Человек-машина: краткий обзор достижений и возможностей биоинженерии
Биоинженерия способна компенсировать недостатки человеческого организма. Эта наука уже позволяет ежедневно спасать людей, а в будущем способна вывести человеческое тело на новый уровень. Некоторые же придерживаются мнения о том, что биоинженерия приведет к неминуемым последствиям для жизни людей и планеты в целом. Разбираемся.
На какие направления распространяется биоинженерия
Грубо говоря это наука, в которой на биологию применяются принципы инженерии. Также в биоинженерии используются методы работы, перенесенные из таких научных направлений, как биофизика, генная инженерия, медицина и даже IT-технологии. При более детальном рассмотрении в принципах работы медицины и инженерии на самом деле можно найти много общего: обе сферы фокусируются на процессах, прогнозировании, построении и исправлении.
В биоинженерии синтез медицины и технологий позволяет изучать человеческое тело и воздействовать на него посредством самой передовой аппаратуры. Важнейшей целью науки стала разработка технологий, способных улучшать организм человека и качество жизни, восстанавливать здоровье и работать на долголетие. Уже существует сразу несколько направлений биоинженерии. О них поговорим поподробнее.
Молекулярное (атомистическое) моделирование
В этот термин входит множество способов исследования, анализа и обработки свойств и структуры молекулярных систем с помощью компьютерного моделирования. Цель — предугадать поведение и движение молекул в структуре. Молекулярное моделирование применяется в фармацевтике, биологии, химии и других отраслях.
Среди компаний, занимающихся молекулярным моделированием, выделяется Fujitsu. Уже более десяти лет ученые из этой организации совершают разработки в сфере моделирования. В феврале 2023 года Fujitsu совместно с ирландским стартапом Atmonia сообщили о результатах совместных исследований в квантово-химическом моделировании.
Основной целью данных предприятий было сформировать новый метод синтеза экологически чистого белка. Так, при помощи специально обученного искусственного интеллекта, Fujitsu и Atmonia удалось создать модель, благодаря которой можно в 100 раз быстрее находить вещества, способные стать катализаторами.
Биоинформатика
Биоинформатика занимается компьютерным анализом биологических и молекулярных данных. Прежде всего биоинформатика фокусируется на изучении ДНК и РНК, а также геномах, биологических сетях и т.д.
В конце 2023 года ученые из Института Аллена представили первую полную карту мозга взрослой мыши. Идентифицировано более 5300 клеток, в атласе определено местоположение и тип каждой из них. Исследования проводились в течение шести лет, за этот период было изучено более 32 миллионов клеток.
Вице-президент и директор Института Аллена Хонгкуй Цзен отметил, что это достижение откроет новый этап в изучении принципов работы мозга. Проект спонсировался Национальным институтом здравоохранения и их инициативой по исследованию мозга посредством продвижения инновационных нейротехнологий (Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies (BRAIN) Initiative).
В планах у ученых создать такую же карту, но уже человеческого мозга. Это поможет узнать, как развивается и функционирует наш мозг, а также поможет создать новые методы лечения пациентов с Альцгеймером и болезнью Паркинсона.
Генная инженерия
Генная инженерия разрабатывает технологии, способные модифицировать тело на генном уровне, в том числе — посредством изменения структуры ДНК. Генная инженерия применяется не только в медицине, но и в сельском хозяйстве.
В марте 2024 года появилась новость о том, что ученые Пенсильванского университета смогли сформировать искусственные хромосомы человека. Они могут доставлять инструменты редактирования генома в клетки организма. Одна из отличительных особенностей этих искусственных хромосом и большое достижение ученых — они могут сохраняться, а также переходить к будущим поколениям.
Это открытие в перспективе позволит полностью излечить всех пациентов с генетическими заболеваниями (и отчасти с онкологией). Но это дело явно не ближайших лет.
Фармацевтические биотехнологии
Биофармацевтика занимается добычей фармацевтических ресурсов и лекарственных средств из живых организмов. Способы получения этих ресурсов и методы контроля их качества еще разрабатываются.
Компания Agios Pharmaceuticals разработала специальную молекулу Vorasidenib, которая должна лечить острый миелоидный лейкоз и приостанавливать развитие опухолей в мозге. По результатам исследований, после применения Vorasidenib ухудшение состояния пациента не происходит в течение 27,7 месяцев. Для сравнения — у других пациентов этот промежуток составляет 11,1 месяцев.
Достижения в области биотехнологий
Коронавирус оказал несомненное воздействие на биоинженерию: из-за него начала вестись активная разработка и тестирование вакцин, а в научном сообществе появились новые тенденции, такие как моноклональные антитела, клеточная и генная терапия.
Согласно исследованию Global Market Insights, к 2027 году общая стоимость рынка биотехнологий составит более 950 миллиардов долларов. Инвесторы, вкладывающие деньги в перспективные проекты, помогают многим биоинженерным компаниям осуществлять свои идеи.
Линзы с дополненной реальностью
«Умные» линзы изготовила калифорнийская компания Mojo Vision. В них устроены: магнитометр, гироскоп, акселерометр. Все эти дополнения позволяют изображениям, проецируемым в линзах, оставаться неподвижными во время любых движений глаз. Помимо этого в линзах есть аккумулятор.
Принцип их работы достаточно прост: на линзу, через которую можно видеть и обычный мир, выводится виртуальный. При этом само устройство соединяется по каналу с внешним блоком, который обязательно должен быть с собой, так как именно в нем происходят процессы, позволяющие линзе транслировать изображения. На устройство можно выводить различные подсказки (например, во время выступления), варианты маршрутов, информацию о людях и многое другое.
Создатели надеются, что их изобретение поможет не только обычным людям, но и тем, у кого есть проблемы со зрением: с помощью линзы им будет проще ориентироваться в пространстве и выполнять базовые действия.
Вживление чипа в головной мозг человека
Не так давно Neuralink поделилась опытом вживления специального чипа в мозг согласившемуся на эксперимент волонтеру. До этого тесты проводились только на животных, в основном — обезьянах.
Сейчас известно не так много: сам Маск рассказал, что пациент с чипом уже научился одним лишь взглядом управлять курсором мыши, никаких нарушений в мозгу обнаружено не было, и сейчас участник эксперимента полностью восстановился. Недавно он даже смог при помощи чипа сыграть в шахматы.
Эксперимент сопровождается большой секретностью. Поэтому с уверенностью сказать, был ли опыт удачен на 100%, сейчас невозможно. Но несмотря на это сам факт вживления в мозг человека беспроводного чипа говорит о широких возможностях биоинженерии: с ее помощью люди с инвалидностью получат возможность жить обычной жизнью.
Помимо чипа, Neuralink занимается и другими разработками, связанными с мозгом человека. Так, в 2022 году они зарегистрировали патент «Обработка нейронных сигналов для интерфейса мозг-машина». Это изобретение предназначено для считывания и анализа активности человеческого мозга для последующего понимания принципов работы органа, а также отправки сигналов из мозга для управления протезированными частями тела.
Ухо, которое напечатали на 3D-принтере
Bionic ear — это протез, который был создан с помощью 3D-принтера. Ученые из Принстонского университета внедрили в него слуховой аппарат, так что это не просто способ устранить эстетический недостаток, но еще и помощь тем, кто не может слышать.
Результаты исследования опубликовали ученые из Принстонского университета в журнале Nano Letters. В напечатанном импланте есть не только искусственные, но и органические материалы: в мире такое изобретение встречается впервые. В качестве органического материала выступили клетки теленка, которые при взаимодействии с кожей человека становятся хрящом, с помощью которого крепятся к телу.
Японские экзокостюмы
Экзокостюм японской компании Skeletonics не нуждается в заряде: он работает, основываясь на силе движений человека, который его надел. Помимо этого, костюм способен с точностью повторять все, что делает его хозяин. Механические и электрические части соединяются с телом, что обеспечивает синхронизацию и плавность действий экзоскелета и владельца.
Но в Японии не ограничились лишь таким небольшим изобретением. Компания Tsubame Industries создала большой роботизированный экзоскелет высотой 4,5 метра под названием Archax.
У него есть два режима: вертикальный и горизонтальный. Вертикальный режим позволяет пользоваться изобретением как роботом, а горизонтальный делает из него средство для передвижения.
Весит костюм больше 3 тонн. В вертикальном состоянии он похож на полноценного робота с руками и ногами, а в горизонтальном способен достигать скорости 10 км/ч. Управлять им нужно через джойстики и мониторы, при этом владелец находится в центре костюма.
Проблемы биоинженерии
Основные проблемы, с которыми сталкиваются биоинженеры — этические. Многие эксперименты ученых, например, того же Илона Маска и его чипа, вызывают дискуссии в обществе о том, насколько этично вживлять человеку не до конца протестированный чип. Или другое — можно ли клонировать человека. Как известно, еще в 1995 году произошло успешное клонирование овец, и впоследствии в этой сфере было сделано много удачных экспериментов. А вот клонирование человека не практикуется и находится под запретом.
Отсюда вытекает и следующая причина, по которой биоинженерия не может сделать полноценный шаг вперед — юридическая. Большинство стран вводят ограничения на проведение особо смелых опытов, в том числе над человеком. Государство и даже общественность жестко следит и за теми редкими экспериментами над людьми, которые все же находят пути и получают разрешение.
Полезное от Онлайн Патент:
Как получить господдержку для IT-компании?
Какие выгоды можно получит от регистрации программы для ЭВМ?
Как защитить базу данных клиентов?
Не только айтишники: какие компании могут внести свои программы в Реестр отечественного ПО?
Руководство по товарным знакам в 2024 году.
Больше контента о сфере интеллектуальной собственности в нашем Telegram-канале
