“Are you happy?” is a deceptively complex question to both ask and answer.
It’s generally understood that having enough money to cover your needs and wants can help you live a relatively happy, comfortable life—and recent research shows this relationship may increase linearly as income levels grow, as well.
However, there’s much more to it than that. Happiness levels depend not just on financial security, but also broader perceptions of one’s social support, personal freedom, and more.
This series of map pulls data from the World Happiness Report to uncover the average scores of 149 countries between 2018-2020, and which ones emerged the happiest or unhappiest. We also look at the most and least improved countries in every region.
How is Happiness Measured?
First, let’s look at the factors used to calculate world happiness levels. Some clear indicators are health and wealth, both metrics that have been steadily on the rise worldwide. The report takes these into account, weighting GDP per capita and life expectancy at birth into the scores.
The report also looks at more intangible aspects, collecting survey responses around:
Social support
Freedom to make life choices
Generosity
Perceptions of government/ business corruption
Positive or negative affects (Recent experience of emotions)
This year, there was a natural focus on the negative affect measure of the COVID-19 pandemic on happiness levels, such as exacerbating mental health risks. In addition, such measurements varied depending on each country’s response to the crisis.
Looking Closely at Regional Happiness Levels
Worldwide happiness comes in at an average score of 5.5, a marginal improvement since our previous coverage of this report in 2019. Let’s dive into regional outlooks for happiness levels.
North America
Current Mood: Happy (6.1)
Canada retains its spot as the happiest country in North America, although its overall global ranking has dropped over the years. In 2019, it was ranked in ninth place globally, dropping to 11th in the 2020 edition, and declining further to 14th place in this year’s report.
Haiti continues to fare poorly as the unhappiest in the region, with an average annual GDP growth of only 1.3% over 20 years. Its weak economy and political instability have been worsened by the pandemic—setting back efforts to reduce poverty and widening inequality.
South America
Current Mood: Content (5.9)
With the largest middle class in the Americas—60% of its population—and a miniscule 0.1% extreme poverty rate, Uruguay is the happiest South American country. The nation has also achieved equitable access to basic services, from education to electricity.
The trio of Colombia, Ecuador, and Venezuela are experiencing different stages of progress in happiness levels, but their relationship is very much interdependent.
Venezuela and Ecuador face similar economic challenges and sharp declines in oil prices. Venezuela is additionally acutely affected by socio-political unrest, triggering a mass exodus of citizens to Ecuador and Colombia alike. The silver lining is that the influx of highly-educated Venezuelan migrants may provide a 2% boost to Ecuador’s GDP.
Colombia, the most improved country, has halved its poverty rate in the last decade. In addition, it has welcomed almost 2 million Venezuelan migrants as of Dec 2020—and plans to provide them up to 10 years of protective status.
Europe
Current Mood: Happy (6.4)
Finland remains at the top of the leaderboard as the world’s happiest country. This year’s ranking was also influenced by high levels of trust in the way the COVID-19 pandemic was handled.
Meanwhile, the shock of the COVID-19 crisis is expected to be short-lived in Croatia, which is the most improved country. This is partly due to its steady pre-pandemic economic gains, although risks remain.
In the unhappiest country of Ukraine, conflicts continue to cause stress on its politics, security, and economy. In particular, government corruption remains a big public issue.
Middle East and Central Asia
Current Mood: It’s Complicated (5.3)
Saudi Arabia is the most improved country in the region, as it continues to reduce its oil dependence, diversify its economy, and bolster its public services. It has also been making some progress towards gender equality.
The tourism and hospitality industries contribute nearly 20% of Jordan’s GDP—and COVID-19 has caused a prolonged economic decline in the country along with the headwinds of these industries.
Although Afghanistan has seen improvements in access to basic services and its agricultural economy, challenges remain with prolonged conflict and violence. A post-pandemic recovery in the world’s unhappiest country might take several years.
East Asia and Oceania
Current Mood: Neutral (5.5)
Both New Zealand and Taiwan saw a successful COVID-19 response and recovery boosting their positions in the global happiness rankings. In fact, New Zealand was the only non-European country to make it into the top 10 on the global happiness list.
Note: As the report only covers 149 countries, “Oceania” only refers to Australia and New Zealand in this instance.
Although India remains the unhappiest country in the region, it also showed the most improvement overall, possibly due to its increased access to basic services. Notably though, the pandemic caused a sharp economic contraction in real GDP by 23.9% year-over-year in Q1’2021.
Africa
Current Mood: Unhappy (4.5)
In July 2020, the island nation of Mauritius joined Seychelles to become the second high-income country in Africa, helping cement its status as the happiest in the region.
Zambia, the most improved African country, has one of the world’s youngest populations by median age—which presents long-term opportunities for labor force participation.
On the flip side, agriculturally-reliant Benin struggles with high poverty, with close to 40% of the population living below $1.90 per day.
Zimbabwe, the unhappiest country, has been through not just natural disasters but financial disasters too. It experienced hyperinflation of 786% in May 2020, accompanied by an equally sharp rise in food prices.
Although each country has been uniquely impacted by the pandemic, it’s clear that on the whole, happiness levels take into account so much more. How will future rankings look like in a post-pandemic world?
Изучив отчеты авторитетных научных журналов и крупнейших мировых СМИ, мы составили список подрывных инноваций, которые определяют технологический ландшафт во всем мире и формируют наше будущее
1. Литий-металлические батареи
Литий-металлические аккумуляторы имеют все шансы изменить расстановку сил на авторынке. Их энергетическая плотность равна 1 кВт·ч на литр объема, что почти в два раза больше, чем у литий-ионных батарей. Как утверждают в MIT Technology Review, благодаря этому электрокары заряжаются гораздо быстрее, а главное — заряда хватает на 80% дольше, чем с литий-ионными аккумуляторами. Такие показатели сохраняются и после 800 циклов.
Американский стартап QuantumScape (среди его инвесторов — Билл Гейтс), который занимается разработкой литий-металлических батарей, провел первые тесты в декабре 2020-го. После успешных испытаний он уже заключил сделку с Volkswagen, который начнет выпускать электромобили с этими аккумуляторами в 2025 году.
Скептики утверждают, что результаты тестов пока рано считать успешными: их проводили на однослойных ячейках, тогда как в реальных аккумуляторах они должны быть многослойными. При массовом производстве это может привести к непредвиденным рискам.
2. Вакцины на основе матричной РНК
РНК-вакцина — одна из самых передовых разработок в медицине за последние 20 лет. Сейчас есть две вакцины, созданные по этой технологии: Pfizer и Moderna. Обе — против коронавируса.
Обычные — векторные — вакцины содержат ослабленный или неактивный возбудитель вируса. Вакцины на основе мРНК побуждают организм вырабатывать фрагмент белка, содержащийся в возбудителе COVID-19, который тут же атакует иммунная система. В результате возникает сильный иммунитет к вирусу, организм становится устойчивым к заражению.
Матричные (информационные) РНК хороши тем, что их легко модифицировать под любой новый штамм вируса. Их также можно использовать для борьбы с инфекциями (например, малярией), раком, серповидноклеточной анемией, ВИЧ и другими тяжелыми заболеваниями.
3. GPT-3
На сегодняшний день самая совершенная нейросеть на базе NLP (то есть, алгоритмов распознавания текста) — GPT-3. Это нейросеть-трансформер, которая способна генерировать связные ответы в диалоге с человеком. Объем используемых ей данных и параметров в 100 раз превосходит предыдущее поколение — GPT-2.
Однако даже самые продвинутые трансформеры, обученные на огромных массивах данных не понимают смысла слов и фраз, которые они генерируют. Для их обучения нужны огромные массивы данных и вычислительные ресурсы, которые, в свою очередь, оставляют большой углеродный след. Еще одна проблема — несовершенство датасетов для обучения нейронных сетей: тексты в интернете часто содержат искажения, манипуляции и откровенные фейки.
Одно из самых перспективных направлений в развитии ИИ и нейросетей — это расширение диапазона восприятия. Сейчас алгоритмы умеют распознавать изображения, лица, отпечатки пальцев, звуки и голос. Они также умеют говорить и генерировать изображения и видео, имитируя наше восприятие разных органов чувств. Ученые MIT отмечают: чтобы приблизиться к человеку ИИ не хватает эмоционального интеллекта и чувств. В отличие от ИИ, человек умеет не только обрабатывать информацию и выдавать готовые решения, но и учитывать контекст, множество внешних и внутренних факторов, а главное — действовать в условиях неопределенности и меняющейся среды. Например, алгоритм AlphaGo от компании DeepMind способен обыграть чемпиона мира по го и шахматам, но все еще не может расширить свою стратегию за пределы доски.
Пока что даже самые продвинутые алгоритмы, включая GPT-3, находятся лишь на пути к этому. Сейчас перед разработчиками стоит задача создать мультимодальные системы, которые бы объединили распознавание текста и сенсорное восприятие для обработки информации и поиска решений.
4. Защита данных по модели Data Trusts
По данным Accenture, за время пандемии количество кибератак заметно выросло. Только первой половине 2020 года было взломано 36 млрд учетных записей и аккаунтов. Мы стали хранить гораздо больше данных в Сети, работать онлайн и пользоваться корпоративными сервисами с личных устройств. В итоге многие компании пострадали от утечек и вынуждены были усилить кибербезопасность.
Но причина утечек может быть не только в слабой защите данных, но и в том, что сама модель их сбора и хранения устарела. Data Trusts — «доверительное хранение данных» — новый подход, который может все изменить. В этом случае создается особый доверительный фонд, который хранит и управляет данными людей по их поручению и от их имени.
По словам представителей Mozilla, принцип доверительного управления данных подразумевает, что вы передаете свои данные тому, кто распоряжается ими в ваших же интересах. При этом все данные хранятся в одном месте, а сервисы, которыми вы пользуетесь, получают к ним доступ на ваших условиях. Доверительный фонд несет полную юридическую ответственность за соблюдение ваших интересов и приватности.
5. Wi-Fi 6 и 5G
Новые стандарты связи и беспроводного интернета, с одной стороны, помогают работать удаленно из одной точки на высокой скорости, с другой — способствуют развитию интернета вещей и искусственного интеллекта, сделают передачу данных более безопасной.
Главные преимущества, которые обеспечивает 5G:
Улучшенная мобильная широкополосная связь: скоростная передача потокового видео в соцсетях и онлайн-сервисах с минимальными задержками в передаче сигнала (всего 1–2 мс);
Масштабный интернет вещей: по данным Accenture, с помощью 5G станет возможна поддержка до 1 млн устройств на кв км;
Критически важные сервисы. Новый стандарт связи обеспечит бесперебойную работу автономных беспилотников или удаленных отделений интенсивной терапии.
С помощью 5G многие сотрудники смогут окончательно перейти на удаленную работу, а компании — быстрее принимать решения, основываясь на аналитике потоковых данных. С 2021 по 2025 годы технология принесет экономике США до $2,7 трлн и до 16 млн рабочих мест.
Новый стандарт Wi-Fi 6 добавит новую частоту 6 ГГц к двум уже имеющимся — 2,4 и 5 ГГц. Он преследует те же цели, что и 5G: помогает ускорить интернет-соединение (до 2 Гб/сек для мобильных устройств), сделать его более стабильным и широкополосным — к одной точке можно будет подключить еще больше устройств. При этом сеть сама будет распределять интернет-трафик между устройствами, в зависимости от их мощности.
Специалисты Cisco называют главные преимущества Wi-Fi 6 для бизнеса:
поддержка новых сервисов и приложений — включая высоконагруженные — в рамках локальной сети;
более высокая скорость и уровень обслуживания уже имеющихся сервисов (например, потоковое видео в 8К);
возможность обслуживать больше клиентов в высоконагруженных средах;
удаленные и беспроводные офисы, включая устройства интернета вещей.
Согласно опросу Deloitte, 86% руководителей считают, что продвинутая беспроводная связь преобразит их организацию в течение трех лет, и 79% говорят то же самое о своей отрасли.
По данным The Verge, первые 316 млн мобильных устройств с поддержкой Wi-Fi 6E появятся уже в 2021 году. Ожидается, что 5G и Wi-Fi 6 будут не конкурировать, а взаимно дополнять друг друга — в зависимости от задач и типов устройств.
Как будет расти проникновение сетей 5G и Wi-Fi 6 в ближайшие три года (Фото: Deloitte)
В России операторы потратят более 1,1 трлн руб. на развитие 5G с 2021 по 2027 год. Активное внедрение начнется с 2024 года, однако сроки могут быть сдвинуты из-за низкого спроса. А вот Wi-Fi 6 вряд ли заработает: частоты сети уже заняты фиксированной радиосвязью, а в будущем их могут передать под 5G.
6. Виртуальная и дополненная реальность
По данным Statista, рынок AR и VR в 2020 году оценивался в $18,8 млрд. Это в три раза больше, чем в 2016-м. Аналитики PwC в 2019 году прогнозировали, что число сотрудников, использующих VR и AR в своей работе, вырастет с 500 тыс. до 23 млн к 2030 году.
Сегодня эти технологии используют в здравоохранении — чтобы обучать хирургов или проводить операции с данными диагностики в виде голограмм и онлайн-консилиумом врачей. В начале февраля 2021 года Microsoft провела онлайн-трансляцию 12 операций, выполненных в MR — смешанной реальности. Хирурги из 13 стран смогли подключиться в режиме онлайн и видеть все данные диагностики в виде голограмм и консультировать друг друга.
В ретейле AR позволяет примерить товары, поместить мебель в интерьер перед покупкой, а также получать персонализированные предложения. К примеру, производитель игрушек Mattel (куклы Барби и др.) использует дополненную реальность для игрушечных машинок Hot Wheels. Покупатели могут направить свой смартфон на конкретную модель, чтобы поиграть с ней на любых поверхностях:
В IKEA с помощью VR-гарнитуры вы можете представить, как будет выглядеть ваша кухня с выбранной мебелью.
В образовании дополненная и виртуальная реальность помогают глубже вовлечь в процесс и в деталях смоделировать среду, которую изучают в классе. Технологию используют и в корпоративном обучении. Tyson Foods — международная корпорация по производству продуктов питания — применяет VR, чтобы обучать сотрудников технике безопасности на производстве. В результате производственных травм стало на 20% меньше.
Архитекторы и дизайнеры представляют проекты в масштабе 1:1 с помощью виртуальной и дополненной реальности вместо обычных 3D-рендеров:
ThyssenKrupp Elevator, поставщик транспортных систем, эскалаторов и лифтов, запустил в Азии и на Ближнем Востоке и залы виртуальной реальности с демонстрацией городских транспортных решений.
В автомобильной промышленности VR позволяет инженерам экспериментировать с дизайном и конструкцией новых моделей на стадии разработки концепта. Такой подход используют, к примеру, в Hyundai:
Но главной сферой, где виртуальная и дополненная реальность особенно востребованы, остаются игры и развлечения. Помимо VR-игр и симуляций, в разных странах действуют целые парки развлечений с использованием виртуальной реальности: например, Europa-Park в Германии или VR Star в Китае.
Быстрее всего в ближайшие семь лет будет расти рынок устройств с распознаванием жестов — перчатки для VR и AR: по данным Grand View Research, с 2021 по 2028 года ежегодный рост рынка составит в среднем 18%.
7. 3D-печать
Во время пандемии COVID-19 аддитивные технологии стали выгодной альтернативой традиционному производству, требующему огромных инвестиций и ресурсов. Еще одно весомое преимущество — значительно меньший уровень отходов.
По данным Grand View Research, объем мирового рынка 3D-печати в 2019 году оценивался в $11,58 млрд, а с 2020 по 2027 год его среднегодовой прирост составит более 14%. К 2027 году в мире будет 8 млн 3D-принтеров — почти в шесть раз больше, чем в 2018-м. 77% из них приходится на промышленные принтеры. С помощью 3D-печати уже создают одежду и обувь, предметы интерьера, механические детали и даже протезы. На 3D-принтерах печатают многие детали для двигателей Rutherford, устанавливаемых на ракете-носителе Electron.
В медицине и здравоохранении на 3D-принтерах печатают кабели и другие детали для медицинского оборудования. Еще один удивительный эксперимент — 3D-печать фрагментов человеческих костей прямо в организме, вместо поврежденных или утраченных. Для этого используют специальные биосовместимые чернила.
Аддитивные технологии применяются в архитектуре: из отпечатанных деталей возводят целые каркасные дома, что делает их намного дешевле обычных аналогов. Как пишет The Guardian, в калифорнийской Коачелла Вэлли такими застроили целый микрорайон. Компания-застройщик Mighty Buildings утверждает, что это позволило сэкономить 95% рабочего времени строителей.
Выпуск YouTube-канала «Индустрии 4.0», посвященный строительству домов с помощью 3D-печати
Сейчас мы в шаге от того, чтобы использовать 3D-печать для создания необходимых объектов на поверхности Луны, используя для этого лунную пыль. Это позволит значительно упростить колонизацию спутника: не придется доставлять туда тяжелые грузы и технику.
8. «Зеленый» водород
«Зеленый» водород сегодня является частью глобальной мировой стратегии по снижению углеродного следа и переходу на возобновляемые источники энергии. Вместе с электрокарами водородные двигатели призваны стать главной альтернативой транспорту на дизельном топливе.
«Зеленый» водород получают экологически чистым способом без применения атомной энергии и природного газа. Самый безвредный метод — электролиз, когда через воду пропускают электрический ток. Это позволит избавиться от 830 млн т вредных выбросов углекислого газа в год — последствия неэкологичного производства водорода.
Сейчас, когда стоимость солнечной и ветровой энергии стремительно падает, появился шанс на массовое внедрение еще и водородной энергетики. В связи с этим Европа начала создавать необходимую инфраструктуру и производство на базе электролиза.
IEA (Международное энергетическое агентство) отмечает рекордный рост электролиза для производства зеленого водорода. Оно прогнозирует, что к 2030 году цена на водородное топливо упадет, как минимум, на 30%, что сделает его таким же доступным, как и другие виды топлива.
Еще до COVID-19 ускорились продажи автомобилей с водородным двигателем, однако сейчас многие производственные мощности замедлились или вовсе остановлены. После пандемии именно водородные технологии могут помочь восстановлению экономики.
По данным Allied Market Research, рынок транспортных средств на водородных топливных элементах достигнет $42 млрд к 2026 году, при среднегодовом темпе роста 66,9%. Его подстегнут растущие экологические проблемы и международные инициативы по их решению, а также — потенциал технологии наряду с электрокарами.
Автомобили на водородном двигателе уже выпускают Toyota, Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler. В Калифорнии построят 100 водородных заправочных станций, а к 2025 году здесь планируют довести количество автомобилей с нулевым уровнем выбросов до 1,5 млн.
Airbus объявила о планах ускорить разработку коммерческих реактивных самолетов с водородным двигателем и полностью отказаться от использования гибридных двигателей. Это значит, что к 2035 году появятся первые самолеты с нулевым уровнем выбросов.
9. Вычисления как сервис
Модель «вычисления как услуга/сервис» (CaaS — Calculation As A Service) или периферийные вычисления — глобальный тренд, наряду с программным обеспечением как услуга (SaaS — Software As A Service), инфраструктурой как услуга (IaaS — Infrastructure As A Service) и платформой как услуга (PaaS — Platform As A Service). Типичный пример такой модели — онлайн-игры или онлайн-кинотеатры. Вы оплачиваете подписку, но сам контент не хранится у вас, а запускается онлайн на сервере поставщика услуг.
Компании приобретают доступ к облачным сервисам, чтобы экономить на ИТ-инфраструктуре и поддержке, а также не перегружать локальную сеть. Это позволяет быстро развернуть и протестировать новый онлайн-сервис или ПО, разместить виртуальную АТС и объемные базы данных. Пандемия заставила многих изменить бизнес-модель и перераспределить ИТ-ресурсы в сторону облачных сервисов.
По данным Grand View Research, в 2019 рынок периферийных вычислений оценивался в $3,5 млрд. К 2027 он вырастет до $43,4 млрд. В этом поможет, в том числе, широкое распространение 5G и сокращение задержки сигнала вплоть до 1 мс. Согласно опросу Analysys Mason, ведущие компании планируют тратить до 30% своего ИТ-бюджета на периферийные облачные вычисления в ближайшие годы. Gartner прогнозирует, что к 2025 году 75% корпоративных данных будет обрабатываться именно таким способом. Это в 7,5 раз больше, чем в 2018-м.
IDC прогнозирует, что 25% компаний к 2024 году сделают бизнес гибче и устойчивее за счет интеграции периферийных данных с облачными приложениями. Развитию вычислений как услуги будут способствовать машинное обучение и искусственный интеллект. Они помогают распределять и оптимизировать мощности, чтобы обеспечить стабильную скорость обработки данных.
10. Голосовой поиск и голосовые помощники
Распознавание голоса и NLP (нейролингвистическое программирование) у нейросетей достигло той стадии, когда голосовые помощники вполне способны заменить реальных людей или текстовый поиск. Google, Apple и Amazon вкладывают все больше ресурсов в развитие этого направления.
Сегодня мы вполне можем обойтись без текстового поиска: умные колонки и голосовые помощники ищут нужную нам информацию, запускают треки и подкасты, ставят напоминания и набирают номера. Голосовую навигацию используют в управлении беспилотниками, а голосовые чат-боты приходят на смену живым консультантам и операторам колл-центров.
Согласно отчету Google, 27% людей в мире используют голосовые помощники на смартфонах. По данным Adobe Analytics, 47% владельцев умных колонок используют их для поиска, 46% — прослушивания новостей, 34% — чтобы спросить адрес или получить инструкции. Google утверждает, что 62% заказывают с помощью умных колонок товары в сети.
С каждым годом голосовые помощники благодаря ИИ становятся все умнее. В 2013 они могли распознавать 77% произносимых слов, а сегодня — уже 97%. К примеру, когда алгоритм RankBrain от Google встречает новую поисковую фразу, он сам догадывается, что мог искать конкретный пользователь, а затем выдает наиболее подходящие ответы.
В марте Европейский совет по защите данных (EDPB) опубликовал рекомендации по виртуальным голосовым помощникам. В организации обеспокоены тем, какой объем данных они используют и соответствует ли использование этих данных регламенту GDPR. В частности, голосовых помощников все чаще используют для машинного обучения алгоритмов по распознаванию голоса, биометрической идентификации и составления профилей для таргетированной рекламы.
This list marks 20 years since we began compiling an annual selection of the year’s most important technologies. Some, such as mRNA vaccines, are already changing our lives, while others are still a few years off. Below, you’ll find a brief description along with a link to a feature article that probes each technology in detail. We hope you’ll enjoy and explore—taken together, we believe this list represents a glimpse into our collective future.
We got very lucky. The two most effective vaccines against the coronavirus are based on messenger RNA, a technology that has been in the works for 20 years. When the covid-19 pandemic began last January, scientists at several biotech companies were quick to turn to mRNA as a way to create potential vaccines; in late December 2020, at a time when more than 1.5 million had died from covid-19 worldwide, the vaccines were approved in the US, marking the beginning of the end of the pandemic.
The new covid vaccines are based on a technology never before used in therapeutics, and it could transform medicine, leading to vaccines against various infectious diseases, including malaria. And if this coronavirus keeps mutating, mRNA vaccines can be easily and quickly modified. Messenger RNA also holds great promise as the basis for cheap gene fixes to sickle-cell disease and HIV. Also in the works: using mRNA to help the body fight off cancers. Antonio Regalado explains the history and medical potential of the exciting new science of messenger RNA.
The next act for messenger RNA could be bigger than covid vaccines
New messenger RNA vaccines to fight the coronavirus are based on a technology that could transform medicine. Next up: sickle cell and HIV.
On December 23, as part of a publicity push to encourage people to get vaccinated against covid-19, the University of Pennsylvania released footage of two researchers who developed the science behind the shots, Katalin Karikó and Drew Weissman, getting their inoculations. The vaccines, icy concoctions of fatty spheres and genetic instructions, used a previously unproven technology based on messenger RNA and had been built and tested in under a year, thanks to discoveries the pair made starting 20 years earlier.
In the silent promotional clip, neither one speaks or smiles as a nurse inserts the hypodermic into their arms. I later asked Weissman, who has been a physician and working scientist since 1987, what he was thinking in that moment. “I always wanted to develop something that helps people,” he told me. “When they stuck that needle in my arm, I said, ‘I think I’ve finally done it.’”
The infection has killed more than 2 million people globally, including some of Weissman’s childhood friends. So far, the US vaccine campaign has relied entirely on shots developed by Moderna Therapeutics of Cambridge, Massachusetts, and BioNTech in Mainz, Germany, in partnership with Pfizer. Both employ Weissman’s discoveries. (Weissman’s lab gets funding from BioNTech, and Karikó now works at the company.)
Unlike traditional vaccines, which use live viruses, dead ones, or bits of the shells that viruses come cloaked in to train the body’s immune system, the new shots use messenger RNA—the short-lived middleman molecule that, in our cells, conveys copies of genes to where they can guide the making of proteins.
The message the mRNA vaccine adds to people’s cells is borrowed from the coronavirus itself—the instructions for the crown-like protein, called spike, that it uses to enter cells. This protein alone can’t make a person sick; instead, it prompts a strong immune response that, in large studies concluded in December, prevented about 95% of covid-19 cases.
Drew Weissman’s work with messenger RNA led to successful covid-19 vaccines.
JUSTIN JAMES MUIR
Beyond potentially ending the pandemic, the vaccine breakthrough is showing how messenger RNA may offer a new approach to building drugs.
In the near future, researchers believe, shots that deliver temporary instructions into cells could lead to vaccines against herpes and malaria, better flu vaccines, and, if the covid-19 germ keeps mutating, updated coronavirus vaccinations, too.
But researchers also see a future well beyond vaccines. They think the technology will permit cheap gene fixes for cancer, sickle-cell disease, and maybe even HIV.
For Weissman, the success of covid vaccines isn’t a surprise but a welcome validation of his life’s work. “We have been working on this for over 20 years,” he says. “We always knew RNA would be a significant therapeutic tool.”
Perfect timing
Despite those two decades of research, though, messenger RNA had never been used in any marketed drug before last year.
Then, in December 2019, the first reports emerged from Wuhan, China, about a scary transmissible pneumonia, most likely some kind of bat virus. Chinese government censors at first sought to cover up the outbreak, but on January 10, 2020, a Shanghai scientist posted the germ’s genetic code online through a contact in Australia. The virus was already moving quickly, jumping onto airplanes and popping up in Hong Kong and Thailand. But the genetic information moved even faster. It arrived in Mainz at the headquarters of BioNTech, and in Cambridge at Moderna, where some researchers got the readout as a Microsoft Word file.
Scientists at Moderna, a biotech specializing in messenger RNA, were able to design a vaccine on paper in 48 hours, 11 days before the US even had its first recorded case. Inside of six weeks, Moderna had chilled doses ready for tests in animals.
Unlike most biotech drugs, RNA is not made in fermenters or living cells—it’s produced inside plastic bags of chemicals and enzymes. Because there’s never been a messenger RNA drug on the market before, there was no factory to commandeer and no supply chain to call on.
When I spoke to Moderna CEO Stéphane Bancel in December, just before the US Food and Drug Administration authorized his company’s vaccine, he was feeling confident about the shot but worried about making enough of it. Moderna had promised to make up to a billion doses during 2021. Imagine, he said, that Henry Ford was rolling the first Model T off the production line, only to be told the world needed a billion of them.
Bancel calls the way covid-19 arrived just as messenger RNA technology was ready an “aberration of history.”
In other words, we got lucky.
Human bioreactors
The first attempt to use synthetic messenger RNA to make an animal produce a protein was in 1990. It worked but a big problem soon arose. The injections made mice sick. “Their fur gets ruffled. They lose weight, stop running around,” says Weissman. Give them a large dose, and they’d die within hours. “We quickly realized that messenger RNA was not usable,” he says.
The culprit was inflammation. Over a few billion years, bacteria, plants, and mammals have all evolved to spot the genetic material from viruses and react to it. Weissman and Karikó’s next step, which “took years,” he says, was to identify how cells were recognizing the foreign RNA.
As they found, cells are packed with sensing molecules that distinguish your RNA from that of a virus. If these molecules see viral genes, they launch a storm of immune molecules called cytokines that hold the virus at bay while your body learns to cope with it. “It takes a week to make an antibody response; what keeps you alive for those seven days is these sensors,” Weissman says. But too strong a flood of cytokines can kill you.
The eureka moment was when the two scientists determined they could avoid the immune reaction by using chemically modified building blocks to make the RNA. It worked. Soon after, in Cambridge, a group of entrepreneurs began setting up Moderna Therapeutics to build on Weissman’s insight.
Vaccines were not their focus. At the company’s founding in 2010, its leaders imagined they might be able to use RNA to replace the injected proteins that make up most of the biotech pharmacopoeia, essentially producing drugs inside the patient’s own cells from an RNA blueprint. “We were asking, could we turn a human into a bioreactor?” says Noubar Afeyan, the company’s cofounder and chairman and the head of Flagship Pioneering, a firm that starts biotech companies.
If so, the company could easily name 20, 30, or even 40 drugs that would be worth replacing. But Moderna was struggling with how to get the messenger RNA to the right cells in the body, and without too many side effects. Its scientists were also learning that administering repeat doses, which would be necessary to replace biotech blockbusters like a clotting factor that’s given monthly, was going to be a problem. “We would find it worked once, then the second time less, and then the third time even lower,” says Afeyan. “That was a problem.”
Moderna pivoted. What kind of drug could you give once and still have a big impact? The answer eventually became obvious: a vaccine. With a vaccine, the initial supply of protein would be enough to train the immune system in ways that could last years, or a lifetime.
A second major question was how to package the delicate RNA molecules, which last for only a couple of minutes if exposed. Weissman says he tried 40 different carriers, including water droplets, sugar, and proteins from salmon sperm. It was like Edison looking for the right filament to make an electric lamp. “Almost anything people published, we tried,” he says. Most promising were nanoparticles made from a mixture of fats. But these were secret commercial inventions and are still the basis of patent disputes. Weissman didn’t get his hands on them until 2014, after half a decade of attempts.
When he finally did, he loved what he saw. “They were better than anything else we had tried,” he says. “It had what you wanted in a drug. High potency, no adverse events.” By 2017, Weissman’s lab had shown how to vaccinate mice and monkeys against the Zika virus using messenger RNA, an effort that soon won funding from BioNTech. Moderna was neck and neck. It quickly published results of an early human test of a new mRNA influenza vaccine and would initiate a large series of clinical studies involving diseases including Zika.
Pivoting to vaccines did have a drawback for Moderna. Andrew Lo, a professor at MIT’s Laboratory for Financial Engineering, says that most vaccines lose money. The reason is that many shots sell for a “fraction of their economic value.” Governments will pay $100,000 for a cancer drug that adds a month to a person’s life but only want to pay $5 for a vaccine that can protect against an infectious disease for good. Lo calculated that vaccine programs for emerging threats like Zika or Ebola, where outbreaks come and go, would deliver a -66% return on average. “The economic model for vaccines is broken,” he says.
On the other hand, vaccines are more predictable. When Lo’s team analyzed thousands of clinical trials, they found that vaccine programs frequently succeed. Around 40% of vaccine candidates in efficacy tests, called phase 2 clinical trials, proved successful, a rate 10 times that of cancer drugs.
Adding to mRNA vaccines’ chance of success was a lucky break. Injected into the arm, the nanoparticles holding the critical instructions seemed to home in on dendritic cells, the exact cell type whose job is to train the immune system to recognize a virus. What’s more, something about the particles put the immune system on alert. It wasn’t planned, but they were working as what’s called a vaccine adjuvant. “We couldn’t believe the effect,” says Weissman.
Vaccines offered Moderna’s CEO, Bancel, a chance to advance a phalanx of new products. Since every vaccine would use the same nanoparticle carrier, they could be rapidly reprogrammed, as if they were software. (Moderna had even trademarked the name “mRNA OS,” for operating system.) “The way we make mRNA for one vaccine is exactly the same as for another,” he says. “Because mRNA is an information molecule, the difference between our covid vaccine, Zika vaccine, and flu vaccine is only the order of the nucleotides.”
95% effective
Back in March 2020, when the vaccine programs were getting under way, skeptics said messenger RNA was still an unproven technology. Even this magazine said a vaccine would take 18 months, at a minimum—a projection that proved off by a full nine months. “Sometimes things take a long time just because people think it does,” says Afeyan. “That weighs on you as a scientific team. People are saying, ‘Don’t go any faster!’”
The shots from Moderna and BioNTech proved effective by December and were authorized that month in the US. But the record speed was not due only to the novel technology. Another reason was the prevalence of infection. Because so many people were catching covid-19, the studies were able to amass evidence quickly.
Is messenger RNA really a better vaccine? The answer seems to be a resounding yes. There are some side effects, but both shots are about 95% effective (that is, they stop 95 out of 100 cases), a record so far unmatched by other covid-19 vaccines and far better than the performance of flu vaccines. Another injection, made by AstraZeneca using an engineered cold virus, is around 75% effective. A shot developed in China using deactivated covid-19 germs protected only half the people who got it, although it did stop severe disease.
“This could change how we make vaccines from here on out,” says Ron Renaud, the CEO of Translate Bio, a company working with the technology.
The potency of the shots, and the ease with which they can be reprogrammed, mean researchers are already preparing to go after HIV, herpes, infant respiratory virus, and malaria—all diseases for which there’s no successful vaccine. Also on the drawing board: “universal” flu vaccines and what Weissman calls a “pan-coronavirus” shot that could offer basic protection against thousands of pathogens in that category, which have led not only to covid-19 but, before that, to the infection SARS and probably other pandemics throughout history.
“You have to assume we’re going to have more,” Weissman says. “So instead of shutting down the world for a year while you make a new vaccine, we’ll have a vaccine ready to go.”
Facilities of the biopharmaceutical company Lonza in Switzerland and New Hampshire, which are helping to manufacture Moderna’s vaccine.
Last spring, Bancel began petitioning the government to pay for vast manufacturing centers to make messenger RNA. He imagined a megafactory that “companies could use in peacetime” but that could be quickly reoriented to churn out shots during the next pandemic. That would be insurance, he says, against a nightmare scenario of a germ that spreads as fast as covid but has the 50% fatality rate of Ebola. If “governments spend billions on nuclear weapons they hope to never use,” Bancel argued in April, then “we should equip ourselves so this never happens again.”
Later that month, as part of Operation Warp Speed, the US effort to produce the vaccines, Moderna was effectively picked as a national champion to build such centers. The government handed it nearly $500 million to develop its vaccine and expand manufacturing.
Beyond vaccines
After the covid vaccines, some researchers expect Moderna and BioNTech to return to their original plans for the technology, like treating more conventional ailments such as heart attacks, cancer, or rare inherited diseases. But there’s no guarantee of success in that arena.
“Although there are a lot of potential therapeutic applications for synthetic mRNA in principle, in practice the problem of delivering sufficient amounts of mRNA to the right place in the body is going to be a huge and possibly insurmountable challenge in most cases,” says Luigi Warren, a biotech entrepreneur whose research as a postdoc formed the nucleus of Moderna.
There is one application in addition to vaccines, however, where brief exposure to messenger RNA could have effects lasting years, or even a lifetime.
In late 2019, before covid-19, the US National Institutes of Health and the Bill and Melinda Gates Foundation announced they would spend $200 million developing affordable gene therapies for use in sub-Saharan Africa. The top targets: HIV and sickle-cell disease, which are widespread there.
Gates and the NIH didn’t say how they would make such cutting-edge treatments cheap and easy to use, but Weissman told me that the plan may depend on using messenger RNA to add instructions for gene-editing tools like CRISPR to a person’s body, making permanent changes to the genome. Think of mass vaccination campaigns, says Weissman, except with gene editing to correct inherited disease.
Right now, gene therapy is complex and expensive. Since 2017, several types have been approved in the US and Europe. One, a treatment for blindness, in which viruses carry a new gene to the retina, costs $425,000 per eye.
A startup called Intellia Therapeutics is testing a treatment that packages CRISPR into RNA and then into a nanoparticle, with which it hopes to cure a painful inherited liver disease. The aim is to make the gene scissors appear in a person’s cells, cut out the problem gene, and then fade away. The company tested the drug on a patient for the first time in 2020.
It’s not a coincidence that Intellia is treating a liver disease. When dripped into the bloodstream through an IV, lipid nanoparticles tend to all end up in the liver—the body’s house-cleaning organ. “If you want to treat a liver disease, great—anything else, you have a problem,” says Weissman.
But Weissman says he’s figured out how to target the nanoparticles so that they wind up inside bone marrow, which constantly manufactures all red blood cells and immune cells. That would be a hugely valuable trick—so valuable that Weissman wouldn’t tell me how he does it. It’s a secret, he says, “until we get the patents filed.”
He intends to use this technique to try to cure sickle-cell disease by sending new instructions into the cells of the body’s blood factory. He’s also working with researchers who are ready to test on monkeys whether immune cells called T cells can be engineered to go on a seek-and-destroy mission after HIV and cure that infection, once and for all.
What all this means is that the fatty particles of messenger RNA may become a way to edit genomes at massive scales, and on the cheap. A drip drug that allows engineering of the blood system could become a public health boon as significant as vaccines. The burden of sickle-cell, an inherited disease that shortens lives by decades (or, in poor regions, kills during childhood), falls most heavily on Black people in equatorial Africa, Brazil, and the US. HIV has also become a lingering scourge: about two-thirds of people living with the virus, or dying from it, are in Africa.
Moderna and BioNTech have been selling their covid-19 vaccine shots for $20 to $40 a dose. What if that were the cost of genetic modification, too? “We could correct sickle-cell with a single shot,” Weissman says. “We think that is groundbreaking new therapy.”
There are fantastic fortunes to be made in mRNA technology. At least five people connected to Moderna and BioNTech are now billionaires, including Bancel. Weissman is not one of them, though he stands to get patent royalties. He says he prefers academia, where people are less likely to tell him what to research—or, just as important, what not to. He’s always looking for the next great scientific challenge: “It’s not that the vaccine is old news, but it was obvious they were going to work.” Messenger RNA, he says, “has an incredible future.”
