Нам очень нравится традиция подводить итоги в конце года. В этот раз, кроме личных результатов, решили отметить научные открытия и разработки 2024 года. В шорт-лист вошли достижения ученых КФУ — вуза, который на протяжении 220 лет формирует и развивает научный дискурс, совершает индустриальные прорывы и меняет жизнь миллионов обычных людей.

Мы поговорили с семью учеными из разных сфер: от генетики и микробиологии до астрофизики и нефтехимии. Зачем открывать звезды, как исправлять поломки в генах и что делать, когда закончится легкая нефть, — о сложных явлениях и процессах читайте в простых ответах ученых КФУ.

Генетика

Альберт Ризванов

руководитель центра превосходства «Персонифицированная медицина», профессор и главный научный сотрудник кафедры генетики Института фундаментальной медицины и биологии КФУ, академик-секретарь и член-корреспондент Академии наук РТ

Что открыли

Препараты генной терапии для лечения редких заболеваний

Редкие заболевания связаны с наследственными мутациями генов, из-за которых организм не производит важные для жизнедеятельности белки. Вариантов таких поломок генов более 7 000, но встречаются они редко: у одного из десяти тысяч или даже одного из млн человек.

Генная терапия борется не с последствиями заболеваний, а с их первопричинами. Это можно сравнить с компьютером, где геном — жесткий диск. Когда в нем случается сбой, например, не открывается файл, можно воспользоваться флешкой и скачать документ заново или запустить его с носителя. Генный препарат, подобно флешке, содержит правильные копии генов. Клетки считывают информацию и начинают выполнять инструкцию по биосинтезу недостающих белков.

Мы разрабатываем препараты для лечения нескольких наследственных заболеваний: метахроматической лейкодистрофии (повреждение «оболочки» нервов — миелина, которое приводит к проблемам с координацией и развитием), болезни Тея-Сакса (нарушение работы ферментов, из-за чего страдают клетки мозга), ихтиоза (кожное заболевание, при котором дерма покрывается чешуйками) и других.

Как открыли

С помощью генной инженерии и платформенного подхода

Правильные гены синтезируются с помощью генной инженерии. Здоровые копии встраиваются в различные векторы, например, безопасные для человека вирусные. Они работают почти как вакцина от COVID-19, где искусственно измененный безопасный вирус доставляет в клетки ген коронавируса, что приводит к выработке вирусного белка. Организм формирует иммунитет — антитела и Т-клетки. Генные препараты стимулируют не иммунный ответ, а приводят к биосинтезу недостающих белков человека.

В КФУ мы практикуем платформенный подход — конструктор, в котором вместо деталек — гены. Мы меняем кубики и получаем варианты препаратов для разных мутаций. Получается серийная разработка лекарств, которые к тому же можно делать на одной производственной линии. Так как генные болезни редкие, много лекарства не нужно, поэтому строить завод для производства только одного препарата — неэффективно. Платформенный подход с работой над несколькими лекарствами одновременно решает эту проблему.

Как открытие повлияет на будущее

Вылечить любое генное заболевание будет просто и недорого

В сентябре 2024 года в законе «Об обращении лекарственных средств» добавили понятие «биотехнологические лекарственные препараты». Теперь организации, которые разрабатывают препараты генной терапии, могут проводить их клинические исследования по индивидуальным показаниям для пациентов. Уже в следующем году на базе вуза появится биофармпарк. Фармкомпании, которые заинтересованы в опыте КФУ, смогут не только заказать разработку препаратов, но и получить пилотные партии для доклинических и клинических исследований. Мы сможем быстрее и дешевле разрабатывать, производить и внедрять лекарства, которые помогут справиться взрослым и детям с очень серьезными заболеваниями.

Медицина и биология

Яна Мухамедшина

доктор медицинских наук, профессор Академии наук республики Татарстан, ведущий научный сотрудник Института фундаментальной медицины и биологии КФУ

Что открыли

Генактивированные матриксы

Для восстановления после травм используют матриксы — имплантируемые материалы, которые выполняют функцию каркаса и помогают тканям регенерировать. Клетки из сохранной здоровой области мигрируют на имплант и быстрее восстанавливают поврежденный участок.

Первое поколение матриксов выполняло исключительно механическую функцию. Для усиления регенераторного потенциала ученые засеяли имплант кольцевой ДНК с генами. Кольцевая ДНК проникает в клетки, заставляет их синтезировать терапевтические молекулы и эффективнее заполнять область дефекта. Время показало, что «заражение» клеток плазмидными векторами идет хуже, чем вирусными. Так появилось следующее поколение препаратов — генактивированных матриксов, которые стали насыщать (адгезировать на их поверхность) генными вирусными препаратами. В нашем случае — аденоассоциированными вирусами, которые показали свою безопасность и эффективность.

Подобные генактивированные матриксы биосовместимые, не вызывают иммунные и воспалительные реакции и со временем разлагаются в организме. Матриксы могут быть в виде пластин и полых трубок (кондуитов). Например, при повреждении спинного мозга на травмированную область можно наложить генактивированный матрикс в виде пластины. При разрывах периферических нервов в области дефекта (диастаза) можно использовать аналогичные матриксы в виде полых трубок.

Как открыли

С помощью электроспиннинга и адгезии

Мы создаем матриксы при помощи электроспиннинга: напыляем полимерный биологический или синтетический раствор на тонкий цилиндр для полых матриксов и на толстый цилиндр для пластин. Под микроскопом они выглядят как трехмерная сетчатая структура, которая может быть разной пористости и толщины. На поверхность и внутрь матрикса «прикрепляются» вирусы. После проверки адгезии (сцепления) матрикс можно использовать в организме.

Как открытие повлияет на будущее

Быстрое восстановление пациентов с травмами нервной ткани

Матриксы обеспечивают лучший прогресс восстановления. Это один из вариантов в острый период нейротравмы улучшить регенерацию и способствовать полному или частичному восстановлению двигательной и чувствительной функций.

Матриксы сами по себе — изделия медицинского назначения, так как выполняют механическую функцию. Матриксы, засеянные кольцевой ДНК или вирусами, требуют предварительной регистрации генного компонента как лекарственного препарата. В России индустриальные партнеры заинтересованы нашими разработками, и есть надежда на появление новых инновационных лекарственных препаратов отечественного происхождения. В ближайшее время мы планируем начать тестирование генактивированных матриксов на животных.

Астрофизика

Ильхам Галиуллин

заведующий молодежной НИЛ «Космические источники рентгеновского излучения», ассистент кафедры астрономии и космической геодезии Института физики КФУ

Что открыли

Четыре двойные звезды

В космосе есть одиночные звезды как Солнце и двойные системы. В них звезды вращаются друг вокруг друга наподобие Земли и Луны. Нас интересовали не просто двойные системы, а те, у которых один из объектов проэволюционировал и стал белым карликом — объектом размером с Землю и массой с Солнце. Такие тесные двойные системы называются катаклизмическими переменными, где белый карлик перетягивает вещество (газ) с соседней звезды.

У катаклизмических переменных широкий спектр наблюдательных особенностей. При особых условиях на поверхности белого карлика может накопиться достаточное количество вещества и начаться термоядерная реакция, что станет причиной дальнейшего взрыва белого карлика — одного из самых мощных событий во Вселенной. Такие вспышки называются сверхновыми типа Ia, где выделяется огромное количество света и энергии, превышающих на тысячи порядков излучение нашего Солнца.

Как открыли

С помощью многоканальной астрофизики

Многоканальная астрономия позволяет изучать космос в разных диапазонах электромагнитного спектра: радиоволны, оптического (видимого) света, микроволнового, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучений. Благодаря комбинации данных в разных диапазонах мы получаем более полное и точное представление о природе космического объекта — это как смотреть на вещь в очках с разными стеклами и видеть ее каждый раз по-новому.

Чтобы обнаружить двойные системы, мы занимались анализом архивных данных рентгеновской космической обсерватории Chandra (около 300 тысяч объектов), оптического космического телескопа Gaia (около млрд объектов) и наземной оптической системы Zwicky Transient Facility (около млн объектов). На основе анализа каталогов удалось выделить около 26 000 источников нашей Галактики, излучающих в рентгеновском и оптическом диапазонах. Среди 26 000 источников оказалось 10 кандидатов катаклизмических переменных. Чтобы подтвердить их природу, мы провели наблюдение на крупных телескопах: 10-метровом телескопе в обсерватории Кека и 5-метровом телескопе в Паломарской обсерватории.

Как открытие повлияет на будущее

Космические объекты в Галактике станут известнее, а физические процессы — понятнее

Большая часть астрофизических исследований фундаментальны. Изучать космические объекты и явления нужно для понимания разных физических процессов и свойств веществ в экстремальных условиях. Эти знания пригодятся для развития технологий в будущем. Только представьте, в XIX веке звезды помогали в навигации, а сегодня те знания, методы и технологии, которые были разработаны для изучения космических объектов, используются в космической отрасли, энергетике, медицине, климатологии, поиске сверхпроводников, развитии компьютерных технологий и многих других направлениях.

Нефтехимия

Алексей Вахин

руководитель НИЛ «Внутрипластовое горение» Института геологии и нефтегазовых технологий КФУ

Что открыли

Технология внутрипластовой нефтепереработки с использованием катализаторов для освоения месторождений высоковязкой нефти

Ресурсы обычной нефти в мире снижаются, и все больше компаний обращают внимание на тяжелое высоковязкое сырье — нефть высокой плотности с крупными молекулами, так называемыми асфальтенами. В такой нефти содержится много серы. Чтобы добыть тяжелую нефть, ее нагревают. Для этого в пласт закачивают пар: он конденсируется, происходит фазовый переход, пласт нагревается, и тяжелая высоковязкая нефть становится более подвижной.

В условиях теплового воздействия возможно добиться не просто «размягчения» нефти, но и ее химического преобразования с помощью катализаторов. Это такие вещества, которые ускоряют химические реакции. То есть благодаря катализаторам мы можем в некоторой степени начать перерабатывать нефть уже на этапе добычи. Это помогает более рационально использовать энергию: на тот же объем закачанного в пласт пара, добывается больше сырья.

Как открыли

Исследовали катализаторы

Исследования катализаторов проводятся по всему миру уже много лет. Первые опыты в КФУ стартовали 10 лет назад. Мы стали пионерами в России по практическому внедрению внутрипластовых катализаторов. Наши составы запатентованы и испытаны на нескольких месторождениях.

Как открытие повлияет на будущее

Продукты нефтехимии и топливо станут дешевле

Во время первичной переработки на этапе добычи в нефте становится меньше трудноперерабатываемых компонентов — тех самых крупных молекул асфальтенов и серы. Это снижает нагрузку на нефтеперерабатывающие заводы.

Широкому потребителю сложно ощутить прямой эффект, потому что многие разработки по совершенствованию нефтедобычи имеют отложенный эффект. Но в целом, любое повышение рентабельности сказывается на снижении стоимости продуктов нефтехимии и углеводородного топлива.

Михаил Варфоломеев

заведующий кафедрой разработки и эксплуатации месторождений трудноизвлекаемых углеводородов Института геологии и нефтегазовых технологий КФУ

Что открыли

Реагенты для повышения нефтеотдачи

В современной нефтегазовой сфере есть две проблемы. Легкой нефти, которую можно добыть простыми способами, становится меньше. На многих крупных месторождениях добывают только 30–40% от имеющихся запасов, несмотря на вложенные средства на обустройство месторождений. Чтобы извлечь остаточную нефть на старых месторождениях и наладить добычу тяжелого высоковязкого сырья, мы создаем химические реагенты и разрабатываем технологии.

Одни из таких реагентов — ПАВ для заводнения нефтяного пласта. Поверхностно-активные вещества содержатся в средствах для мытья посуды и помогают отмыть жир от тарелок. Что-то подобное мы реализуем на нефтяных месторождения на глубине до нескольких километров: закачиваем раствор ПАВ и он «отмывает» нефть. Ценность разработки в том, что посуду мы моем чистой пресной водой при комнатной температуре. На нефтяных месторождениях совсем другие условия. Температура может варьироваться от 0 до 150 °C, а концентрация соли в воде доходить до 40%.

Другой вызов заключается в том, что объекты нефтегазодобычи смещаются в районы со сложными климатическими условиями. Из-за низкой температуры и повышенного давления образуются твердые частицы в виде гидратов. Они уменьшают объемы добычи, блокируют системы сбора и транспорта нефтепродуктов. Мы создали реагенты, которые позволяют ингибировать или замедлить эти процессы. Это обеспечит стабильную добычу, сбор и подготовку нефти и газа в районах с осложненными условиями.

Как открытие повлияет на будущее

Увеличится объем добычи нефти

Растворы ПАВ и другие разрабатываемые нами реагенты помогут увеличить добычу нефти на 15–20%. Эти объемы важны как для внутреннего потребления нефтепродуктов в стране, так и для экспорта. Кроме топлива, из нефти получают огромное количество полезных компонентов для нефтехимии и новых материалов, в том числе пластмасс, синтетические ткани и даже лекарственные препараты. Это важное ископаемое сырье, от которого мы не можем отказаться.

Многие рассуждают, что нефтяная индустрия загибается и что мы в ближайшее время перейдем на возобновляемые источники энергии. На самом деле это не так. Все прогнозы говорят, что объем потребления нефти не будет снижаться еще несколько десятилетий. И только во второй половине XXI века ожидается более серьезный переход от нефти к возобновляемым источникам.

Материаловедение — полимерные композиты

Игорь Антипин

научный руководитель НИЛ «Синтетические полимерные материалы и композиты» и профессор Химического института им. А.М. Бутлерова КФУ

Что открыли

Технология получения изделий из суперконструкционного полимера

Суперконструкционные пластики отвечают самым жестким условиям эксплуатации: они устойчивы к экстремальным температурам, механически прочные, жесткие, химически стойкие, негорючие и стабильные — сохраняют постоянный размер и форму в любых условиях. Это важные свойства для современных высокотехнологичных производств: автомобилестроения, авиакосмической промышленности, медицины и оборонно-промышленного комплекса.

Сегодня, чтобы быстро изготовить изделия сложной формы, используют 3D-печать. Но для работы любого принтера нужен расходный материал: для струйного — чернила, для лазерного — порошок, для 3D-принтера — филамент, который выглядит как полимерная проволока (нить) на катушке. Мы первые в России разработали технологию производства филамента из отечественного суперконструкционного пластика. Преимуществом разработки в том, что мы работаем с российскими материалами, а именно с полифениленсульфидом казанской компании ООО «НТЦ “Ахмадуллины”».

Другой важной разработкой стала технологии производства тонких пленочных материалов из суперконструкционных термопластов. Благодаря их химической стойкости и хорошим электроизоляционным свойствам, у них самый широкий спектр применения в качестве полифункциональных (многослойных), упрочняющих, проводящих и диэлектрических материалов при формировании контактов, изготовлении печатных плат, элементов интегральных схем в микроэлектронике, создании светофильтров, элементной базы оптоэлектроники и так далее.

Как открыли

С помощью уникальной производственной линии, объединив химические и инженерные знания

Простыми словами: мы берем специально сконструированный (это ноу-хау) композит в виде гранул, расплавляем в специальном устройстве экструдере при температуре 300–400 °C и с помощью «толкателя» шнека выдавливаем этот расплав через тонкое отверстие, который при охлаждении застывает в нить филамента. Для того чтобы получить пленку, тонкое отверстие заменяем на узкую щель.

При всей кажущейся простоте метода, это сложнейшая технологическая задача: подобрать состав, температурный режим переработки, скорость протяжки материала и так далее. Мы единственные в России и немногие в мире, которые могут производить тонкие пленки из суперконструкционных полимеров.

Как открытие повлияет на будущее

Повысится износостойкость многих элементов

По многим характеристикам такие полимеры и композиты на их основе превосходят металлы, при этом их вес на 50–70% меньше. Мы даже не замечаем, что суперпластики находятся вокруг нас и делают нашу жизнь более комфортной и безопасной. Например, в самолете до 40% изделий могут быть изготовлены из таких композитов. Или зубной протез может быть напечатан на 3D-принтере из высокопрочных пластиков. Важен также и экологический аспект применения эти полимеров: они долговечны и могут подвергаться повторной переработке, что резко снижает количество загрязнений в природной среде.

Энергетика

Руслан Батулин

доцент кафедры общей физики, ведущий научный сотрудник и руководитель НИЛ «Квантовые симуляторы» Института физики КФУ

Что открыли

Технология создания гибкого сверхпроводящего композита на основе магния и бора

Чтобы в розетке появился электрический ток, энергию солнца, ветра, воды или атомов необходимо преобразовать и передать на большие расстояния. Для этого используют воздушные линии электропередач (ЛЭП). Чтобы передать электроэнергию на большие расстояния, напряжение сначала повышают до 35–110 кВ и 330–750 кВ, а потом понижают до привычных 220–230 В с помощью мощных трансформаторов. В них и в высоковольтных ЛЭП и заключается некоторая проблема.

Провода для ЛЭП делают из алюминия, а для бытовой электропроводки — из меди. И алюминий, и медь — хорошие проводники электричества. Когда ток протекает по проводнику со сопротивлением, часть энергии рассеивается и преобразуется в тепло. При передаче по ЛЭП теряется 2%–5% — при небольшом потреблении электроэнергии потери незначительные. Но когда передаются значительные мощности в 25–50 МВт и более, годовые потери составляют значительные суммы. Это критично для промышленности и крупных городов.

Сверхпроводники при определенных условиях (ниже критической температуры) не обладают электрическим сопротивлением и, соответственно, не имеют потерь. Но сверхпроводники нужно охлаждать — для чего тоже тратится энергия. Несмотря на это, охладить сверхпроводник и поддерживать его в этом состоянии дешевле, чем использовать обычные проводники.

Идея использовать сверхпроводники для передачи электроэнергии неновая. Например, российская компания «С-Инновации» производит сверхпроводники второго поколения в виде гибких композитов на основе редкоземельных купратов REBCO. А «Россети» уже тестируют сверхпроводящую линию 2,5 км в Санкт-Петербурге. Но пока все эти системы очень дороги. Наша группа разработала технологию, объединяющую преимущества гибкого композита и относительно дешевый сверхпроводник на основе диборид магния MgB2.

Как открыли

Напылили сверхпроводник из мишеней магния и бора

Сверхпроводник может быть проводом или многослойной лентой — композитным материалом. Наш вариант выглядит как композит, в основе которого металлическая лента шириной 10 мм и толщиной 100 мкм. На ленту наносится защитный буферный слой, а на него сверхпроводящий слой из мишеней магния и бора. Для этого используют метод магнетронного напыления.

Как открытие повлияет на будущее

Плата за электроэнергию станет меньше

Формула простая: чем больше электроэнергии поставляет оператор при тех же финансовых затратах, тем дешевле конечная стоимость электричества для людей. Плюс, сверхпроводники решают инфраструктурную проблему, могут быть эффективными токоограничивающими устройствами, сверхпроводящими накопителями энергии и так далее. В городах с плотной застройкой иногда невозможно проложить кабельную линию, которая позволит увеличить пропускную способность с помощью обычных проводников: для этого нужно выделить землю для строительства целого туннеля. Для увеличения пропускной способности при прочих равных условиях помогут только сверхпроводники.

Текст: Ксения Монастырская
Изображения: Айгуль Мирханова