Микро-органы изменят привычные представления об организме человека
Часто в голливудских блокбастерах можно увидеть живые человеческие органы, хранящиеся в стеклянных банках со специальным раствором. На самом же деле вряд ли вы когда-нибудь увидите такое в настоящих лабораториях. Кроме того, что поддерживать жизнеспособность настоящего органа, изъятого из организма, крайне сложно (технически), к тому же такие объекты являются ценнейшими в сфере трансплантологии. Чтобы отдать чью-то спасительную соломинку в виде донорского органа на эксперименты, должны быть очень веские основания. Все-таки предпочтение отдается сохранению человеческой жизни.
Однако, продвижение современных исследовательских работ, а также изучение и тестирование новых лекарственных препаратов возможно лишь на органах, которые находятся так сказать в рабочем состоянии. Возникает вопрос, откуда же брать эти бесценные объекты исследований? Новая технология создания миниатюрных копий человеческих органов на микро-чипах может разрешить эту проблему.
В-первые мини-орган на чипе был создан в 2019 году Дональдом Ингбером, это были легкие человека. Данная разработка сразу же заинтересовала инвесторов и других исследователей. С того момента были успешно созданы миниатюрные копии сердца, почек, печени, роговицы глаза и костного мозга. Размер органов-чипов соответствует примерно размерам USB-флешки. Материалом служит гибкий и полупрозрачный полимер.Мини-модель в точности повторяет функциональные действия и структуру органа-прототипа. Ученым даже удалось воссоздать особые структуры органов, например, альвеолы легких. Воздух прокачивается через каналы и воссоздает процесс дыхания практически идентично. Кровь, которая пропускается через органы, может быть заражена какими-либо бактериями. Таким о,разом можно посмотреть реакцию органа на вирус, не опасаясь за здоровье человека.
Данная технология станет двигателем и фармацевтической индустрии. С появлением органов на чипах можно будет тестировать новые лекарства, не причиняя вреда живым людям. В 2015 году такие испытания прошли лекарства для диабетиков.
Еще одной областью применения может стать персонализированная медицина. Микро-органы на чипах могут быть выращены из стволовых клеток пациентов, чтобы затем анализировать их реакции на индивидуальные способы лечения. Успех на выздоровление в этом случае может стать гораздо выше.
Хочется отметить и тот факт, что если данная технология войдет в массовое использование, то фармацевтическая индустрия сможет отказаться от испытаний на братьях наших меньших. Ежегодно от испытания новых лекарств погибает миллионы животных. Естественно, многие против таких жертв. Кроме того, организм животного сильно отличается от человеческого, а также отличаются и реакции на лекарственное воздействие. От этого эффективность таких испытаний мала.
Миниатюрные органы на чипах могут помочь и в военной сфере. Биохимическое оружие является одним из самых страшных для человека, поэтому его исследования невероятно важны. До создания органов на чипах такие исследования просто не были возможны.
Новый тип солнечных элементов
На сегодняшний момент самым используемым типом солнечных элементов являются кремниевые. Они имеют ряд больших несовершенств. Первой проблемой связанно с использованием кремния является то, что этот материал трудно найти в его чистой форме. Обычного песка на пляжах (диоксид кремния) хоть отбавляй, но вот удалить из этой смеси кислород достаточно сложно. Необходимо нагреть диоксид кремния до высоких температур (1500-2000 градусов Цельсия) в специальных дуговых печах, предназначенных для плавки стали. Для данных целей приходится затрачивать много энергетических ресурсов. А также этот метод является не экологичным, выделяя в атмосферу парниковые газы.
Второй недостаток кремниевых солнечных элементов - это их большой вес и отсутствие гибкости. Их часто применяют на больших и плоских поверхностях, но использовать их для больших габаритов оказывается весьма дорого. Последним недостатком традиционного материала солнечных элементов является малая эффективность. На протяжении 15 лет эффективность кремниевых элементов не превышает 25%.
Уйти от этих недостатков и увеличить производительность солнечных элементов можно, используя совершенно новые материалы. Таким материалом являются первоскиты. Это класс веществ, которые состоят молекул углерода и водорода, связанных со свинцом и хлором, создавая таким образом кристаллическую решетку трехмерного типа. Производство первоскитов намного дешевле, а производственные отходы и выбросы меньше. Тонкая пленка из первоскитов может покрывать любые поверхности различных форм, при этом не нужно использовать высоко температурные печи. Эти пленки очень малы по размерам и по весу.
Первоначально первоскиты рассчитывались на меньшую эффективность, чем кремниевые элементы. В 2009 году преобразование солнечной энергии в электричество составило всего 4% для первоскитов, созданных из свинца, иодида и метиламмония. В результате того, что первоскиты могут быть созданы из большого числа разных химических элементов, потенциальная эффективность их применения начала расти. Уже в 2016 году этот показатель достиг 20%. Улучшение в пять раз произошло всего за семь лет, при этом за два последних года эффективность возросла в два раза. На лицо стала видна конкурентная способность нового материала по сравнению с кремнием, тем более предел эффективность первоскитов еще не достигнут. Технология применения первоскитов быстро развивается и вскоре может потеснить кремниевые фотоэлементы.
Остается несколько нерешенных вопросов. Например, как будут вести себя первоскиты в отношении с вредным атмосферным влиянием и как наладить их масштабное производство? Даже если эти вопросы не удастся решить окончательно, то применение даже небольшой части первоскитов в отношении с кремниевыми элементами, может значительно улучшить электрообеспечение отдаленных уголков цивилизации. На данный момент без надежного электропитания остаются жить более, чем 1 миллиард людей. Надеемся, что быстрое развитие технологий и применение первоскитов вскоре решит эту проблему.
Как микробы помогут человечеству?
Вы когда-нибудь задумывались о том, какой путь проделывают вещи, которыми мы пользуемся ежедневно? Например, наша одежда, еда, косметические средства. На самом деле подавляющее большинство вещей и продуктов, создано из материалов далеко не натуральных. Большая часть производств и заводов, которые обеспечивают нас самыми необходимыми вещами, используют различные химические вещества, в частности продукты переработки нефти.
Если говорить о экономической и экологической стороне данного вопроса, то такие материалы не самые удачные. Гораздо полезнее и производительнее было бы использовать в качестве сырья живые микроорганизмы, а не привычные для всех нефть, уголь или газ. Примером такого производства уже служат, и хлопковая одежда, и деревянные жилые сооружения. Натуральное производство не заканчивается только применением растений. Микроорганизмы могут стать гораздо более функциональным недорогим сырьем с большим спектром применения. Представьте, что станет совсем не обязательно добывать полезные ископаемые из земли, потому что необходимые материалы будут создаваться, а точнее вариться в больших биологических реакторах в химических лабораториях.
Чтобы биологические сырье стало применяться повсеместно, оно должно стать конкурентно способным с привычными видами производства как в ценовых характеристиках, так и в производительности. Достигнуть таких результатов с современным уровнем развития биоинженерии нес составит больших трудностей. Микроорганизмы могут не только за счет своей энергии синтезировать химические вещества, но и совершать различные изменение в их составе, метаболизме и свойствах.
Современные технологии в области биологии и эволюционной биоинженерии позволяют создавать целые биосистемы, которые нацелены на производство таких химических веществ, которые затруднительно производить стандартными путями. Последним достижением в этой сфере стало создание таким способом биоразлагаемого полимерного соединения, который предназначен для медицинских целей. Например, такой полимер будет использоваться как материал для создания протезов и имплантантов, а также для лекарственных капсул нового поколения. С помощью биоинженерии получали и штаммы дрожжей, которые необходимы для получения опоидов (вещества, которые лечат боль). Такие лекарства необходимы для современного общества, особенно в слабо развитых странах.
Список химических веществ, которые можно получить при помощи биоинженерии, растет с каждым годом. Конечно, вряд ли новый способ производства сможет воспроизводить все необходимые вещества, которые, например, создаются из продуктов переработки нефти. Однако, теперь стало возможным создание совершенно новых, еще неизвестных веществ, которые не возможно вывести из ископаемых источников, а также те вещества, в производстве которых участвуют животные или растения.
Если биохимический способ производства станет широко использоваться, то приоритетным станет вопрос его безопасности. Ни в коем случае нельзя просто так выбрасывать биохимические материалы и микроорганизмы, так как они могут вступать в различные химические реакции. Поэтому придется позаботиться об утилизации отходов.
Блокчейн на страже конфиденциальности и безопасности
Вы еще не знаете, что такое блокчейн или другими словами цепь из блоков транзакций? Это определение стало известно благодаря развитию цифровой валютной единицы - биткойн. Блокчейн - это всемирно доступная сеть транзакций, которая не имеет ни владельцев. ни управленцев. У каждого пользователя есть возможность доступа ко всей системе блокчейна, при этом каждая проведенная операция остается в памяти системы и проходит процесс верификации на основе математических методов, схожих с криптографическими. В свою очередь резервные копии блокчейна существуют в различных уголках мира, он заслужил звание защищенного от взломщиков.
Хотя система без преувеличения полезная, она представляет собой серьезную проблему для правоохранительных и контролирующих валютное обращение структур. Блокчейн используется не только для осуществления операций, связанных с денежными переводами.
Блокчейн во многом похож на сеть Интернета. Например, он является открытой мировой инфраструктурой, которая может служить основой для создания новых систем и приложений. А также плюсом блокчейна является отсутствие необходимости использовать посредников, то есть стороны общаются и работают напрямую друг с другом, снижая тем самым затраты на осуществление операций.
При помощи блокчейна можно обменивать денежные средства, покупать страховки и многое другое не только безопасно, но и гораздо проще, чем мы привыкли. Отпадет надобность в банковских счетах. Новая система валютных отношений поможет совершенно незнакомым людям совершать безопасные сделки без задействования сторонних лиц, например, юристов. А также различные операции по продаже недвижимости, акций и всего, чего угодно, будут доступны без участия брокеров.
Как же новая система повлияет на банковские системы, адвокатские и брокерские институты? Влияние это не обязательно станет отрицательным. Ведь сами посредники затрачивают на ведение своего бизнеса колоссальные средства. Сотрудники аналитического центра Santander InnoVentures сделали подсчет о возможных сэкономленных средствах при использовании блокчейна и получилась сумма равная 20 миллиардам долларов ежегодно.
На данный момент уже порядка пятидесяти влиятельных банков оказали интерес на применение в своем бизнесе блокчейна. Большие инвестиции уже вложены в данный проект, чтобы сделать его доступным для массового использования. В число этих инвесторов входят такие гиганты, как Microsoft, IBM и Google. Главная особенность системы блокчейна в том, что она использует для регистрации транзакций частные и публичные ключевые коды в виде длинных символьных строк, которые совершенно не воспринимаются человеком. Таким образом поддерживается высокая защищенность и анонимность происходящих операций. Ралзичные организации могут использовать блокчейн в качестве безопасного хранилища своих информационных данных.
Напоследок стоит отметить, что блокчейн - это система, которая работает со всеми пользователями на равных правах. Однако, анализируя тенденции в развитии биткоинов, стоит опасаться о использовании блокчейна в злых намерениях. К сожалению, новая система не стопроцентно защищает вас от краж, а делает эту процедуру гораздо затруднительнее. Но прогресс не стоит на месте, а значит и блокчейн будет меняться и совершенствоваться.
Двумерные материалы - новая эра для технологов
Как применение совершенно новых материалов может изменить наш мир? Не просто так в историю человечества вошли такие понятия, как бронзовый век и железный. А ведь именно появление бетона, стали и кремния стало переломным для становления современной цивилизации.
В настоящий момент высоким потенциалом обладают материалы, толщина которых не превышает размера одного атомного слоя. Это так называемые двумерные материалы. за последние годы их арсенал заметно увеличился. Например, графен - это тончайшая пленка углерода, которая имеет структуру решетки, аналогичный борофен или бора, а также белый графен создаваемый из гексагонального нитрида бора и многие другие. А также существует множество веществ в теории, но пока не реализованных на практике.
Что отличает двумерные материалы? Это уникальные свойства, которые можно совмещать и дополнять друг другом, создавая таким образом удивительные по функциональным возможностям материалы.
Первые революционные шаги в области монослоев были сделаны в 2004 году. Именно тогда два научных сотрудника, используя самый обыкновенный скотч, создали графен. Открытие получилось действительно чудным, но какие возможности они открыли, вам и не снилось. Графен - это материал по прочности превосходящий сталь, он тверже, чем алмаз, при этом самый легкий. Графен пластичный, прозрачный и является проводником. Просто невероятный набор свойств. Кроме всего этого графен является непроницаемым для всех веществ, кроме водяного пара, который проходит через его молекулярную структуру без проблем.
Чтобы вы действительно поняли значимость этого открытия, стоит заметить, что графен по цене стоил выше золота. Только после усовершенствования технологии производства графена, цена на него снизилась. Такая же история произошла и с гексагональным нитридом бора. Постепенно графен стал доступным материалом для использования его в повседневной жизни людей. Например, его стали применять в фильтрах для воды, которые помогают воду делать пресной, а также очищать сточные потоки. В будущем планируется смешивать графен с бетоном, чтобы улучшить состав асфальта и помочь людям с экологической стороны. Ведь графен идеально подходит для очистки городского воздуха, так как он способен поглощать моноксиды углерода и оксиды азота.
Открытие новых двумерных материалов не останавливается. По мере того, как их цена будет снижаться, они станут незаменимыми в различных сферах нашей жизни. Например, станут широко использоваться в электронике. Графен с недавнего времени применяется в производстве пластичных датчиков, которые можно не только вшивать в одежду, но и выращивать в 3D тканях. Если графен добавить к полимерам, то возможно получится сделать конструкцию крыльев самолетов еще легче и прочнее.
С помощью двумерных материалов уже улучшили свойства литиевоионных аккумуляторов и супер-конденсаторов. Соединив графен с гексагональным нитридом бора и обычным нитридом бора удалось увеличить энергоемкость, а объем носителя уменьшить. Кроме этого ведутся исследования по снижению времени зарядки, а также продления срока использования аккумуляторных батарей и уменьшения веса. Все эти изменения весьма кстати придутся и в мобильной индустрии и в области информационных технологий в целом с появлением совершенно новых материалов обычно встает вопрос: не является ли это вещество или материал токсичным? На протяжении десяти лет графен подвергался различным исследованиям в области токсикологии и никаких вредных факторов выявлено не было. Конечно, на этом исследования не заканчиваются.
Появление двумерных материалов стало действительно новой эрой для технологов. Эти вещества соединяются друг с другом в различных комбинациях. При этом получаются комбинированные материалы с неповторимыми оптическими, физическими и химическими свойствами. Сейчас можно говорить о том, что сталь и кремний, ставшие материалами 20 века, становятся пережитками прошлого.
