, в частности, показало, что у эмбрионов мыши на протяжении 6-и первых делений сохраняются структуры отцовского и материнского геномов, и сами геномы не связаны, что предполагает формирование специфических ограниченных полом эпигенетических регуляций экспрессии генов именно в этот период. Технология CUT & Tag включает этапы распознания высоко специфичными антителами белков хроматина и их модифицированных вариантов (например, метилированных форм), связывания транспозазы A-Tn5, загруженной адаптерами, с позиционированными антителами, разрезание ДНК вблизи связанных антител и встраивание адаптеров, подготовку и секвенирование библиотек, связанных с сайтами посадки на ДНК конкретных белков. Метод SHARE-seq сочетает в себе два метода секвенирования для определения областей генома, доступных для активирующих транскрипцию молекул. Применяя эти инструменты к развивающемуся эмбриону, мы можем создать дорожную карту того, как конкретные особенности геномной архитектуры определяют судьбу клетки по мере развития эмбриона.

Помимо факторов роста и других молекул, клетки также ощущают физическую силу. Ощущение силы может регулировать экспрессию генов, их пролиферацию, развитие и, возможно, рак. Силу трудно изучать, потому что мы определяем только эффекты ее применения - деформацию или движение. Для анализа таких воздействий на клетки разработано два инструмента. GenEPi, разработанный в Имперском колледже Лондона, объединяет две молекулы. Одна, называемая Piezo1, представляет собой ионный канал, который проводит ионы кальция через свои поры, когда чувствует напряжение на клеточной мембране. Эти ионы обнаруживаются второй молекулой, которая светится ярче, когда связывается с кальцием. В отличие от предыдущих датчиков, которые широко контролируют цитоплазматический кальций, GenEPi измеряет только активность кальция, связанного с Piezo1. Второй инструмент, ActuAtor, был создан с использованием ActA, белка патогенной бактерии Listeria monocytogenes. ActA обеспечивает полимеризацию актина на поверхности бактерии, создавая деформации, приводящие к движению бактерии. Технология ActuAtor обеспечивает распределение ActA в заданных участках клетки, под воздействием света или химических стимулов, что приводит к полимеризации в этих участках актина и заданным деформационным изменениям участков клетки или органелл. Это первый молекулярный инструмент для специфической и неинвазивной деформации участков клетки или органелл в живых клетках.

Масс-спектрометрия может быстро анализировать от сотен до тысяч молекул из сложных образцов с высокой чувствительностью и химической специфичностью. Хотя этот метод обладает высокой разрешающей способностью и пригоден для глубокого исследования биологических тканей, клинические исследования требуют упрощения метода, чтобы врачи могли использовать его для поддержки и принятия клинических решений. Так, разработанная в 2017 году система MALDI, управляющая ионами на открытом воздухе, позволила комбинировать метод с другими технологиями, включая флуоресцентную гибридизационную микроскопию in situ, биолюминесцентную визуализацию, визуализацию лица и магнитно-резонансную томографию. Это позволило, например, исследовать взаимодействия хозяина и микроба и метаболические изменения с большей молекулярной и гистологической точностью, чем это было возможно ранее. Портативная система масс-спектрометрии MasSpec Pen помогает хирургам идентифицировать опухолевые ткани и их границы. Она ориентирована на метаболиты, которые позволяют отличить нормальную ткань от ткани опухоли. В настоящий момент подготовлены библиотеки молекулярных профилей, определяющих сравнительные характеристики метаболизма в нормальной ткани по сравнению с тканью опухоли и эффективность системы тестируется в операционной.

Задача создания «искусственного носа», способного с высокой эффективностью определить по спектру запахов экологические риски или заболевания, сложна и не тривиальна, что связано со сложностью обонятельных сенсоров, с одной стороны, и определением смесей из нескольких сотен или даже тысяч химических веществ, часто в следовых концентрациях, с другой. Для разработки нового поколения датчиков искусственного обоняния используется несколько подходов. Один из них предполагает увеличение разнообразия газочувствительных материалов с использованием двухслойной конструкции. Например, можно покрыть каждый из 10 различных сенсорных материалов 10 каталитическими слоями, которые точно настраивают газочувствительные характеристики каждого материала, чтобы в общей сложности получить 10х10 или 100 различных сенсоров. Для ускорения работы датчика одна из стратегий состоит в том, чтобы сделать чувствительный материал пористым, увеличивая площадь поверхности для детекции молекул определенного типа. Технология искусственного обоняния может использоваться для медицинской диагностики, например, для обнаружения более высоких концентраций оксида азота в дыхании людей, страдающих астмой. Другие приложения включают мониторинг загрязнения воздуха, оценку качества продуктов питания и интеллектуальное земледелие на основе сигналов от гормонов растений.

Новость подготовил © Куликов А.М.
03.02.2021