Препарат Ozempic, аппараты МРТ и телевизоры с плоским экраном — все это появилось в результате фундаментальных исследований, проведенных за десятилетия до внедрения. Фундаментальные исследования часто оказываются объектом насмешек, поскольку их результаты редко можно сразу применить на практике, однако на самом деле они являются важнейшим фактором экономического роста. «Отдача от инвестиций в фундаментальные исследования. то есть отдача для общества — очень высока, обычно в несколько долларов на каждый вложенный доллар», — сообщает Холдрен.

Исторически сложилось так, что государственный аппарат является основным спонсором фундаментальных исследований. Холдрен считает, что частный сектор никогда не сможет инвестировать в такие исследования достаточно средств: для частного инвестора срок, в который он может получить прибыль, слишком велик, а возможность получения самой прибыли спонсором слишком неопределенна. Холдрен считает, что именно поэтому финансирование фундаментальных исследований, по сути, является обязанностью государства. Учёные приводят обширный список результатов фундаментальных исследований, которые впоследствии изменили мир. Вот несколько примеров.

От горячих источников до ДНК-идентификации

Летом 1966 года, будучи студентом Университета Индианы, Хадсон Фриз перебрался в хижину на окраине Йеллоустонского национального парка. Он работал на микробиолога Томаса Брока, который был убеждён, что определённые микроорганизмы живут при удивительно высоких температурах. Скрываясь от медведей и столпотворений туристов, которые возникали из-за этих самых медведей, Фриз каждый день наведывался к горячим источникам, чтобы добыть образцы бактерий.

Томас Брок стоит у Машрум-Спрингс в Йеллоустоунском Национальном Парке, 1967 г.

19 сентября Фризу удалось вырастить образец желтоватых микробов из источника Машрум-Спринг. Под микроскопом он обнаружил множество клеток, собранных из источника, вода из которого была температурой, близкой к кипению. По словам Фриза, который ныне работает в Медицинском исследовательском институте Санфорда Бернхэма Пребиса в Ла-Хойе, Калифорния, он увидел нечто, чего никто никогда раньше не видел. «У меня до сих пор мурашки по коже, когда я вспоминаю, как взглянул в микроскоп», продолжает он.

Три года спустя Фриз и Брок описали одну из бактерий, которую они назвали Thermus aquaticus [1]. Она лучше всего росла при температуре 70 °C. Затем, в 1970 году, они выделили из T. aquaticus фермент [2], который осуществлял метаболизм глюкозы при оптимальной температуре 95 °C. К тому времени Фриз ушёл в аспирантуру и сосредоточился на слизевиках. Однако другие исследователи продолжали изучать T. aquaticus, и в 1976 году группе из Университета Цинциннати в Огайо удалось выделить другой фермент [3]: «ДНК-полимеразу», способную синтезировать новую ДНК при 80 °C.

Семь лет спустя эта Taq-полимераза оказалась именно тем, что было нужно биохимику Кэри Муллису при разработке полимеразной цепной реакции (ПЦР) – метода быстрого создания тысяч и тысяч копий одного фрагмента ДНК [4]. В экспериментах Муллису требовались высокие температуры для расщепления молекул ДНК, поэтому ему и была нужна полимераза, способная работать при высоких температурах, чтобы избежать повторяющихся нагреваний и охлаждений.

Сегодня ПЦР является незаменимым инструментом во многих областях: от сфер медицины, где она используется для сопоставления доноров органов с реципиентами и в диагностике онкологических заболеваний, до ДНК-отпечатков (помощь полиции в идентификации преступников).

Происхождение МРТ

Магнитно-резонансная томография (МРТ) — основа современной инструментальной диагностики в медицине. Метод позволяет получать детальные изображения внутренних органов человека, выявляя, например, аномалии в структуре сердца или изменения размеров опухоли. Функциональная МРТ (фМРТ) служит для отслеживания изменения кровотока в головном мозге, что позволяет клиницисту получить основополагающие сведения о его работе. Более того, МРТ является неинвазивным методом и не требует использования радиоактивных веществ или ионизирующего излучения, в отличие от многих других визуализационных методик

МРТ появилась в 1930-е гг. в результате исследований физических свойств атомных ядер и элементарных частиц в них. Как отмечает Кармен Джунта, химик из колледжа Ле Мойн в Сиракузах, штат Нью-Йорк, то направление воспринималось как «эзотерика», не обладающая, по сути, никаким практическим применением.

Работы Исидора Раби в 1930-х в итоге помогли создать технологию МРТ.

Одним из ключевых открытий на пути к созданию аппаратов МРТ стало изучение протонов и нейтронов, из которых состоят атомные ядра. Эти частицы обладают свойством, называемым спином, которое описывает их угловой момент.

В 1930-е гг. физик Исидор Раби и его коллеги изучали спин, пропуская пучки атомных ядер через магнитные поля. Протоны и нейтроны, в зависимости от ориентации их спинов, характеризуются несколько различными энергетическими уровнями под воздействием магнитного поля. «Разработанный им [Раби] метод резонанса позволял регистрировать изменение ориентации этих спинов в присутствии магнитного поля», — рассказывает Джунта. За эту работу в 1944 году Раби получил Нобелевскую премию по физике.

Ядерный магнитный резонанс впервые применили в химических лабораториях. Поскольку атомные ядра чувствительны к окружающей среде, точные измерения магнитного резонанса позволили определить, как атомы связаны в крупных молекулах. С 1970-х годов он стал инструментом для визуализации биологических тканей. Пол Лаутербур и Питер Мэнсфилд разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2003 году за разработку МРТ.

Корнеплоды и телевизоры с плоским экраном

Всё началось в Праге в начале 1888 года, когда ботаник Фридрих Райнитцер выделил из корнеплодов моркови химические вещества, называемые эфирами холестерина. Одно из этих веществ — кристаллический холестерилбензоат — проявило себя крайне необычно. Обычные кристаллы при нагревании утрачивают как твердость, так и цвет, при той же температуре, однако эти кристаллы вели себя иначе. По словам Мишель Митов из Университета Лазурного берега в Ницце (Франция), они утрачивали твердость при 145 °C, однако сохраняли синеватый цвет, который исчезал только при 178 °C.

Другие исследователи уже наблюдали подобное явление, однако Райнитцер осознал, что здесь имеет место новый важный феномен. Не зная, как его объяснить, 14 марта он написал длинное письмо физику Отто Леманну в Аахен (Германия). Как сообщает Митов, Леманн был идеальным коллегой для продолжения экспериментов и воспроизведения наблюдений, поскольку ему удалось сконструировать микроскоп с нагреваемым столиком, что позволяло наблюдать за поведением кристаллов в режиме реального времени. Они обменивались письмами и образцами в течение нескольких недель, и Райнитцер представил первые результаты на встрече в Вене в мае.

Ключевое наблюдение Леманна состояло в том, что, утрачивая твердость, кристаллы всё ещё сохраняли некоторые свойства кристалла. Однако в остальном они соответствовали характеристикам жидкости. На молекулярном уровне они состояли из длинных молекул, сохранявших упорядоченную ориентацию (как в кристалле), но также способных свободно перемещаться (как в жидкости). Леманн назвал их жидкими кристаллами.

Ключевые открытия Отто Лемана в области жидких кристаллов заложили основу для современных экранов телевизоров и смартфонов.

Десятилетиями многие исследователи отказывались принять это, поскольку это противоречило системе, использовавшейся физиками и химиками для классификации материи, согласно которой существует три агрегатных состояния вещества: жидкость, газ и твердое тело. Но жидкие кристаллы размывают данные границы, и, как отмечает Митов, принятие этого принципа стоило очень много для мира ученых.

В первой половине XX века подобные свидетельства стали неоспоримыми, однако исследования жидких кристаллов затихли из-за убеждения, что они никогда не найдут практического применения. Эту область исследований возродили американские химки в конце 1950-х годов, а в 1968 году инженеры разработали первые плоские экраны, основанные на технологии жидких кристаллов, что в конечном итоге привело к появлению телевизоров с плоским экраном. Однако, как отмечает Митов, применение этих веществ выходит далеко за рамки экранов, как-то камеры, микроскопы, смарт-устройства, робототехника и даже технологии защиты от подделок.

Скромный старт редактирования генов

«У меня голова взрывается каждый раз, когда я вижу новое применение CRISPR или сообщение о том, что CRISPR помог чьему-то излечению», — рассказывает микробиолог Франсиско Мохика из Университета Аликанте в Испании.

CRISPR (аббревиатура Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats - от англ. короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами, прим. перев.) - это метод, позволяющий редактировать геномы с высокой точностью. Он открыл огромные возможности для фундаментальных исследований и проложил путь к лечению генетических заболеваний, таких как серповидноклеточная анемия, нарушения функционирования иммунной системы и жизнеугрожающие метаболические заболевания. Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна разделили Нобелевскую премию по химии 2020 года за разработку этого инструмента.

Открытия, приведшие к такой революции, были совершены за десятки лет до этого. В 1989 году Франсиско Мохика, аспирант, изучал одноклеточный организм, относящийся к археям, Haloferax mediterranei R-4; он встречается в соляных прудах недалеко от Аликанте (Испания). Мохика стремился выяснить, как этот микроорганизм способен выживать в подобных соленых условиях. Выявив несколько перспективных участков генома микроба, Мохика секвенировал их и с удивлением обнаружил короткие участки, которые повторялись через одинаковые интервалы. Как Мохика, так и другие ученые, давали этим повторяющимся сегментам генома различные названия, однако в конечном итоге остановились на аббревиатуре CRISPR. Изучая их, Мохика предположил несколько потенциальных функций повторяющихся сегментов: идеи, которые, как он иронично замечает, были «абсолютно неверными» [5].

Работы Франсиско Мохики по изучению микробных генов легли в основу создания системы генного редактирования CRISPR

Впоследствии Мохика узнал, что подобные последовательности можно обнаружить у многих других микроорганизмов, не обязательно обитающих в условиях повышенной солености. «Какую бы роль они ни играли, она не могла быть связана с какими-то специфическими особенностями условий окружающей среды», — отмечает Мохика.

Ключевой подсказкой стало обнаружение между повторяющимися сегментами последовательностей геномов бактериофагов — вирусов, способных заражать бактерии. В конце концов Мохика понял, что бактерия, несущая последовательность определенного фага, не может быть инфицирована этим фагом. «Мы предположили, что это своего рода механизм адаптивного иммунитета», — поясняет он. «Один из предков этих архей приобрел спейсеры от фага, и после этого потомки стали устойчивы к инфекции [6]».

Мохика понимал, что это важное открытие: ранееу бактерий и архей никто не наблюдал механизмов, соответствующих адаптивному иммунитету. Он также считал, что она может быть полезна для борьбы с бактериальными инфекциями. Затем другие ученые обнаружили, что CRISPR работает, разрезая ДНК в определенных точках [7]. Впоследствии Дудна и Шарпантье обнаружили способ использовать эту систему и перепрограммировать ее для редактирования генов. Так началась революция CRISPR [8].

Похудение, вдохновленное ящерицей

Препараты для похудения и лечения диабета, такие как Ozempic, стали блокбастерами своего времени. Почти 5% жителей США применили их для похудения, а к 2030 году объем мирового рынка этих препаратов, как ожидается, достигнет 100 миллиардов долларов. Хотя большая часть исследований, приведших к их созданию, была осуществлена с целью медицинского применения, одно ключевое открытие было сделано в ходе исследований единственных ядовитых ящериц в США: ядозубов (Heloderma suspectum).

В основе этой истории лежит глюкагоноподобный пептид-1 (ГПП-1), который вырабатывается в кишечнике человека. В 1980-е гг. химик Светлана Мойсова (югославского происхождения) показала, что ГПП-1 может стимулировать выработку инсулина, снижая уровень сахара в крови [9].

Дэниел Друкер, ныне сотрудник Университета Торонто в Канаде, работал с Мойсовой над тем исследованием. «Мы сосредоточились на его потенциале для лечения диабета», — рассказывает он. «Десять лет спустя, в 1996 году, нам удалось обнаружить, что ГПП-1 понижает тягу к еде, и наметилась еще одна сфера применения — снижение веса». Однако возникла проблема. У ГПП-1 короткий период полураспада: всего несколько минут. Это означало, что он не будет эффективен в качестве лекарства, поскольку распадается в организме прежде, чем сможет оказать заметное действие.

Ящерица-ядозуб и пептид, вырабатываемый в ее организме, сыграли ключевую роль в разработке препаратов ГПП-1.

Вместо этого Друкер с коллегами начали изучать рецептор ГПП-1, который обуславливает его действие на инсулин. Они предполагали,что им удастся воздействовать на этот рецептор. Вот тут-то и появляются ящерицы. Ядозубы обитают на юго-западе США и в некоторых районах Мексики. Несмотря на своё название и яд, они медлительны и фактически не представляют опасности для человека. В 1992 году группой исследователей под руководством Жан-Пьера Рауфмана из Медицинского центра по делам ветеранов в Нью-Йорке был описан пептид эксендин-4 из яда ядозуба. Эксендин-4 очень похож на ГПП-1, поэтому Друкер решил выяснить, сможет ли он связываться с рецептором ГПП-1, имитируя функцию самого ГПП-1.

Эксендин-4 действительно связывался с рецептором ГПП-1, и в 2008 году Друкер возглавил III фазу клинических испытаний полученного препарата — эксенатида. У людей с сахарным диабетом 2 типа эксенатид способствовал улучшению контроля уровня сахара в крови, а также способствовал снижению веса [12].

Затем появились и другие агонисты рецепторов ГПП-1, а остальное — уже история того, как людям удавалось снижать массу тела.

Цветы, которые привели к созданию новых лекарств

В март FDA одобрило препарат фитусиран. Он используется для лечения двух основных типов гемофилии — заболевания, суть которого в нарушении свертываемости крови, что может привести к опасным для жизни кровотечениям. Фитусиран — новейший представитель нового класса препаратов, использующих крошечные фрагменты РНК для подавления экспрессии гена.

Препараты на основе РНК-интерференции (РНКi), такие как фитусиран, являются итогом более чем трех десятилетий работы, которая началась со случайного наблюдения, за которым последовали тщательные фундаментальные исследования.

Изучение пурпурных петуний стало решающим фактором в обнаружении РНК-интерференции.

Отправной точкой послужило исследование 1990 года под руководством Ричарда Йоргенсена, работавшего в компании DNA Plant Technology в Окленде, штат Калифорния. Стремясь понять, как регулируются гены, команда исследователей во главе с Йоргенсеном пытались генетически модифицировать фиолетовые петунии, чтобы сделать их более яркими, добавив вторую копию гена, управляющего пигментом. Однако, к их удивлению, в результате получились не темно-фиолетовые петунии, а белые [13]. «Что отвечает за это механизм, — отчитывалась тогда команда, — непонятно».

Впоследствии, исследователи углублялись в изучение этого феномена и выяснили, что его можно стимулировать инъекцией небольших фрагментов РНК в клетки. Затем, в 1998 году, Эндрю Файр, ныне сотрудник Стэнфордского университета в Калифорнии, и Крейг Мелло из Массачусетского университета в Вустере, каждый со своими командами, открыли этот механизм. Они показали, что небольшие фрагменты двухцепочечной РНК посредством сложной цепочки событий способны запускать разрушение матричной РНК. Поскольку мРНК используется в качестве матрицы для построения белка, ее разрушение предотвращает синтез белка [14].

За эту работу Файер и Мелло разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2006 года, а также был создан новый класс лекарственных средств.

Древние метеориты и более чистый воздух

В 1950-е гг. геохимик Клэр Паттерсон столкнулся с проблемой, связанной со свинцом. Его работа по решению таковой в конечном итоге помогла спасти миллионы жизней. В то время Паттерсон пытался разработать способ определения возраста горных пород с помощью радиоактивного распада урана и тория. За миллиарды лет эти элементы распадаются на более мелкие и в конечном итоге образуют различные изотопы свинца. Измеряя соотношение различных изотопов свинца, Паттерсон смог датировать древние породы [15].

Благодаря своей работе по датированию древних горных пород Клэр Паттерсон помог установить источник загрязнения окружающей среды свинцом.

Однако Паттерсону пришлось столкнуться со свинцом . Он работал в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене, и воздух был сильно загрязнен. «Калифорния находится в котловине», — поясняет Джером Нриагу, специалист по охране окружающей среды из Мичиганского университета в Энн-Арборе, и данное топографическое обстоятельство приводит к накоплению загрязнения. Паттерсону пришлось построить «чистую лабораторию» для фильтрации всего поступающего воздуха.

Несмотря на эти трудности, Паттерсону удалось с исключительной точностью определить возраст метеорита Каньон-Дьябло — объекта, ставшего причиной образования Метеоритного кратера в Аризоне, — и нескольких других. Паттерсон показал, что всем им 4,55 миллиарда лет. Поскольку считалось, что метеориты и Земля образовались одновременно, эти измерения позволили установить возраст Земли, который ранее определялся в ходе менее точных исследований. Паттерсон представил свои результаты [16] на конференции в 1953 году и опубликовал их в 1956 году. Разгадав одну из величайших научных загадок, Паттерсон обратил внимание на свинцовое загрязнение. Откуда оно берётся и насколько оно опасно?

Паттерсон подозревал, что источником загрязнения был этилированный бензин (тетраэтилсвинец использовался в качестве антидетонационной присадки). Ему понадобилось несколько лет, чтобы установить это, сотрудничая с геохимиком Мицунобу Тацумото. В статье 1963 года Паттерсон и Тацумото показали, что свинцовое загрязнение достигло самых отдаленных районов океана, и что в предыдущие века уровень свинца был значительно ниже [17]. Это вызвало ожесточенную борьбу со свинцовой промышленностью, представители которой сопротивлялись результатам исследования, однако в конечном итоге привело к тому, что этилированный бензин оказался запрещен, что, по оценкам, ежегодно спасает более миллиона жизней и приносит триллионы долларов.

Прим. ред.: в оригинале материал написан вот в таком контексте, хотя в плане финансирования проблема важности фундаментальных исследований более-менее равнозначна везде:

При президенте Дональде Трампе правительство США сокращает финансирование научных исследований. Национальные институты здравоохранения произвели сокращение одобренных грантов почти на 2 миллиарда долларов, а Национальный научный фонд аннулировал более 1400 грантов. У президента ещё более масштабные планы по федеральному финансированию науки. Предложенный им бюджет на 2026 финансовый год предусматривает сокращение расходов на 36 % на исследования и разработки, не связанные с обороной. По словам Джона Холдрена (из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс, который был научным советником при президенте Бараке Обаме в течение обоих его сроков), прекращено финансирование целого ряда текущих исследований. Теперь же, как заявляет Холдрейн, есть намерение закрепить это сокращением бюджетов. Отмененные и находящиеся под угрозой срыва исследования представляют собой и работы, характеризующиеся прикладным применением и потенциальным коммерческим успехом, и фундаментальные («программные») исследования, направленные на [теоретическую и практическую] разработку новых научных сфер.