Стволовые клетки — одна из самых «громких» и одновременно самых искаженных медицинских тем последнего времени. Обещания мгновенного омоложения, лечения любых болезней породили вокруг них множество мифов. Разбираемся, что на самом деле могут стволовые клетки, где заканчивается наука и начинается псевдомедицина.

Что такое стволовые клетки?

Стволовые клетки называют "запасным фондом" организма. Это особые клетки, которые способны превращаться в другие типы клеток и обновлять ткани. Именно благодаря им в теле постоянно обновляются кровь, кожа, слизистые оболочки и даже отдельные участки мозга. В отличие от обычных клеток, у стволовых есть две ключевые способности:

1. самообновление — способность многократно делиться и сохранять свои исходные характеристики;
2. дифференцировка — возможность превращаться в другие типы клеток организма, например, в клетки крови, кожи, костей, нервной ткани и других.

Термин «стволовая клетка» (нем. Stammzelle) появился еще в конце XIX века. Первым его предложил немецкий биолог Эрнст Геккель, предполагавший существование универсальной клетки, из которой «ветвятся» все остальные — как от ствола дерева. А  в 1909 году российско-американский ученый Александр Максимов представил научный доклад, где описал гемопоэтические стволовые клетки — предшественников всех клеток крови. Но экспериментальное подтверждение его открытия появилось только в 1960-х: канадские ученые Эрнест МакКаллох и Джеймс Тилл доказали, что одна-единственная клетка может восстановить всю кроветворную систему у облученной мыши. Так было доказано существование взрослых стволовых клеток.

Следующий крупный шаг в изучении стволовых клеток был сделан в 1998 году, когда группа под руководством Джеймса Томпсона из университета Висконсина (США) впервые выделила и вырастила в лаборатории эмбриональные стволовые клетки человека (ЭСК). В 1999 году журнал Science признал открытие ЭСК главным научным достижением года — наряду с такими вехами в биологии, как расшифровка структуры ДНК и проект «Геном человека».

К 2005 году работа со стволовыми клетками вышла за пределы экспериментов: они стали использоваться при лечении десятков заболеваний, в том числе лейкозов, лимфом и других болезней крови.

Какие бывают стволовые клетки?

Для лучшего понимания, какие бывают стволовые клетки и чем они различаются, рассмотрим несколько видов их классификации. Самый важный способ классификации — по происхождению. Так откуда же они берутся, эти чудо-клетки?

1. Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) получают из бластоцисты — ранней стадии эмбриона, на 5–7 дней после оплодотворения. Они плюрипотентны, то есть могут превращаться практически в любые типы клеток организма: от нервных до мышечных или кожных. Благодаря этим свойствам ЭСК используются для изучения раннего эмбрионального развития человека, тестирования лекарственных соединений, а также активно исследуются как основа для терапии поврежденных тканей.

2. Соматические (взрослые) стволовые клетки находятся в организме человека всю жизнь. Их задача — поддерживать и восстанавливать ткани, в которых они находятся. В отличие от эмбриональных, они обладают ограниченным потенциалом: например, стволовые клетки костного мозга могут создавать только клетки крови.

Наиболее известные взрослые стволовые клетки:

• гемопоэтические, т.е. кроветворные — находятся в костном мозге, отвечают за образование эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов;
• мезенхимальные — могут превращаться в кости, хрящи, жир;
• нейральные — участвуют в восстановлении клеток мозга и нервной системы.

3. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC) – искусственно созданные универсальные стволовые клетки, полученные из обычных клеток — чаще всего кожных фибробластов. Ученые вводят в них особые гены, которые «перепрограммируют» клетку, возвращая ее в эмбрионоподобное состояние. Такие клетки обладают теми же возможностями, что и эмбриональные, но при этом не требуют разрушения эмбрионов.

Создание индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC) стало настоящей революцией, так как теперь можно получать клетки, полностью совместимые с организмом конкретного пациента без риска иммунного отторжения и этических сложностей. Хотя для лечения иногда используют и донорские клетки, предпочтение отдают собственным, поскольку они лучше принимаются организмом. При применении чужих клеток всегда существует риск отторжения, который снижают с помощью подбора доноров по иммунным маркерам, а также  специальных лекарств. Благодаря разработке этих клеток регенеративная медицина получила мощный инструмент для индивидуального подхода к терапии. Тем не менее, случаи пересадки стволовых клеток от доноров существуют, и примером может послужить уникальная операция, проведенная в Самаре. Пациентка с хроническим миелоидным лейкозом не реагировала на стандартное лечение, и единственным шансом стала пересадка гемопоэтических стволовых клеток от ее сестры, идеально подходящей по иммунным параметрам. После подготовки и химиотерапии пациентке пересадили донорские клетки, которые успешно прижились и восстановили кроветворение. Врачи отмечают, что восстановление прошло рекордно быстро — всего за 15 дней.

4. Пуповинные стволовые клетки извлекаются из пуповинной крови новорожденного сразу после родов, до того, как плацента будет удалена. По своим свойствам они ближе к взрослым клеткам, но более «молодые» и пластичные. Их часто замораживают и хранят в криобанках для возможного будущего использования. Пуповинная кровь — богатый и неоспоримо этичный источник стволовых клеток, уже применяемый в терапии лейкемий и других заболеваний крови.

Следующий способ классификации стволовых клеток — это классификация их по потенциалу дифференцировки. Она показывает, во сколько разных типов клеток может превратиться стволовая. Объясним на простом примере.

Некоторые стволовые клетки — как студенты без профиля: они могут выбрать любую профессию. А другие — как выпускники узкой специализации: уже знают, кем будут работать.

• Тотипотентные — самые универсальные. Могут стать любыми клетками тела и плаценты. Встречаются только на самых ранних стадиях эмбрионального развития, например, на стадии зиготы.
• Плюрипотентные — могут превращаться в любые клетки организма, но не в клетки плаценты. Примеры: ЭСК и iPSC.
• Мультипотентные — превращаются только в ограниченный круг клеток, как правило, родственных. Пример: гемопоэтические клетки — только в клетки крови.
• Олигопотентные и унипотентные — более узкоспециализированные. Например, клетка кожи может обновлять только кожу.

Как собирают стволовые клетки и где хранят?

Стволовые клетки получают из разных источников, включая костный мозг, кровь, пуповинную ткань и жировую ткань. После забора их обрабатывают и помещают на длительное хранение в специальные криохранилища, где они сохраняются при сверхнизких температурах. Рассмотрим подробнее весь процесс.

• Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК)

Для сбора такого типа клеток чаще всего используют эмбрионы, оставшиеся после процедур экстракорпорального оплодотворения (ЭКО), которые не были использованы по назначению и с согласия родителей были переданы на научные цели. Такие исследования строго регулируются. В России работа с ЭСК разрешена только в научных целях и в пределах закона, при этом использовать эмбрионы можно не позднее 14 дня их развития. ЭСК не используются в рутинной клинической практике для лечения пациентов как в России, так и во многих других странах. 

• Соматические (взрослые) стволовые клетки собирают в зависимости от нахождения самих клеток:

- костный мозг — самый известный источник. Забор проводят из тазовой кости под анестезией.
- периферическая кровь — после стимуляции организма специальными препаратами клетки выходят в кровоток, откуда их отбирают с помощью аппарата, используя метод афереза.
- жировая ткань — богатый источник мезенхимальных стволовых клеток, которые получают при липосакции.
- зубы — особенно молочные: внутри пульпы тоже есть стволовые клетки, которые сейчас активно исследуются.

• Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC). Их получают чаще всего из клеток кожи – фибробластов. Затем в лаборатории с помощью генной инженерии клетки перепрограммируют, вводя гены, отвечающие за "перезапуск" в состояние стволовой клетки.
• Пуповинная кровь. Сразу после рождения ребенка, до отделения плаценты, у роженицы с ее разрешения берут кровь из пуповины. Это безболезненно, безопасно и не влияет на здоровье ребенка. Медицинский персонал набирает пуповинную кровь в специальные стерильные пакеты. Позже из нее выделяют стволовые клетки. Затем клетки замораживают и хранят.  

Где и как хранят стволовые клетки?

После выделения стволовые клетки чаще всего криоконсервируют — замораживают в жидком азоте при температуре –196 °C. Это позволяет хранить их десятилетиями  без потери жизнеспособности. Перед заморозкой клетки проверяют на вирусы, уточняют их особенности — например, совместимость с организмом человека и уникальные генетические признаки, — и вносят в специальный реестр. Это нужно, чтобы точно знать, какие клетки заморожены, и можно было безопасно использовать их в будущем. Каждая партия получает уникальный номер и хранится в строго контролируемых условиях. В России работают десятки частных и несколько государственных криобанков, например, криобанк Федеральный медицинский биофизический центр имени А.И. Бурназяна ФМБА России. Есть родовые банки для хранения пуповинной крови. Некоторые родители заранее заключают договор с таким банком, чтобы сохранить пуповинную кровь своего новорожденного — на случай, если в будущем ребенку или родственникам понадобится клеточная терапия. А также есть исследовательские криобанки при научных институтах и биотехнологические — для разработок и тестов.

Новые технологии для культивирования и применения стволовых клеток

Российские ученые активно развивают технологии, которые приближают стволовую терапию к реальному применению. Одним из перспективных направлений в российской науке стало создание условий для более эффективного выращивания стволовых клеток. Ученые из НИУ «БелГУ» разработали и запатентовали новый состав питательной среды, которая позволяет культивировать МСК клетки без добавления сыворотки крови животных — компонента, который традиционно использовался, но вызывал проблемы с воспроизводимостью и безопасностью. Новый бессывороточный состав отличается стабильностью, высокой продуктивностью и безопасностью: клетки активно делятся, но не начинают преждевременно превращаться в другие типы. Также в состав включены белки-транспортеры, которые улучшают питание клеток и поддерживают их активность. Разработка нацелена на импортозамещение и может стать основой для новых решений в биомедицине и пищевых технологиях.

Еще одно важное достижение принадлежит Алерии Аитовой, научному сотруднику МФТИ, которая разработала универсальную методику получения МСК сразу из двух источников: костного мозга и костной ткани человека или млекопитающего. Это значительно расширяет доступность материала для клеточной терапии. Суть технологии заключается в последовательной обработке биологического материала: жидкостное разделение, ферментация, центрифугирование с сохранением жизнеспособности клеток. Метод позволяет выделить и вырастить стволовые клетки в лабораторных условиях, используя стандартную культуру с питательной средой и сывороткой. Исследователь уже получила патент на этот способ и планирует перейти к доклиническим испытаниям.

Дополняет этот список практических достижений новый российский препарат на основе стволовых клеток для лечения травм спинного мозга, разработанный Федеральным центром мозга и нейротехнологий ФМБА России. Препарат направлен на снижение воспаления в зоне повреждения, которое препятствует восстановлению двигательных функций. По словам генерального директора центра Всеволода Белоусова, сочетание этого препарата с электрической стимуляцией спинного мозга значительно повышает эффективность реабилитации и восстановления ходьбы. Препарат планируют протестировать в клинических условиях уже в ближайшее время, а в будущем — использовать его также для лечения последствий инсульта. По словам разработчиков, он особенно актуален для помощи пациентам с тяжелыми травмами.

Мифы и факты о стволовых клетках

Несомненно, использование стволовых клеток — перспективное направление медицины. Однако вокруг самих клеток, методов их получения и способов использования существует много заблуждений и мифов. Давайте попробуем разобрать самые распространенные мифы.

Миф 1: стволовые клетки — панацея от всех болезней.

Хотя стволовые клетки обладают потенциалом для регенерации тканей и лечения некоторых заболеваний, на сегодняшний день доказана их эффективность лишь при ограниченном числе состояний, например, при лейкемии и некоторых иммунных заболеваниях.

Миф 2: c помощью стволовых клеток можно помолодеть.

На самом деле ни одно научное исследование не доказало, что стволовые клетки способны омолодить организм в целом. Обещания, что после инъекций с использованием стволовых клеток можно вернуть молодость, улучшить память, зрение или продлить жизнь — это маркетинг, а не медицина. Скепсис по поводу так называемого «омоложения стволовыми клетками» выражают и ведущие российские ученые. Так, профессор Сергей Киселёв, доктор биологических наук и руководитель лаборатории эпигенетики Института общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН, подчеркивает, что в мировой практике нет достоверных случаев, когда стволовые клетки действительно обеспечивали общее омоложение организма. По его словам, подобные заявления — не более чем вымысел, рассчитанный на доверчивую и недостаточно информированную аудиторию.

Миф 3: стволовые клетки получают исключительно из эмбрионов. 

Сегодня существует множество методов получения стволовых клеток из различных источников, таких как костный мозг и кожа.

Миф 4: есть клиники, которые успешно лечат стволовыми клетками уже более 20 лет.

Фраза звучит солидно, но вводит в заблуждение. Перед тем как довериться подобной клинике, важно проверить, что говорит законодательство. В России официальное применение стволовых клеток в терапии было разрешено  только с 2016 года. Все, что предлагалось до этого, находилось вне правового поля или в серой зоне.

Миф 5: хранение стволовых клеток — пустая трата денег.

Криоконсервация пуповинной крови или других типов клеток — это страховка на будущее. Уже сегодня их используют для лечения серьезных заболеваний, а в перспективе возможности их использования будут только расширяться.

А теперь обратимся к фактам о стволовых клетках.

Факт 1: стволовые клетки стареют.

Даже несмотря на их способность к самовосстановлению, стволовые клетки стареют. Этот факт впервые начали осознавать в 1980-х. В одном из важных экспериментов ученые пересаживали стволовые клетки от одной мыши к другой, затем — к следующей, и так несколько раз подряд. С каждым «поколением» пересадок клетки работали хуже.

Факт 2: из стволовых клеток можно выращивать собственные ткани.

Овечка Долли стала первым млекопитающим, клонированным из взрослой соматической клетки. Это произошло в 1996 году и стало  настоящим научным прорывом. Ученые пересадили ядро из клетки молочной железы овцы в яйцеклетку, из которой предварительно удалили собственное ядро, и получили генетическую копию донора. Этот метод — соматический ядерный перенос — позже лег в основу концепции терапевтического клонирования. В 1998 году американский биолог Джеймс Томсон впервые выделил и вырастил в лаборатории эмбриональные стволовые клетки человека, открыв путь к созданию клеток любых типов из генетически идентичного материала пациента. Так родилась идея, что, получив эмбриональные стволовые клетки из собственной клетки пациента, можно выращивать совместимые ткани и органы без риска отторжения. Однако использование эмбрионов вызвало серьезные этические споры, и поэтому в настоящее время преимущественно применяют индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC).

Факт 3: стволовые клетки разных тканей истощаются с разной скоростью. 

Например, стволовые клетки костного мозга начинают терять свою активность и численность уже с 30–40 лет, а это влияет на кроветворение и иммунную защиту. В то же время стволовые клетки жировой ткани остаются активными значительно дольше и в большем количестве, даже у пожилых людей. То есть жировая ткань —  одна из самых перспективных источников клеточного материала для терапии и исследований.

Факт 4: стволовые клетки активно изучаются в регенеративной медицине.

Включая создание органов, 3D-биопечать тканей, восстановление нейронов. Например, ученые из Первого МГМУ им. Сеченова совместно с Центром химической физики им. Н. Н. Семенова РАН в 2023 году успешно выполнили полный цикл биопечати живой ткани — от клеток до готового биоэквивалента кожи, пригодного для лечения ран, ожогов и язв. Они использовали стволовые мезенхимальные клетки человека, взятые из десны и жира, формировали сфероиды и смешивали их с гидрогелем для печати — полученные конструкции даже показали более высокую функциональность, чем аналогичные ткани, формируемые вручную.

Стволовые клетки: живая искра обновления в организме

Стволовые клетки — не просто научный термин или модное слово из медицинских статей, а настоящие живые ресурсы, которыми природа снабдила наш организм для восстановления и выживания. Их можно представить как внутреннюю армию ремонтников, которые активизируются, когда что-то повреждено: будь то кровь, кожа, мышцы или даже нервные клетки.

Сейчас мы только начинаем по-настоящему понимать, как они работают, почему с возрастом их становится меньше, и как можно "помочь" им снова быть активными. Наука уже умеет направлять их развитие, редактировать, выращивать в лабораториях, а однажды, возможно, мы сможем выращивать целые органы на заказ или восстанавливать разрушенные ткани без операций.

Но с их могуществом связаны и риски: при неправильном применении стволовые клетки могут превратиться не в лекарство, а в угрозу. Потому современная медицина стоит перед задачей: использовать их силу осознанно, безопасно и точно.

Автор текста Анастасия Будаева

Изображение на обложке: Freepik

Создано при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Десятилетия науки и технологий (ДНТ), объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.

Только представьте, как было бы здорово, если бы в руках человечества оказался надежный инструмент по возвращению в наш мир тех животных, которые когда-то вымерли: шерстистые мамонты, птицы додо, стеллеровы коровы, саблезубые тигры... Среди кандидатов на возвращение в списки ныне живущих видов мамонты – одни из первых претендентов, потому что найденные в вечной мерзлоте туши древних травоядных отлично сохранились. Но насколько это реально и зачем это нужно? Действительно ли современные технологии позволят нам вернуть на Землю любой вид живого существа из прошлого? Давайте разбираться, что же на сегодняшний день реально могут сделать ученые в этом направлении.

А зачем нам вообще возвращать исчезнувшие виды?

Противники этой идеи задаются вопросом: а насколько это вообще разумно – возвращать к жизни те виды, для которых в существующих экосистемах давно нет места, например, тех же шерстистых мамонтов, вымерших около 3600 лет назад? С тех пор изменились и климат, и ландшафты, и их кормовая база. И смогут ли они вообще выжить в дикой природе без помощи человека и насколько будут жизнеспособны в долгосрочной перспективе? Ну и главный аргумент скептиков: получить генетически чистого мамонта на данный момент невозможно, но о причинах этого чуть позже.

Тем временем и у сторонников возвращения мамонта есть свои аргументы, среди которых чаще всего упоминается:

• сохранение и восстановление биоразнообразия видов на планете;
• новый вектор для развития научных технологий; 
• стабилизация климата: предполагается, что мамонты будут способствовать сохранению вечной мерзлоты в Арктике, расчищая заросли кустарников, стимулируя развитие на их месте травянистых тундровых сообществ, под которыми сильнее промерзает почва, а также уплотняя и разгребая снег зимой, что тоже приведет к более глубокому распространению мерзлых грунтов. Однако при этом не уточняется, какое количество животных необходимо получить и расселить по планете для реализации столь амбициозных планов.  

А пока идут дебаты по поводу целесообразности таких проектов, коллективы наиболее оптимистично настроенных ученых ведут кропотливую работу по возрождению этого и других уникальных видов.

Как именно можно вернуть мамонта к жизни?

Сегодня ученые видят два наиболее вероятных сценария воскрешения шерстистого мамонта.

1. Клонирование подходящей клетки мамонта, полученной из останков животного, которое будет проходить в несколько основных этапов: 

• из яйцеклетки близкородственного вида – азиатского слона,  удаляют ядро с родным генетическим материалом;
• на его место помещают ядро из соматической клетки мамонта;
• стимулируют начало деления ядра и дальнейший процесс развития эмбриона: для этого воздействуют на клетку электрическим током или химическими препаратами; 
• пересаживают эмбрион суррогатной матери – азиатской слонихе, для вынашивания мамонтенка. 

2. Получение клетки для клонирования максимально приближенного к мамонту животного в лабораторных условиях. Этот путь тоже состоит из нескольких этапов: 

• расшифровка генома мамонта;
• выделение фрагментов, отличающих его от близкородственного азиатского слона;
• редактирование генома азиатского слона и вставление в него фрагментов ДНК мамонта;
• создание клетки, внутри которой будет ядро с отредактированной ДНК гибридного животного с максимально возможными чертами мамонта;
• клонирование клетки, в ядре которой содержится отредактированная ДНК.

А теперь посмотрим, как эти способы работают в реальной жизни.

Клонирование ДНК шерстистого мамонта: в чем проблема?

Процедура клонирования млекопитающих позволяет получить генетически идентичный живой организм всего из одной клетки донора. Но клетка эта должна быть хорошего качества, то есть иметь жизнеспособное ядро с генетическим материалом. Получить таким способом, например, динозавров, вымерших более 60 миллионов лет назад, не получится: слишком много времени прошло с момента смерти «пациента», которого собираются клонировать, и материал ядер клеток уже разрушен. Но вот возвращение к жизни шерстистого мамонта, чьи останки гораздо моложе и пролежали все это время в самых лучших для сохранности условиях – в толще вечной мерзлоты, это уже более реальный сценарий. Увы, тут есть свои нюансы: идеально сохранившиеся жизнеспособные клетки, пригодные для клонирования мамонта, пока не найдены. 

То, что палеонтологи с восторгом называют «прекрасно сохранившаяся туша мамонта», для генетиков является материалом, из которого можно с большим трудом заполучить лишь какую-то часть ДНК. Главным поставщиком генетического материала шерстистого мамонта в масштабах всей планеты была и остается российская Сибирь, с ее огромной площадью многолетних мерзлых грунтов. За пределами данного региона известен только один случай находки туши аналогичной сохранности – это мамонтенок Нун-Чо-Га возрастом 30 тысяч лет, найденный в Канаде на территории одного из золотых рудников Клондайка. А вот несколько примеров мамонтов с хорошей сохранностью мягких тканей, найденных в нашей стране.

• В 2010 году в Усть-Янском районе Якутии недалеко от моря Лаптевых обнаружили мамонтенка по имени Юка возрастом около 28 тысяч лет. Российские ученые совместно со специалистами из Японии получили биологически активные клетки шерстистого мамонта, ядра из которых были пересажены в яйцеклетки мышей, и даже были зафиксированы реакции, характерные для процесса деления клеток, но этого материала оказалось недостаточно для полноценного процесса клонирования из-за повреждения клеток.  

• В 2013 году на острове Малый Ляховский в море Лаптевых была найдена туша взрослой особи мамонта возрастом около 43 тысяч лет. Ученых поразила отличная внешняя сохранность тканей и жидкая кровь насыщенного красного цвета, которая вытекла при повреждении останков. Были детально исследованы клетки крови, но найти живые клетки с ДНК не удалось.  
• В 2018 году вблизи поселка Белая Гора в Республике Саха (Якутия) был найден мамонт по имени ЯкИнф возрастом 52 тысячи лет. На основе тканей этого мамонта международная команда ученых, в составе которой были и российские специалисты, обнаружила уникальные хромосомы с сохранившейся трехмерной структурой и выделила ген, отвечающий за шерстяной покров мамонта, о чем мы подробно рассказывали здесь. 
• В 2024 год в термокарстовом провале Батагайка в Верхоянском районе Якутии был обнаружен мамонтенок Яна возрастом более 100 тысяч лет. Очень хорошо сохранились внутренние органы и даже содержимое желудка. Исследования еще идут, но предварительные данные говорят о том, что структура клеток сильно повреждена и они не пригодны для клонирования.

Как видим, даже в случае с самыми лучшими по меркам ученых материалами, речь не идет о наличии клеток с полностью сохранившейся ДНК, которые способны к делению и подходят для клонирования. С теми генетическими материалами, что обнаружены на данный момент, возможно только возрождение мамонта по второму сценарию: полное или частичное восстановление ДНК мамонта на основе найденных фрагментов.

Способ второй: фрагменты ДНК мамонта, азиатский слон и CRISPR/Cas9

Как все же получить ДНК шерстистого мамонта?  Полный геном мамонта был впервые расшифрован еще в 2008 году группой ученых из России и США. Оказалось, что мамонты – это на 99,6 % азиатские слоны, и лишь на 0,4 % собственно мамонты. То есть эти два вида очень близкие родственники. Это значит, что от общего числа генов, которые кодируют внутреннее и внешнее строение организма и все процессы в нем  специфических, чисто мамонтовских генов менее 0,5 %. Но как раз они и отвечают за то, чтобы это был тот самый мамонт с:

• густой шерстью;
• толстой прослойкой подкожного жира;
• длинными мощными бивнями;
• кровеносной системой, которая эффективно функционирует в холоде;
• пищеварительной системой, способной переваривать широкий ассортимент растительности: от травы и листьев до толстых веток и корней деревьев.

И если найти пригодную для клонирования клетку мамонта с жизнеспособным ядром не получилось, то ее можно создать, соединив уникальные фрагменты генома мамонта – те самые 0,4%, с генетическим материалом азиатского слона. И для этого планируют использовать систему CRISPR/Cas9.

Система CRISPR/Cas9 – это механизм, при помощи которого можно вырезать нужные фрагменты из последовательности ДНК и добавить в нее новые. Данный механизм не изобретение генетиков, а интересная система иммунной защиты, которую ученые позаимствовали у бактерий. Система функционирует следующим образом. Бактерия накапливает информацию об опасных для нее вирусах и хранит фрагменты вирусной ДНК в своем геноме в виде специфических CRISPR-последовательностей. А при встрече с этим самым вирусом, бактерия узнает его по сохраненному фрагменту и посылает к нему особый фермент под названием Cas9, который повреждает вирус, разрезая его, словно ножницы. Генетики назвали эту систему CRISPR/Cas9 и успешно применяют для целенаправленного изменения ДНК: например, в Великобритании ее уже использовали для лечения лейкемии, в США, Китае и России тестируют для возможного применения в лечении онкологических и генетических заболеваний, а недавно итальянские ученые при помощи этой технологии создали новый карликовый сорт риса, который можно будет культивировать в условиях Международной космической станции. При помощи этой системы и планируется получить из генома азиатского слона геном животного, максимально приближенного к шерстистому мамонту путем вырезания ненужных фрагментов ДНК и добавления тех самых 0,4%. 

И наконец, клонирование. На этом этапе работы генетики выйдут на финишную прямую: когда ученые получат клетку с отредактированной ДНК мамонта или «почти мамонта», они планируют взять яйцеклетку азиатского слона, удалить из нее ядро с родным генетическим материалом и заменить его на ядро с отредактированной ДНК мамонта. Ну а далее яйцеклетку поместят в матку суррогатной матери – азиатской слонихи, которая будет вынашивать потомство на протяжении 22 месяцев. 

Разумеется, на деле в этом плане, который мы описали только в самых общих чертах, много подводный камней, и никто не может гарантировать успех. Но научные работы идут и даже есть некоторые промежуточные результаты.

Проекты по воскрешению мамонтов

Оптимистичных заявлений о планах по клонированию мамонта достаточно много, расскажем лишь о тех проектах, участники которых предъявляют миру какие-то результаты.  

• Российские ученые из Института цитологии и генетики СО РАН и  Института общей генетики имени Н.И. Вавилова РАН совместно с  сингапурским центром «Биополис» сообщали, что восстановили ДНК мамонта при помощи генетического материала азиатского слона и технологии редактирования CRISPR/Cas9.

Компания Colossal Biosciences из США, в состав научного консультативного совета которой входит знаменитый эволюционный биолог и палеогенетик Бет Шапиро, объявила о промежуточном успехе в проекте по клонированию мамонта – создании мыши с измененным геномом, в который были встроены фрагменты ДНК мамонта, отвечающие за шерстяной покров и специфическую жировую ткань, о чем подробнее можно почитать в нашем новостном материале.

А что будет, если мы все-таки его воскресим?

В случае успеха, под которым подразумевается появление на свет гибридного животного или даже небольшой популяции, состоящей из вида, максимально похожего на шерстистого мамонта, возникает вопрос о его дальнейшей судьбе. И вопрос первый: «Где они будут жить?»

В свое время мамонты обитали в основном на территории тундростепи, или мамонтовой степи: это была высокопродуктивная пастбищная экосистема на территории Евразии и Северной Америки, в которой нишу травоядных вместе с мамонтами занимали и другие представители плейстоценовой мегафауны – шерстистые носороги, большерогие олени, овцебыки.  Сегодня в России существует очень интересный проект по возрождению этих ландшафтов – заказник под названием Плейстоценовый парк, который был организован на севере Якутии в 1996 году по инициативе ученого Сергея Афанасьевича Зимова.  Здесь проходит эксперимент по восстановлению той самой высокопродуктивной экосистемы мамонтовой степи, правда, пока без мамонтов, но при участии крупных травоядных – бизонов, овцебыков, лосей, яков. И если мамонт будет когда-то воссоздан как вид, способный к жизни в дикой природе, то вероятнее всего, местом его обитания будет именно территория Плейстоценового парка.

С какими из вымерших видов еще работают ученые?

Помимо «мамонтовых», есть несколько других любопытных проектов, удачных и не очень, в которых фигурируют и другие биологические виды. 

• Испанские ученые в 2003 году клонировали вымершего пиренейского горного козла. Генетический материал был взят у последней живой особи, сохранен и клонирован, но полученный детеныш не выжил после родов: у него обнаружили врожденные нарушения в легких, несовместимые с жизнью. Этот пример наглядно показывает, что даже при наличии подходящего живого донора никто не может гарантировать успех клонирования. 

• Компания Colossal Biosciences из США объявила о воссоздании ужасных волков (лат.  Aenocyon dirus), которые жили на американском континенте и вымерли около 9,5 тысяч лет назад. Мы писали об этих волчатах в нашем материале, где можно увидеть и снимки малышей. Правда, ряд специалистов не доверяет этим заявлениям и полагает, что с генетической точки зрения их нельзя назвать полноценными животными вида ужасный волк. 
• Тот же американский стартап Colossal Biosciences в сотрудничестве с австралийскими учеными пытается возродить вымерших сумчатых животных тилацинов: в январе 2025 года сообщалось о промежуточном успехе – наполовину выращенном эмбрионе животного, полученного путем редактирования генома, о чем подробнее можно почитать здесь. 

Хочется упомянуть и о российском проекте «Арктическая сирена» по восстановлению стеллеровой коровы – крупного морского млекопитающего, которого истребили во второй половине XVIII века. На данном этапе идет сбор генетического материала, фрагменты которого планируется совместить с ДНК дюгоня – ближайшего родственника стеллеровой коровы.

***

Итак, реально ли все же воскресить мамонта? Скорее всего, это и в самом деле возможно, особенно учитывая тот факт, что в слоях вечной мерзлоты скрыто еще много ценного палеонтологического материала шерстистого мамонта, и его обнаружение – вопрос времени. Да и прогресс в этом направлении не стоит на месте: то, что совсем недавно считалось фантастикой, сегодня стало технологиями, доступными многим научным коллективам. Поэтому не исключено, что в ближайшие годы или десятилетия мы увидим с вами не только живых мамонтов, но и стеллерову корову, и птицу додо, и тасманийского волка… А возможно, все же и динозавров? 

Автор текста Ольга Фролова

Изображение на обложке: Ai-generated

На протяжении веков люди придумывали все более хитроумные способы шифрования — от древних «решеток» до современных цифровых кодов. В этой статье мы заглянем в увлекательный мир криптографии — науки о шифрах, — где математика становится главным оружием в борьбе за конфиденциальность.

Слово «криптография» происходит от двух древнегреческих слов: κρυπτός («криптос») — скрытый, тайный и γράφω («графо») — пишу. То есть  дословно криптография означает «тайнопись», или «скрытное письмо», что отражает ее главную задачу — защищать информацию, делая ее недоступной для непосвященных.

Сегодня криптография занимает важное место не только в жизни дипломатов и военных, но и в быту практически каждого человека. Каждый из нас хотя бы раз в день сталкивается с шифрованием данных. Банковские транзакции, мессенджеры, цифровые подписи: день ото дня все большее количество информации требует защиты, способы которой становятся все изощреннее... Криптография была известна еще древним грекам. С тех пор она прошла огромный путь развития, многие идеи прошлых времен актуальны и сегодня.

Шифры древности: от восковых табличек до «пляшущих человечков»

Конечно же, история шифрования началась задолго до появления компьютеров, ведь со времен изобретения письменности, люди поверяли ей свои тайны. Еще в древней Спарте полководец Лисандр использовал хитроумный метод передачи секретных донесений — так называемый «шифр сциталь». Как это работало:

1. брали деревянный цилиндр (жезл) строго определенного диаметра и наматывали на него узкую полоску пергамента по спирали;
2. вдоль оси жезла писали сообщение: каждая буква оказывалась на новом витке;
3. пергамент разматывали — теперь текст выглядел как набор бессвязных символов, ведь буквы исходного сообщения были «разбросаны» по всей ленте;
4. прочитать послание мог только тот, у кого был жезл того же диаметра: при намотке буквы снова выстраивались в строку.

Этот метод напоминал аналоговый шифр перестановки — безопасность зависела от секретности параметров (диаметра жезла). Если враг перехватывал ленту, без «ключа» восстановить текст было почти невозможно.
Кстати говоря, «опробовать» на себе этот метод шифрования можно самостоятельно. Достаточно вооружиться карандашом и бумажной лентой.

Еще один знаменитый пример — «шифр Цезаря», применявшийся Юлием Цезарем. Каждая буква в сообщении заменялась на третью после нее в алфавите. Например, слово «РИМ» превращалось в «УЛП». Этот простой шифр замены позже стал основой для более сложных систем шифрования.

В XVI веке итальянский ученый Джероламо Кардано изобрел еще один способ сокрытия тайн. Он использовал бумажную решетку с вырезами, которую накладывали на текст. Буквы, видимые в прорезях, и составляли секретное послание. После прочтения решетку сдвигали — и открывался новый фрагмент сообщения. Кстати, такой способ шифрования можно увидеть в титрах знаменитого советского сериала «Приключения Шерлока Холмса и доктора Ватсона»: после наложения на заполненный буквами кадр шифровальной решетки в ней появляются имена создателей фильма, а после того как рамка исчезает, мы снова видим набор бессвязных букв.

Но криптография — это не только оружие императоров, шпионов и ученых. Она вдохновляла великих писателей, заставляя их создавать шедевры, полные загадок. Вспомните «Золотого жука» Эдгара По, где таинственный шифр ведет к несметным сокровищам, или «Пляшущих человечков» Артура Конан-Дойля — где забавные на первый взгляд  символы скрывают мрачную тайну.

Отечественная криптография: от Посольского приказа до Министерства иностранных дел

На Руси первые профессиональные криптографы появились при Иване Грозном. Они работали в Посольском приказе, отвечавшем за внешнюю политику, и разрабатывали так называемые «азбуки», или «цифири» — простые шифры замены. Однако настоящий прорыв в криптографии произошел при Петре I. С 1700 года шифровальная служба стала профессиональной: создание шифров, шифрование и дешифрование велись в цифирном отделении Посольского приказа, а позднее — в Посольской канцелярии.

Типичными для того времени были все те же шифры простой замены: каждая буква алфавита заменялась новым знаком, буквой или сочетанием букв. Кроме того, использовались «пустышки» — незначащие символы, которые усложняли дешифровку.В XIX веке криптографическая деятельность сосредоточилась в Канцелярии Министерства иностранных дел. Одним из ярких успехов русских криптографов стало дешифрование переписки Наполеона, что сыграло ключевую роль в победе России в Отечественной войне 1812 года. Воспоминания современников сохранили для нас отрывок из диалога,  состоявшегося после войны между императором Александром I и командующим одним из корпусов армии Наполеона маршалом Макдональдом. «Нам очень сильно помогло то, что мы всегда знали намерения вашего императора из его же собственных депеш <...>», - сказал маршалу русский император.  И на фразу того: «Я считаю очень странным, что Вы смогли их прочесть. Кто-нибудь, наверное, выдал Вам ключ?» с достоинством возразил: «Отнюдь нет! Я даю Вам честное слово, что ничего подобного не имело места. Мы просто дешифровали их».

Шифровальные машины: как техника изменила искусство тайнописи?

Быстрые криптографические системы начали развиваться во время Первой и Второй мировых войн. Появление вычислительной техники ускорило развитие и совершенствование криптографических методов. Наиболее известной была немецкая шифровальная машина системы «Энигма». По некоторым оценкам, для вооружения армии было выпущено до 100 000 ее экземпляров. А первый математический аппарат для дешифрования «Энигмы» разработали выпускники Познаньского университета Мариан Раевский, Генрих Зыгальский и Ежи Розицкий.  Позже их наработки легли в основу британской операции «Ультра», в ходе которой в Блетчли-парке (главном криптоцентре Англии) под руководством ученого-математика и криптографа Алана Тьюринга ежедневно расшифровывали тысячи немецких сообщений. Подробнее об этих событиях можно узнать из фильма «Энигма» (2001), основанного на истории взлома системы. Успешная дешифровка сообщений противника помогла англичанам предугадывать действия вермахта — от планов бомбардировок до перемещений подлодок.

Советские шифрмашины: железная стена криптографии

Немецкие шифровальные машины системы  «Энигма» известны всему миру, но далеко не все знают, что в  СССР создавали собственные шифровальные системы, о которых почти ничего не было известно даже союзникам. Первая попытка создать советский текстовый электромеханический шифратор была предпринята в 1923 г. В 1930-х годах под руководством Ивана Волоска создавались первые образцы советских шифрмашин.  Устройства того времени реализовывали наложение случайной последовательности, так называемой гаммы, на открытое текстовое сообщение. Даже сейчас такой подход считается современным и в целом может обеспечивать стойкость шифрования. В-4, М-100 — одни из первых советских шифрмашин, реализующих шифры гаммирования. В 1938 г. началось их серийное производство. Общий вес комплекта М-100, состоявшего  из семи упаковок, достигал 116 кг. Аккумуляторы для автономного питания электрической части машины весили 32 кг.

Существует легенда о том, что на одном из совещаний Гитлер воскликнул: «Эти проклятые русские шифровальные машины, мы никак не можем их расколоть!». После чего глава фашистской Германии инициировал настоящую охоту за советскими шифровальщиками. Гитлер лично обещал «Железный крест», поместье в Крыму и пожизненную пенсию» тому, кто захватит русскую шифровальную технику или возьмет в плен русского шифровальщика. Однако, несмотря на все усилия, немцам так и не удалось дешифровать сообщения, зашифрованные с помощью советской техники. Перед приходом врага офицеры спецсвязи на грани жизни и смерти уничтожали шифровальные документы, а  советские шифровальщики даже под  пытками не выдавали ни кодовых таблиц, ни особенностей использования шифровальной техники.

На машинную шифросвязь в годы войны легла основная нагрузка при передаче секретных телеграмм. Только в 8-м Управлении Красной Армии за период с 1941 по 1945 годы было обработано свыше 1,6 миллионов шифротелеграмм. И советская шифровальная служба ценой титанических усилий справлялась с этими объемами. 

Кстати говоря, позднее появились более совершенные и компактные шифрмашины — К-37 («Кристалл»), М-101 («Изумруд») и другие. Наряду с шифрами гаммирования применялись и шифры многоалфавитной замены.

Криптография: вызовы компьютерной эпохи

С появлением компьютеров шифрование стало сложнее. Теперь вместо простых замен используются математические алгоритмы, основанные на огромных числах. В середине прошлого века шифрование использовали в основном армии и дипломаты, а к XXI веку оно стало необходимо каждому из-за широкого распространения интернет-банкинга и мессенджеров. И если раньше криптография служила только интересам государства, то с появлением интернета ее методы стали интересовать и частных лиц. Криптография широко используется всеми: и хакерами, и борцами за свободу информации, и простыми пользователями, желающими защитить свои данные в сети.

Криптография XX века прошла путь от механических шифровальных машин до цифровых алгоритмов, изменивших саму природу секретности. Если в середине столетия главным инструментом были сложные, но ограниченные устройства вроде «Энигмы», то к его концу криптография превратилась в науку, тесно связанную с математикой и компьютерными технологиями. Военные шифры уступили место гражданским стандартам, а вместо секретных разработок спецслужб появились открытые алгоритмы, проверяемые международным научным сообществом.

Ключевым переломом стало появление асимметричной криптографии в 1970-х, которая решила проблему обмена ключами — вечную головную боль прежних эпох. Если раньше отправитель и получатель должны были заранее договориться о секретном коде (что делало системы уязвимыми), теперь можно было свободно публиковать «открытые ключи», сохраняя расшифровку в тайне. Это открыло дорогу электронной коммерции и защищенной цифровой связи.Как же происходит шифрование информации в интернете? Давайте рассмотрим один из самых известных современных методов   — RSA, названный по первым буквам фамилий его создателей: Рона Ривеста, Ади Шамира и Леонарда Адлемана.

Суть метода состоит в том, что:

• открытый ключ (известный всем) шифрует сообщение;
• закрытый ключ (известный только получателю) расшифровывает его.

Чтобы понять, как это работает на практике, попробуйте умножить два числа, например 17 × 23. Получится 391. А теперь представьте, что вам нужно проделать обратную операцию и разложить 391 на множители. Это уже сложнее, правда? А представьте, если числа будут в сотни раз больше! Именно на этом принципе и строится современная защита данных.

Коренное отличие сегодняшней криптографии  от криптографии прошлого столетия — масштабы и скорость. О том, какие вызовы перед системами криптографии стоят сегодня, рассказывает Иван Чижов, к.ф.-м.н., доцент кафедры Информационной безопасности факультета ВМК МГУ им М.В. Ломоносова, заместитель руководителя лаборатории криптографии по научной работе «Криптонит»: «Самый большой вызов современным криптографическим системам — это возможное появление многокубитного квантового ускорителя, который позволяет решать задачу разложения чисел на множители и задачу дискретного логарифмирования. Сложность именно этих задач лежит в основе стойкости почти всех используемых на практике криптосистем с открытым ключом.

В 1994 году американский математик Дэвид Шор разработал эффективный квантовый алгоритм, способный решать эти задачи. Однако пока современная физика не смогла создать компьютер достаточной мощности, чтобы взламывать реальные системы. Но в настоящее время ученые сходятся  во мнении, что такой ускоритель может появиться в ближайшие 10 лет».

Криптография в России XXI века

Важной вехой в развитии российской криптографии стал 2020 год: РЖД и Росатом запустили первую в стране квантовую линию связи между Москвой и Санкт-Петербургом. Суть технологии впечатляет: если злоумышленник попытается перехватить передаваемые фотоны, их квантовое состояние моментально изменится.

Еще активнее Россия стала развивать собственные технологии шифрования после 2022 года. Шифры «Кузнечик» и «Стрибог», сертифицированные ФСБ, теперь активно применяются в госструктурах и банковском секторе. 1 апреля 2024 года вступил в силу новый ГОСТ Р 71252–2024, регулирующий защищенный обмен данными в промышленных системах.

Заглядывают российские специалисты и в постквантовое будущее. Ученые МГУ и Сколтеха тестируют квантово-устойчивые алгоритмы, способные противостоять даже мощнейшим вычислительным системам будущего. А в Москве заработала первая в стране квантовая сеть связи с невероятной скоростью до 100 Тбит/с и абсолютной защитой от взлома. Проект, реализованный при поддержке «Ростеха», уже обслуживает государственные учреждения и IT-компании. К 2030 году планируется его масштабирование на другие регионы. При тестировании нейросети и ИИ помогают разработчикам находить уязвимости в алгоритмах шифрования. Однако есть и обратная сторона — киберпреступники тоже используют искусственный интеллект, делая атаки все более сложными и изощренными.

Как дальше будет развиваться криптография? Вот что думает по этому поводу Ивана Чижов: «Через 10 лет, скорее всего, все основные криптосистемы с открытым ключом будут заменены на так называемые постквантовые криптосистемы, для которых пока не существует эффективных квантовых алгоритмом взлома. В основе этих криптосистем лежат сложные задачи из теории целочисленных решеток и теории помехоустойчивых кодов. Такие системы сейчас активно разрабатываются и внедряются в существующие протоколы. Интересно, что Национальный институт стандартов и технологий США к 2030 году прямо запрещает использование криптографии, которая была бы уязвима к атакам в условиях наличия у нарушителя квантового ускорителя».

А вот как прогнозирует развитие отрасли Сергей Воробей, заместитель начальника отдела лицензирования и сертификации компании QRate, специализирущейся на квантовом шифровании: «Криптография остается консервативной отраслью: классические алгоритмы не теряют актуальности, их реализации модифицируются и усиливаются. Ведется разработка постквантовых ГОСТов, но революционных изменений в самих алгоритмах ожидать не стоит.

Ключевые изменения коснутся инфраструктуры и областей применения криптографии. Главные направления развития:

• Инфраструктура QKD для исключения человеческого фактора, особенно в критической инфраструктуре.
• Интеграция с новыми технологиями, такими как блокчейн-платформы.
• Новые области применения: федеративное обучение моделей ИИ, гомоморфное шифрование и подходы data-mesh.

Развитие криптографии будет определяться ее приложениями и стремлением к минимизации человеческого участия».

***
От деревянных сциталей Спарты до квантовых линий связи — история шифрования это нескончаемая дуэль между теми, кто прячет информацию и теми, кто пытается ее раскрыть. Кстати, для тех, кто хочет глубже погрузиться в историю вопроса, в Москве работает уникальный Музей криптографии. Его интерактивные экспозиции наглядно демонстрируют эволюцию защиты информации — от первых шифровальных устройств до квантовых коммуникаций, о которых шла речь в этой статье. Посетители могут разгадать криптографические загадки, обнаружить взаимосвязь криптографии и важных исторических событий, заглянуть в будущее.

Каждая эпоха бросала криптографии новые вызовы, но суть оставалась  неизменной: чем сложнее шифр — тем изощреннее методы взлома. Криптография — это не просто технологии. Это вечное противостояние творческого гения человека и его же неуемного любопытства. И пока существуют секреты, эта битва будет продолжаться.

Автор текста Валерия Стопичева

Изображение на обложке: Freepik