Как заметил один нобелевский лауреат, «Уравнение Максвелла, благодаря которому весь мир пользуется электричеством, окупило все затраты на фундаментальную науку всех 200 стран на 200 лет вперед».
Сегодня, когда Россия сталкивается с новыми глобальными вызовами, жизненная необходимость развития науки ни у кого не вызывает сомнений. Благодаря тому, что в Уфе находится Евразийский научно-образовательный центр, объединяющий известные научные учреждения, шесть университетов и крупные предприятия республики, наша столица сегодня является крупным научно-технологическим форпостом страны. Какие же исследования проводятся в уфимских НИИ и университетах? Рассказывают ученые.Елена Михайлова, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института биохимии и генетики Уфимского научного центра Российской академии наук:
- Геномное редактирование CRISPR/Cas - одна из самых перспективных технологий современной науки. Две исследовательницы, которые впервые научились ей управлять, недавно получили Нобелевскую премию. Благодаря CRISPR можно вносить заранее программируемые изменения в любой ген. Например, можно исправить мутацию, которая приводит к развитию заболевания, а также «выключать» или «включать» работу определенных генов для получения стрессоустойчивых и высокопродуктивных сортов растений и пород животных. При этом никакая чужеродная ДНК не внедряется, поэтому организмы с отредактированным геномом безопасны.
В Институте биохимии и генетики УФИЦ РАН успешно получены растения с отредактированным геномом. Мое собственное исследование посвящено получению растений с повышенным содержанием антоцианов. Антоцианы - это вещества, отвечающие за темно-фиолетовую, голубую и красную окраску ягод, овощей и фруктов. Они повышают устойчивость растений к заморозкам, к загрязнению тяжелыми металлами, к засухе, а также являются полезными для здоровья человека антиоксидантами.
С помощью системы CRISPR/Cas мы «выключаем» различные гены, которые предположительно могут мешать растению накапливать много антоцианов, а затем изучаем, как меняется их содержание. Сейчас мы успешно отредактировали три таких гена. Также мы выявили несколько генов, связанных с реакцией растения на засуху, и сейчас занимаемся их редактированием. И еще мы хотим повысить устойчивость растений к грибным заболеваниям. Используемые в сельском хозяйстве фунгициды очень вредны, а растения с отредактированным геномом позволят отказаться от этих химикатов.
Алексей Ковтуненко, заместитель директора по научной работе Института информатики, математики и робототехники Уфимского университета науки и технологий:
- Технологиями искусственного интеллекта наш университет занимается с середины 1990-х годов, поэтому мы не отстаём от мировой повестки. В первую очередь эти технологии разрабатывались для моделирования и управления в области проектирования и эксплуатации авиационных двигателей. Но законы математики везде одинаковы, и в результате сегодня мы владеем вычислительными и инженерными технологиями, которые одинаково эффективно моделируют ситуации в разных областях: в медицине, агротехнике, землепользовании. Например, технологии распознавания изображений у нас активно применяются как для создания и совершенствования геоинформационных систем (то есть систем обработки данных спутниковой и аэрофотосъемки Земли с целью зонирования, создания различных карт и схем), так и для помощи в постановке диагнозов по различным медицинским изображениям: МРТ, КТ, рентгеновским снимкам.
Я сам - руководитель проекта, в рамках которого мы уже несколько лет разрабатываем алгоритмы неинвазивной диагностики тканей на наличие злокачественных новообразований. Есть области медицины, где быстрое первичное решение является залогом успешного лечения. Например, в процессе резекции опухоли хирург часто не может сказать, где заканчивается больная ткань и начинается здоровая. При этом гистологический анализ делается довольно долго, а во время операции решение надо принимать мгновенно. В этом случае наша программа может оказаться очень полезной. Врач будет иметь возможность, просветив ткани органа лазером, увидеть, что следует отрезать, а что оставить. Сейчас мы совместно с учеными из БГМУ разрабатываем алгоритмы обработки данных и формирования обучающих выборок, а также принятия решений о патологиях ткани. Это большой проект, он поддержан мегагрантом главы республики, и уже сейчас у нас есть интересные результаты.
Также наш университет - один из немногих в мире, где ведется работа над технологиями сильного, или доказательного искусственного интеллекта, связанными с инженерией знаний и семантическими сетями.
Сергей Четвериков, доктор биологических наук, заведующий лабораторией агробиологии Института биологии УФИЦ РАН:
- Сегодня в мире растет интерес к биологическим препаратам, созданным на основе природных микроорганизмов, которые способны избавить растения от стресса, вызванного неправильным применением пестицидов, а также от остаточных количеств этих веществ, которых не должно быть в сельскохозяйственной продукции. Несколько таких препаратов уже создано в Институте биологии, однако до сих пор их нельзя было применять вместе с пестицидами. Поэтому мы с самого начала поставили себе целью найти микроорганизмы, способные выживать в их присутствии и не терять своих свойств. Исследовали более 2000 образцов почв из нашей республики и других регионов - и выделили девять бактерий с такой способностью, а затем изучили их агрономические преимущества. Самым перспективным штаммом оказался Pseudomonas protegens DA 1.2. Он и стал основой для нашего препарата «Агробиолог».
Pseudomonas protegens разрушает остаточные количества пестицидов и сводит к минимуму их вредное воздействие, синтезирует фитогормоны, стимулируя таким образом рост растений, фиксирует атмосферный азот и мобилизует из почвы фосфор, что дает возможность снизить количество вносимых азотфосфорных удобрений. Испытания, которые мы проводим уже второй год, показали, что в засушливых районах Зауралья, в Оренбургской и Челябинской областях наш препарат дает стабильную прибавку к урожаю зерновых в 20 и более процентов, к урожаю кормовых культур - до 30%. Этим летом мы испытали его на картофеле и также получили прибавку к урожаю в 25%. На данный момент мы собираемся приступить к исследованию полного генома бактерии, чтобы понять, какие участки генома могут отвечать за устойчивость к воздействию токсичных веществ и остальные полезные свойства.
Денис Сабиров, доктор химических наук, директор Института нефтехимии и катализа УФИЦ РАН:
– В последнее время можно часто услышать, что наука должна быть не только интересной, но и полезной. Во многих научных и популярных изданиях противопоставляются фундаментальная наука (знание ради знания) и прикладная – в которой знания «обретают жизнь» в виде новых технологий, лекарств, красителей, материалов. Как правило, фундаментальные исследования предшествуют прикладным разработкам. Но я хотел бы рассказать о ситуации, когда наоборот прикладные исследования находят продолжение в области «чистой науки».
В Институте нефтехимии и катализа давно изучаются различные углеводороды, которые содержатся в нефтепродуктах. В наших лабораториях разработаны новые экспресс-методы анализа нефтепродуктов, созданы присадки к маслам и топливам, улучшающим их эксплуатационные характеристики, получены новые катализаторы, способные превращать нефть в дизельное топливо, применяемое для работы в условиях Крайнего Севера. В институте был накоплен массив таких разрозненных знаний, которые были объединены и проанализированы методами компьютерной химии. Знания, которые были получены таким образом, позволили предсказывать, какие химические превращения происходят с органическими молекулами в любых условиях. С одной стороны, это привнесло новизну в продолжающиеся прикладные исследования в области нефтехимии. Но самое интересное – наше открытие оказалось полезным для очень далеких от повседневных забот исследований – химии космоса. Наши работы находят отклик у астрофизиков и астрономов по всему миру, у химиков и физиков, которые воссоздают условия межзвездной среды в лабораториях.
Благодаря нашим работам еще до проведения экспериментов ученые могут понять, какие вещества могут образоваться, а какие нет. Так удивительным образом, оказались близки две разные области знания – нефтехимия и химия космоса. Благодаря таким работам на стыке фундаментального и прикладного, Республика находится среди лидеров в рейтинге научно-технического развития регионов России, а достижения башкирских ученых известны далеко за пределами родины.
Шамиль Мухтаров, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Института проблем сверхпластичности металлов РАН:
- Газотурбинные двигатели нового поколения, которые создаются сегодня для гражданской и военной авиации, дают значительное увеличение мощности, снижение расхода топлива, выбросов вредных веществ, шумовой нагрузки. Однако новые конструкторские решения требуют новых материалов с очень высокими механическими свойствами.
Один из ключевых материалов для газотурбинных двигателей – жаропрочные никелевые сплавы, которые используются в том числе для изготовления дисков, лопаток и других деталей турбины, функционирующих в самом горячем месте двигателя, где температура достигает 1100 градусов Цельсия. Создание новых двигателей неразрывно связано с усовершенствованием никелевых сплавов и методов их обработки, поэтому постоянно идут исследования в этом направлении.
Методы деформационного и термического воздействия на металлы и сплавы, которые разрабатываются в нашем институте, позволяют придавать материалам необходимую структуру и, соответственно, достигать повышенных механических свойств.
Прежде чем превратиться в деталь, жаропрочные никелевые сплавы проходят много стадий обработки. Например, изготовленный слиток сплава путем плазменной плавки, центробежного распыления быстровращающейся литой заготовки и последующего охлаждения превращается в порошок (или гранулы), затем обрабатывается высоким газовым давлением при повышенных температурах (то есть подвергается горячему изостатическому прессованию) и таким образом снова становится единым целым. Все это приводит к уменьшению размеров зерен, делает структуру сплава более однородной.
Дальше идет наша часть работы: мы проводим гомогенизирующий отжиг - снова нагреваем сплав, чтобы добиться одинакового химического состава, а следовательно, и одинаковой прочности зерен, растворения мелких частиц. Отжиг проводится в достаточно узком диапазоне температур, поскольку, если материал перегреть, границы зерен начинают плавиться, и структура материала необратимо разрушается. После успешного отжига можно осуществлять пластическую деформацию сплавов (тоже при определенных температурах) на достаточно большую степень без риска образования трещин. В результате применения всех этих методов обработки вместо дендритов и крупных зерен размером до 10 миллиметров мы создаем в материале однородную рекристаллизованную структуру с размером зерен размером от 2 до 25 микрон.
На данный момент мы находимся на стадии улучшения механических свойств сплавов за счет уточнения химического состава и термической обработки. Также есть варианты технологии изготовления штампованных заготовок, из которых уже можно выточить небольшие диски турбин двигателей и другие детали. Штамповки из таких сплавов обладают высокой прочностью, жаропрочностью, пластичностью - при том, что изначально в литом состоянии высоколегированные сплавы на основе никеля как раз большой прочностью и пластичностью не обладают.
Екатерина КЛИМОВИЧ