Микробы на электричестве

Изучены бактерии, способные использовать электрическую энергию.

Бактерии Rhodopseudomonas palustri

©nature.com

Несмотря на всю свою кажущуюся простоту, археи и бактерии обладают способностями, которые не снились и лучшим из супергероев. Речь, конечно, не о телепортации и антигравитации, а о возможностях получать энергию из таких источников, которые совершенно недоступны другим организмам: из серы и муравьиной кислоты, и даже... из электричества. Эту суперспособность изучила недавно команда гарвардских биологов во главе с Питером Джиргисом (Peter Girguis).

Объектом исследования стали весьма многогранные бактерии Rhodopseudomonas palustris. С точки зрения биохимии они − настоящие супермены, способные в разных условиях кардинально перестраивать свой метаболизм, переключаясь между разными его типами: фотоавтотрофным (как у растений), фотогетеротрофным и хемоавтотрофным (как у некоторых бактерий), хемогетеротрофным (как у животных).

Стоит сказать, что для всех форм жизни и разных типов метаболизма электроны важны не менее, чем для течения тока: участвуя в окислительно-восстановительных реакциях, они обеспечивают не только превращение веществ, но и выработку энергии клеткой. Исследованный Джиргисом с коллегами штамм R. palustris TIE-1 необычен и в этом. В отличие от подавляющего большинства организмов, он способен получать и отдавать электроны на вещества, находящиеся не только в растворе, но и в твердой фазе. Например, обычное железо.

Поместив бактерии прямо на подключенный электрод, ученые показали, что они могут забирать с него электрон и, передавая его на молекулу углекислого газа, вырабатывать энергию. Дополнительные исследования вывели авторов и на ген, ответственный за 2/3 способностей R. palustris улавливать свободные электроны. Активируясь под действием солнечного света, ген производит белок RuBisCo, который осуществляет захват электронов и их перенос на углекислый газ.

Кстати, ранее уже звучала смелая идея превратить культуру клеток R. palustris в живой аккумулятор, независимый от сетей источник энергии. Джиргис и его соавторы не уверены в эффективности такого подхода, зато предлагают другой вариант использования этих уникальных бактерий, сконструировав из них «живые фабрики» для промышленного синтеза, скажем, фармпрепаратов. Как и положено фабрикам, питаться они будут, в основном, от проводов.

Процесс эволюции мы можем наблюдать даже сейчас.

E.coli

Ричард Ленски, весьма уважаемый в научных кругах биолог из университета штата Мичиган, выступавший на специальном научном мероприятии, проходившем 26 февраля, считает, что Чарльз Дарвин на самом деле был не совсем точен в некоторых аспектах эволюции. Исследователь смог доказать, что в некоторых случаях процесс эволюции мы можем наблюдать даже сейчас.

Вопросом для Ленски в рамках данного исследования стало утверждение Чарльза Дарвина в своем труде «Происхождение видов» о том, что эволюция — это чрезвычайно медлительный процесс, требующий огромного количества времени даже в случае отдельно взятых изменений конкретного вида, которым они подвергаются из поколения в поколение.

Ленски определил, что процесс эволюции на самом деле можно наблюдать и происходит он в течение десятилетий, а никак не в течение столетий и тысячелетий. К такому выводу биолог пришел после 26-летнего эксперимента по наблюдению за развитием бактерий кишечной палочки (Escherichia coli).

Совершенно ясной вещью в исследовании является то, что морозильные установки, которые применялись для проведения этого эксперимента и наблюдения, работают как своеобразные машины времени, позволяющие ученым взглянуть на процесс эволюции своими собственными глазами. Ленски утверждает, что за 26 лет исследования стал свидетелем рождения и гибели более 59 тысяч поколений бактерий кишечной палочки.

Один из самых долгих научных экспериментов по изучению процессов эволюции начался в далеком 1988 году. Ученый отмечает, что за прошедшее время культуры бактерий увеличились в размерах почти вдвое и показывают более быстрый процесс мутации, чем раньше. Помимо этого микроорганизмы научились более эффективно использовать глюкозу, которая находилась в их среде роста.

Интересным здесь является еще и то, что одно из двенадцати отдельно взятых поколений бактерий образовало, как говорит сам Ленски, новый вид бактерии, способный питаться и существовать в среде, состоящей из производного элемента лимонной кислоты, цитрата, который ученый добавил в растующую бактериальную среду. Как правило, кишечные палочки не могут жить в подобной среде, но отдельно взятая культура, к удивлению ученого, смогла к этому приспособиться.

Выступая на презентации Time Travel in Experimental Evolution, проходившей в Музее минералогии и геологии при Гарвардском университете, Ленски также заявил, что нынешнее поколение бактерий кишечной палочки показывают почти 80 процентов более быстрый рост, по сравнению с теми поколениями бактерий, с которыми ученый начал свою работу 26 лет тому назад.

«Я называю это исследование экспериментом потому, что бактерии, которые я изучаю, продолжают вести себя невероятно интересно для науки. Я надеюсь, что этот эксперимент продолжится и после меня», — делится ученый.

Исследования подобные этому очень важны, так как именно они могу содержать необходимые зацепки для ответов на вопросы о том, как произошли различные живые виды на нашей планете, а также о том, как из «простого» получилось «сложное». Эти вопросы мучили эволюционную биологию на протяжении столетий и, возможно, именно наше поколение стоит на пороге нахождения ответов на них

Создана электрохимическая камера, способная "подслушать переговоры" колонии микроорганизмов

Исследовательская группа из Колумбийского университета продемонстрировала опытный образец интегрального чипа, изготовленного по стандартной технологии CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor). Этот чип является своего рода первой электрохимической камерой, способной зарегистрировать пространственное положение молекулярных и электрохимических сигналов, при помощи которых общаются отдельные особи колонии микроорганизмов, в режиме реального времени. Другими словами функцией этого чипа является "прослушка" разговоров, ведущихся внутри колонии бактерий.

Одно- и многоклеточные микроорганизмы, которые объединяются и существуют в колониях, насчитывающих миллионы и миллиарды особей, используют молекулярные и электрохимические сигналы для координации своих действий. Такие способности превращают всю колонию в своего рода большой примитивный организм, стремящийся к выполнению определенной задачи, в основном, к размножению и выживанию в случае наступления неблагоприятных условий. К сожалению, никакие методы оптической микроскопии не позволяют рассмотреть все тонкости метаболических, сигнальных и биохимических процессов, которые происходят в колонии микроорганизмов.

"Новый чип является одним из захватывающих видов применения CMOS-технологии, которая позволит нам проникнуть в саму суть процессов жизнедеятельности колоний бактерий, что мы сможем использовать в процессах выращивания биопленок различного типа" - рассказывает Кен Шепард (Ken Shepard), профессор электротехники и биоинженерии Колумбийского университета, - "Такие биопленки имеют достаточно обширную область применения в медицине, в производстве лекарственных препаратов, биологического топлива, в контроле экологической обстановки и в деле ликвидации химических загрязнений".

Чип, подобно датчику обычной камеры, способен получать 60-пиксельные изображения, а время получения одного изображения составляет 36 секунд, чего вполне достаточно для мониторинга биохимических процессов. Каждый пиксел электрохимической камеры имеет размер 2.6 микрона (миллионная доля метра) и вместо фотонов света регистрирует суммарную силу электрического заряда всех молекул, участвующих в биохимическом процессе "разговора".

Следующим шагом, который намерены предпринять ученые, станет разработка нового чипа с большей пространственной и временной разрешающей способностью, возможности которого позволят исследовать процессы, происходящие в достаточно больших колониях микроорганизмов. "Это является абсолютно новым направлением использования твердотельной электроники в деле изучения сложных биологических систем" - рассказывает профессор Шепард, - "И это демонстрирует нам потенциал традиционных технологий изготовления интегральных схем для интенсивного продвижения вперед областей биотехнологий и других наук о жизненных формах".

http://www.kurzweilai.net/chips-that-listen-to-bacteria

Ученые воспроизвели процесс появления "кирпичиков" жизни в космосе

Российские и итальянские ученые смогли в эксперименте воспроизвести химические процессы, которые приводят к появлению на астероидах предбиологических соединений — жирных и нуклеиновых кислот, приблизившись еще на шаг к разгадке тайны происхождения жизни.

«Все это происходит в одной пробирке, в одной гигантской пробирке космоса, в среде под воздействием сильного излучения», — сказал профессор Эрнесто Ди Мауро из римского университета Сапиенца на пресс-конференции в посольстве Италии в Москве.

Он и группа российских ученых под руководством академика Евгения Красавина, директора лаборатории радиационной биологии Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), с 2011 года занималась проблемой возможного появления «кирпичиков жизни» в космосе.

Ди Мауро напомнил, что в межзвездном пространстве ранее было обнаружено около 80 органических молекул, из них наиболее распространенные — молекулы цианистоводородной кислоты (HCN). При контакте с водой из нее образуется формамид, который встречается в космической пыли, в хвостах комет. Из этого вещества, в свою очередь, могут возникать нуклеиновые кислоты, жирные кислоты, из которых возникают мембраны клеток.

Ученые воспроизвели в эксперименте космические условия — они брали образцы метеоритов и подвергали их воздействию частицы и атомные ядера на ускорителях ОИЯИ, воспроизводя космические излучения — галактические космические лучи.

«Проводилось облучение взвеси метеоритной пыли в формамиде, а затем исследовалось, что возникает. Облучение только формамида рождает некоторые продукты, но при облучении протонами с веществом метеоритов мы получает здесь абсолютно все — РНК, различные сахара», — сказал Красавин.

«Здесь есть все элементы, чтобы сконструировать информационные макромолекулы и для начальных этапов того, что обеспечивает обмен веществ», — добавил академик. Ди Мауро отметил также, что полученные ими результаты могут быть полезны при синтезе некоторых соединений в промышленности.

Ученые планируют в ближайшее время провести эксперимент, в рамках которого образцы будут изолированы от магнитного поля Земли, «чтобы полностью воспроизвести условия межзвездного пространства», добавил Красавин.

Немецкие журналисты раздобыли образец «невидимого» допинга, распространяемого российским ученым.

В тени каждого крупного спортивного состязания (и Олимпиада в Сочи – не исключение) идут другие соревнования: между недобросовестными спортсменами и представителями антидопингового комитета. Расследование, проведенное немецкими журналистами, позволяет заподозрить, что некоторые участники Олимпиады-2014 используют запрещенный препарат, который нельзя будет обнаружить стандартными методами контроля.

Журналисты вышли на российского ученого, который предложил им приобрести 100 мг «полноразмерного MGF» за 100 000 евро. Заполучив образец массой 1 мг, журналисты отдали его Марио Тевису, специалисту по борьбе с применением допинга, который подтвердил, что это – механический фактор роста (MGF) в необычной конфигурации. И принятых в данный момент методов анализа может оказаться недостаточно для его обнаружения.

Тевис описал образец, как четвертую изоформу (разновидность) человеческого инсулиноподобного фактора роста-1 (IGF-1). Этот белок получил название «механического фактора роста», поскольку он образуется в ответ на микроповреждения мышечной ткани под механической нагрузкой и ускоряет мышечный рост и восстановление, не укрепляя при этом кости и хрящи. На «сером рынке» можно приобрести множество препаратов, промаркированных «MGF», однако, как правило, это оказываются лишь короткие пептидные цепочки, представляющие собой лишь «хвост» от полноразмерного белка. В настоящее время ряд исследований продемонстрировал бесполезность таких «обрезков», тогда как полноразмерный MGF обладает высокой биологической активностью.

Способы допинг-контроля, основанные на методах иммуноанализа и масс-спектрометрии, могут оказаться бесполезными против этого препарата, отсутствующего в перечне запрещенных. Для выявления присутствия того или иного белка исследователям необходимо искать его целенаправленно, зная связывающиеся с ним антитела и его молекулярную массу. А «новичок» имеет все шансы проскользнуть незамеченным.

Теоретически, включить данные молекулы в список искомых можно хоть сейчас. Но при этом специалисты антидопингового комитета должны будут показать, что методы обнаружения достаточно точны и надежны, а на это требуется время.

Тевис говорит, что препарат может оказаться чрезвычайно опасным. Другие факторы роста способны вызвать предрасположенность к раку и проблемы с сердечно-сосудистой системой. Отсутствие клинических испытаний не позволяет ни исключить, ни подтвердить подобные подозрения по отношению к полноразмерному MGF.

По материалам AAAS Science

Получить стволовые клетки из взрослых мышиных клеток удалось с помощью кислой среды

Эмбрион мыши из стволовых клеток, полученных по-новому

Фотография: Haruko Obokata

Очередная сенсация в области клеточных технологий: японские ученые получили клетки со свойствами эмбриональных стволовых, всего лишь поместив клетки крови мышей в кислую среду.

Совершенно новый и невероятно простой способ перепрограммирования клеток изобрели японские ученые. Для того чтобы вернуть взрослым специализированным клеткам способность развиваться по разным клеточным путям, то есть снова наделить их плюрипотентностью , свойством эмбриональных стволовых клеток, им не потребовалось ни пересадки ядер, ни внедрения генов.

Достаточно оказалось на короткое время изменить свойства окружающей среды — снизить рН, то есть повысить кислотность. И клетки стали очень похожими на эмбриональные стволовые.

Сенсационные результаты Харуко Обоката, Терухико Вакаяма (RIKEN центр биологии развития, Кобе и Гарвардская медицинская школа) и их коллеги из Японии и США опубликовали 30 января в двух статьях в журнале Nature.

Возможность перепрограммирования клеток взрослого организма — важнейшее открытие последних десятилетий, за которое получена Нобелевская премия по физиологии и медицине в 2012 году. И если Джон Гёрдон для этого пересаживал ядра в соматических клетках лягушки, то Синья Яманака нашел, какие гены обеспечивают множественные потенции клеток, и открыл способ получения индуцированных плюрипотентных стволовых клеток введением в клетку этих генов. Обаката и его коллеги изучали, как меняется судьба клеток под воздействием факторов внешней среды. В природе это происходит с клетками растений. У некоторых животных это тоже случается — так, под воздействием температуры эмбрионы крокодилов меняют пол. Клетки млекопитающих более консервативны, однако японские ученые нашли способ воздействия и на них.

Исследователи работали с клетками крови новорожденных мышей. После того как их в течение 25 минут держали в закисленной среде (рН 5,7), клетки стали демонстрировать биохимические маркеры эмбриональных стволовых клеток.

Кислая среда стала стрессорным стимулом, который изменил их свойства.

Ученые назвали получившееся явление стимул-вызванным приобретением плюрипотентности, а клетки получили аббревиатуру STAP (stimulus-triggered acquisition of pluripotency). Их получение и свойства они описали в первой статье в Nature.

Дальше надо было изучить свойства этих клеток. Ученые ввели их в мышиную бластоцисту — эмбрион на ранней стадии. Причем введенные клетки были помечены флюоресцентными маркерами, что позволяло проследить их судьбу. Из бластоцисты развился химерный эмбрион мыши, и часть клеток этого эмбриона получилась из клеток STAP. То есть они продемонстрировали способность дифференцироваться в клетки разных мышиных тканей — так же как и эмбриональные стволовые клетки. Это тест на плюрипотентность.

Впрочем, если клетки STAP оставались изолированными, они не начинали делиться и жили всего несколько дней.

Но если их помещали в среду, благоприятную для выращивания индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, они делились и приобретали свойства и диагностические маркеры эмбриональных стволовых клеток. При этом, пишут исследователи, у них снижалась степень метилирования ДНК в участках, которые служат генетическими маркерами плюрипотентности. Метилирование (навешивание метильных групп на ДНК в месте азотистого основания цитозина) держит «в узде» те гены, которые не должны работать в данный момент. Снижение метилирования эти гены запускает в работу.

В то же время клетки STAP еще кое в чем отличались от индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК), полученных стандартным способом. И об этом ученые пишут во второй статье в Nature . Вводя клетки в бластоцисту для получения химерного эмбриона, они обнаружили, что помеченные красителем STAP входят не только в эмбрион, но и в плаценту. С ИПСК такого никогда не происходит. Во что именно будут развиваться клетки, в эмбрион или плаценту, зависит от клеточного окружения, в котором они окажутся. «В пробирке» это можно повторить, воздействуя на клетки теми или иными белковыми факторами.

В общем, оказалось, что клетки STAP обладают в какой-то мере даже еще более широкими потенциями, чем ИПСК.

Самое же главное открытие, конечно, состоит в том, что перепрограммировать клетки млекопитающего, оказалось, можно всего лишь воздействием физического стимула. Что открывает небывалые возможности для получения стволовых клеток для клеточной терапии из клеток самого пациента.

Если это действительно будет возможно с клетками человека, будет получен невероятно простой и дешевый способ, который радикально снизит стоимость этого высокотехнологичного лечения.

Но сначала надо повторить эксперимент с человеческими клетками, а пока что японские ученые совершили это чудесное превращение только на мышиных.

Надежда Маркина

Материалы по теме -

Ученые вычислили препятствие на пути перепрограммирования клеток и убрали его

Почему существует жизнь?

Ну как же, суп, молния, Опарин (random name), миллиарды лет бросания аминокислотных костей — вот и всё... В общем, жизнь удивительна: одно её возникновение изумляет, благо для появления генетического кода вашего, читатель, уровня сложности, по иным расчётам, нужен едва ли не десяток миллиардов лет, а это дольше, чем жизнь Земли. То есть нам крупно повезло. Но есть и альтернативная точка зрения.

Скажем, для физика Джереми Ингленда (Jeremy England) из Массачусетского технологического института (США) возникновение жизни «столь же предсказуемо, как тенденция камня к падению вниз».

Джереми Ингленд. (Фото Katherine Taylor.)

Давайте подумаем, предлагает учёный, чтó с физической точки зрения отличает неживые углеродосодержащие молекулы от живых: вторые лучше справляются с поглощением энергии из окружающей их среды и её рассеиванием в виде тепла. Заметим, что, по всей видимости, с такими задачами иногда может справиться и сажа, однако эффективность жизни в данном направлении всё же действительно высока.

Попробовав представить отличия живого от неживого в формулах, г-н Ингленд пришёл к выводу, что группа атомов, на которую действуют сторонние источники энергии (солнечные лучи, наличие химического топлива) и которая окружена тепловой баней (океан, атмосфера), часто будет постепенно реструктурировать себя, с тем чтобы рассеивать всё больше и больше энергии. Таким образом, при определённых условиях материя непременно приобретёт ключевые физические атрибуты, ассоциирующиеся с жизнью.

Если совсем заострить, что Джереми и делает, то получается следующее: «Вы начинаете со случайным комком атомов, на который светите довольно долгое время, и не стоит слишком удивляться, если он внезапно станет растением».

Легко понять, что часть коллег г-на Ингленда отнеслась к его работе как к весьма неопределённой, другая — как к прорывной, а некоторые считают, что ей присущи обе эти черты. Так, Евгений Шахнович из Гарвардского университета (США) полагает её глубоко спекулятивной, по крайней мере на сегодняшнем этапе. Да, формула, описывающая поведение материи в некоторых условиях, работает. Но является ли такое стремление атомов лучше рассеивать энергию гарантией развития процесса, ведущего к зарождению жизни?..

Идея Джереми Ингленда в основе своей проста: второй закон термодинамики, энтропия со временем растёт, горячее остывает, яйца проклёвываются, но наоборот не бывает, и так далее. Пока энергия распределена в системе неравномерно, согласно теории вероятностей, путей для дальнейшего рассеивания у неё больше, чем для концентрации. И хотя в теории остывающий кофе может с некоторой вероятностью спонтанно вновь нагреться, на деле это столь невозможно, что ничего подобного и не случается.

Хотя энтропия всегда должна возрастать со временем, чётко это можно видеть в основном в закрытых системах, благо в их открытых аналогах энергия может оставаться распределённой между атомами неравномерно за счёт канализирования энтропии вовне, в пространство, окружающее открытую систему.

В 1944 году Эрвин Шрёдингер («Что есть жизнь?») заявил: это именно то, что делают живые существа, чтобы поддержать своё существование. Во время фотосинтеза энтропия во Вселенной в целом растёт, а вот растение предохраняет себя от распада, поддерживая упорядоченную внутреннюю структуру. Из «всему миру ли провалиться, мне ли чаю не пить» оно выбирает первое.

Однако во времена Шрёдингера уравнения термодинамики решались только для закрытых систем, находящихся к тому же в состоянии термодинамического равновесия. Излишне говорить, что жизнь возникла вовсе не в них.

В 1960-х Илья Пригожин до некоторой степени преуспел в предсказании поведения открытых систем, в слабой степени управляемых внешними энергетическими источниками (Нобелевская премия 1977 года). Увы, жизнь возникла там, где до термодинамического равновесия было далеко, а воздействие внешних энергетических источников — исключительно сильно, предсказания же в такой среде мы делать всё ещё не умели.

В 1990-е благодаря американцам Крису Жарзински (Chris Jarzynski) и Гэвину Круксу (Gavin Crooks) всё изменилось. Было показано, что энтропия термодинамического процесса (остывание кофе) соответствует простому соотношению: вероятность того, что атомы пройдут через этот процесс, делённая на вероятность того, что они пойдут в противоположном направлении (что чашка, напротив, случайно нагреется). По мере возрастания продуцирования энтропии это соотношение растёт: поведение системы становится всё более «необратимым», а вероятность самозакипания кофе в чашке неумолимо падает.

По идее, такому видению всё равно, насколько далека от термодинамического равновесия среда, в которой протекает процесс.

Собственно, Джереми Ингленд лишь добавил в этот подход сильное влияние внешнего источника (электромагнитные волны) и способность отдавать тепло вовне — качества, присущие тому классу систем, в который входят и живые организмы, и неживые материалы, встречающиеся на поверхности Земли.

Моделирование Ингленда показывает, что в вязкой жидкости те частицы, что колеблются под действием внешней силы, со временем (сверху вниз) образуют между собой больше связей. (Иллюстрация Jeremy England.)

Неживые частицы склонны рассеивать больше энергии, когда они находятся в резонансе с внешним источником энергии или двигаются в направлении, в котором их толкает внешняя сила. В конечном счёте они больше «склонны» двигаться в этом направлении, чем в любом другом. «Группы атомов, окруженные тепловой баней определённой температуры, как и в случае атмосферы или океана, со временем будут переупорядочивать себя так, чтобы всё лучше "резонировать" с источником механической, электромагнитной или химической работы в своём окружении», — поясняет г-н Ингленд.

Самовоспроизведение — процесс, который принёс на Землю всю населяющую её сегодня жизнь, — один из таких механизмов, посредством которого система может рассеивать возрастающее количество энергии с течением времени. «Отличный способ рассеивания энергии — это производство большого числа копий себя самого», — говорит учёный.

В сентябрьском (2013) номере Journal of Chemical Physics исследователь показал, что теоретический минимум рассеивания, происходящего при самовоспроизведении молекул РНК и бактерий, очень близок к реальным количествам, которые эти системы рассеивают при воспроизводстве. При этом именно РНК (по всей видимости — предшественник ДНК-жизни) является особенно «дешёвым» в энергетическом смысле строительным материалом, что и предопределило её «победу».

Джереми подчёркивает: некоторые явления неживой природы могут быть обусловлены тем же процессом адаптации материи по линии максимального рассеивания энергии. «Многие примеры могут быть прямо у нас под носом, но из-за того, что мы не искали их, мы их и не видим», — считает физик.

Кстати, недавно появились работы, согласно которым вихри в турбулентных жидкостях воспроизводят себя спонтанно, заимствуя энергию у сдвига слоёв окружающей их среды. В другом случае опыты со скоплениями микросфер показывают их склонность рассеивать энергию, связывая близкие сферы в такие же кластеры (самовоспроизводство). Сам учёный считает, что снежинки, дюны, вихри имеют много общего в том смысле, что все они обладают повторяющейся структурой, которая возникает в многосоставных системах, приводимых в движение процессом рассеивания энергии. В случае с опытами над бактериями не следует также забывать, что «бывают и просто мутации», причём способные влиять сразу на много факторов, и не всегда надо торопиться с определением ведущего.

Проверить все эти идеи не так-то просто: процесс возникновения жизни из кучи атомов не должен быть быстрым. С другой стороны, частично концепцию всё-таки можно испытать — соотнеся эффективности рассеивания энергии мутантными линиями живых клеток со скоростью их размножения. Если они и впрямь коррелируются, г-н Ингленд получит как минимум косвенное доказательство своей правоты. В то же время и здесь нужна осторожность: когда вам жарко, вы начинаете обмахиваться газеткой, но это можно трактовать не только как простое стремление кучи атомов в лице Пети Иванова усилить рассевание энергии в окружающем пространстве.

Если эта точка зрения подтвердится, многие мучительные вопросы вроде «зачем организму X нужна черта Y» перестанут быть таковыми: общие закономерности по росту эффективности рассеивания энергии способны объяснить ряд черт тех или иных организмов без их притягивания за уши к часто сомнительному статусу эволюционного преимущества.

Отчёт об исследовании опубликован в издании Journal of Chemical Physics.

Подготовлено по материалам Quanta Magazine. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

Александр Березин

Ну, и в тему мнение Брайна Кокса в фильме ВВС "Что есть жизнь?" http://donmigel-62.livejournal.com/17768.html

Амёбы помогут искать лекарство от болезни Альцгеймера

Амёбы <i>Dictyostelium</i>. (кликните картинку для увеличения)

Амёбы Dictyostelium.

Учённые исследовали возможность использования амёб, чтобы понять функцию определённых белков организма человека в стимуляции развития болезни Альцгеймера.

Учёные из Лондонского университета (Royal Holloway, University of London) и института психиатрии Королевского колледжа Лондона выяснили, как амёба может обеспечить расширение представлений о функциях белков, ассоциированных с развитием болезни Альцгеймера, в клетках без проведения исследований на животных, необходимых для создания более эффективных средств, применимых для борьбы с данным заболеванием.

Мутации пресенилинов вызывают наследуемые формы болезни Альцгеймера. Данные белки так же играют ведущую роль в возникновении болезни Альцгеймера, связанном со старением человека.

Однако изучение роли пресенилинов затруднено. Это связано с тем, что лишённые их клетки нежизнеспособны. На изучение данных белков уже потрачено немало сил. Обычно для исследования пресенилинов используются лабораторные животные. Однако эксперименты на животных затруднены, так как подавление активности названных выше белков в клетках подопытных организмов делает их нежизнеспособными и блокирует их развитие.

«Проведённое исследование позволяет нам выяснить роль пресенилина 1 человека без проведения экспериментов на животных. Тот факт, что столь простой организм пригоден для изучения столь сложного заболевания, изумляет» — говорит профессор Робин Виллиамс (Robin Williams, сотрудник факультета биологических наук «Роял Холлоуэй», Лондонский университет).

«Исследование, проведённое на амёбе Dictyostelium, показывает, что мы можем успешно использовать данную простую модель, чтобы попытаться лучше понять нормальные функции других белков и генов, вовлечённых в болезнь Альцгеймера и в другие формы нейродегенерации» — добавляет доктор Ричард Киллик (Richard Killick, сотрудник института психиатрии Королевского колледжа Лондона).

Более подробное описание результатов проведённого исследования можно найти на страницах Journal of Cell Science

Новая технология позволяет получать высококачественные трехмерные изображения процессов, происходящих внутри живых клеток

Группа исследователей из университета штата Иллинойс (University of Illinois) разработала новый метод микросъемки, который позволяет получить трехмерные изображения с высокой разрешающей способностью внутренних структур живых клеток, что позволяет отслеживать ход происходящих в них процессов. Самой главной особенностью нового метода является то, что для проведения съемки не требуется использования флуоресцентных красителей или других химических соединений, эта технология, получившая название томографии на основе дифракции белого света (White-light Diffraction Tomography, WDT), реализуется при помощи обычного микроскопа, специализированной приставки к микроскопу источника белого света.

Разработка новой технологии съемки, описание которой было опубликовано в одном из последних выпусков журнала Nature Photonics, была выполнена группой исследователей, возглавляемой профессором электротехники и биоинженерии Габриэлем Попеску (Gabriel Popescu).

Вот что рассказывает по этому поводу профессор Попеску: "Съемка внутренностей живых клеток является одним из самых основных научных инструментов при проведении исследований функционирования клеток, при определении результатов воздействия лекарственных препаратов, к примеру, при лечении онкологических заболеваний. Раньше мы должны были вводить внутрь клеток специальные красители и специальные химические агенты, которые в большинстве случаев затрагивали функционирование этих клеток. Благодаря разработанной нами технологии мы можем видеть во всех подробностях все процессы в живых клетках, абсолютно не вмешиваясь в их естественное поведение".

Технология WDT использует компонент, являющийся приставкой к обычному фазово-контрастному микроскопу (phase contrast microscope), при этом совершенно не требуется вмешательство и проведение изменений конструкции самого микроскопа. В настоящее время профессор Попеску организовал новую компанию, Phi Optics, специалисты которой займутся адаптацией технологии WDT под все наиболее популярные модели микроскопов, используемых учеными в настоящее время. А на приведенном ниже видеоролике можно ознакомиться с трехмерными изображениями клеток, полученными при помощи технологии WDT.

http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2013.349.html

Подтверждено протекание истинно квантовых процессов в фотосинтезе

Большинство светособирающих макромолекул состоит из прикреплённых к протеинам хромофоров, которые и придают молекулам их цвет. Именно на них приходится первый шаг в фотосинтезе — захват солнечного света и передача его энергии с высокой эффективностью. Отдельные эксперименты давали основания полагать, что это происходит в «волнообразной» манере, дискретно, с использованием квантовых феноменов. Именно на основе этих утверждений возникла и возмужала квантовая биология.

Но, как это часто бывает, ни одно важное утверждение не обходится без появления у него непримиримых противников. Все результаты экспериментов могут быть объяснены классической физикой, говорили они (при желании, добавим мы). Более того, всё это в принципе невозможно, поскольку для передачи энергии по цепочке требуется время существования состояний квантовой запутанности, превышающее лучшие экспериментальные достижения современных лабораторий. А ведь в последних используются сверхнизкие температуры, наподобие какого-нибудь жидкого гелия-водорода, которые недоступны живым существам! Само предположение о том, что безмозглые растения при комнатной температуре используют квантовую механику дольше, чем получается у физиков при температурах сверхнизких, смехотворно, уверены критики квантовой биологии.

Клетки фотосинтезирующих организмов с различимыми в них хлоропластами (фото Wikimedia Commons).

Но со временем физики научились значительно продлевать квантовую запутанность, а экспериментаторы, работающие с биологическими системами, интенсивно развивали метод надёжного отделения классических физмеханизмов, реализующихся в живых растениях, от механизмов квантовых...

И вот Эдвард О'Рейли (Edward O'Reilly) и Александра Олайя-Кастро (Alexandra Olaya-Castro) из Университетского колледжа Лондона (Великобритания) заявили, что такой метод ими уже создан и испробован на практике. «Перенос энергии в светособирающих макромолекулах происходит с помощью специальных колебательных движений хромофоров, — объясняет г-жа Олайя-Кастро. — Мы обнаружили, что свойства некоторых хромофорных вибраций, происходящих при фотосинтезе, никогда не будут объяснены с помощью классических законов физики; более того, такое неклассическое поведение увеличивает эффективность переноса энергии».

Упомянутые вибрации молекул суть периодические движения атомов в молекуле, которые отдалённо и упрощённо можно уподобить колебанию массы, закреплённой на конце пружины. Когда энергия коллективных вибраций, скажем, двух хромофоров совпадает с энергией, нужной электронам молекул для перехода с одного энергетического уровня на другой, возникает резонанс и происходит эффективный обмен энергией между вибрационными процессами и процессами, связанными с состоянием электронов.

Однако следует чётко понимать: с точки зрения классической физики вероятность того, что слишком много хромофор будет находиться в определённых пропорциях друг относительно друга и иметь при этом определённое количество энергии, ограничена и подчиняется положительному распределению вероятностей — и никакому иному.

А вот согласно исследованиям калифорнийских товарищей, на практике макромолекулы, участвующие в фотосинтезе, показали, что хромофоры в них имеют положение и импульс, подчиняющиеся отрицательному распределению вероятностей, которого по классической физике там не должно быть.

«Отрицательные значения в их распределениях вероятностей — признак истинно квантовых черт, а именно когерентного обмена единичными квантами энергии, — поясняет Эдвард О'Рейли. — Когда это случается, вибрационная и электронная степени свободы вместе на короткое время находятся в суперпозиции квантовых состояний. И это черта, которую не предсказать при помощи классической физики».

Прочие бимолекулярные процессы, такие как перенос электронов внутри макромолекул, происходящий, например, в фотосинтетических системах, структурные изменения в хромофорах после абсорбции фотона (зрения человека и животных), распознание молекулы другой молекулой (обоняние), тоже испытывают влияние специфических вибрационных процессов молекулярной природы. Таким образом, косвенно результаты исследования указывают на то, что и другие биологические системы могут эксплуатировать истинно неклассические феномены. Осталось лишь зарегистрировать в этих процессах отрицательные распределения вероятности для положения и момента отдельных компонентов?

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications, а его препринт доступен здесь.

Подготовлено по материалам Университетского колледжа Лондона.

Впервые о квантовой когерентности заговорили ещё летом 2013 года. В Science было опубликовано доказательство того, что процессы фотосинтеза протекают при содействии квантовых эффектов — белковые "антенны" в хлоропластах растений и бактерий оказались синхронизированы на квантовом уровне, что в несколько раз улучшает эффективность захвата фотонов и их преобразование в электроны .

"Мы показали, что квантовая когерентность является причиной сверхвысокой эффективности преобразования фотонов в биологических системах, даже в те времена, когда растениям приходится менять пути транспортировки электронов под действием окружающей среды", — заявил Ник ван Хюлст (Niek van Hulst) из Института фотоники в Барселоне (Испания).

Ван Хюлст и его коллеги смогли впервые зафиксировать присутствие квантовых эффектов внутри компонентов системы фотосинтеза, создав особый микроскоп, позволявший им отслеживать изменения в их состоянии через фемтосекунду (10 в минус 16 степени секунды). За это время свет успевает пройти расстояние в несколько нанометров, что позволяет получать микроснимки молекул на разных этапах поглощения фотонов.

Ученые извлекли молекулы хлорофилловых "антенн" и других компонентов системы фотосинтеза из клеток пурпурных бактерий и проследили за тем, как они будут взаимодействовать со светом. Для этого ученые облучали их фемтосекундными импульсами света, получали снимки и наблюдали за тем, как менялось химическое состояние среды. Оказалось, что молекулы-"антенны" были синхронизированы на квантовом уровне, работая как одно целое в течение нескольких сотен фемтосекунд.

По словам физиков, это свойство помогает этим компонентам системы фотосинтеза захватывать фотоны и использовать их энергию для транспортировки свободных электронов даже при резких изменениях в условиях окружающей среды. Как полагают авторы статьи, данное свойство можно использовать для многократного улучшения КПД солнечных батарей в будущем, вплоть до 95% эффективности, которая характерна для растений.

Новые ископаемые рыбы свидетельствуют о том, что плавники могли служить задними конечностями

Эволюция задних ног фактически началась с улучшенных задних плавников – таков был сделан вывод в соответствии с новым открытием – хорошо сохранившимся тазом и часть брюшного плавника Тиктаалик (Tiktaalik roseae), переходного вида между рыбой и первыми ходячими животными, жившего 375 млн. лет назад.

Выводы, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences (Труды Национальной академии наук – официальный журнал Национальной академии наук США) бросают вызов существующей теории о том, что крупные, мобильные задние придатки развились после того, как позвоночные перешли на землю.

Тиктаалик был впервые обнаружен в 2004 году Нилом Шубиным (Neil Shubin), палеонтологом и профессором Чикагского университета, Эдвардом Дешлером (Edward Daeschler), руководителем отделения зоологии позвоночных животных из Академии Естественных Наук в Филадельфии, и Фаришем Дженкинсом-младшим (Farish A. Jenkins, Jr.), доктором наук из Гарвардского университета. Вид является переходным звеном между рыбами и наземными четвероногими.

Тиктаалик представляла собой кистеперую рыбу с широкой плоской головкой и острыми зубами, похожими на смесь рыбы и крокодила. Рыба могла вырасти длинной до 9 футов (2,74 м). Наряду с жабрами, плавниками и чешуей, Тиктаалик обладала чертами, свойственными «тетроподам» (четвероногим), такими как подвижная шея, прочная грудная клетка и примитивные легкие. У рыбы также имелись плечи, локти и частичные запястья на её больших передних плавниках, позволявших поддерживать себя на земле.

Однако до сих пор исследователи имели более менее точные представления лишь о передней части рыбы, и лишь новая находка пролила свет на заднюю. Она содержит таз, а также частично сохранившийся плавник. Обнаруженная окаменелость позволила напрямую сравнить передние и задние конечности.

Ученые сочли этот таз уникальным, ведь он не только походил на некоторых ранних тетраподов, но и был почти идентичен по размеру плечевого пояса, что также является характерной чертой для «четвероногих». Рыба также обладала подвижным тазобедренным суставом и мобильными бедренными костями. О прочности и функциональности конечностей говорит наличие гребней.

«Это удивительная тазовая кость, она опровергает наше представление о том, как развивались конечности позвоночных», сказал Дешлер. «Тиктаалик сочетал в себе примитивные и прогрессивные функции. Многое свидетельствует о том, что они обладали достаточно широким спектром двигательного поведения, например то, что рыбы, судя по всему, с помощью плавников ходили по дну, а также использовали их в качестве весел во время плаванья».

В поисках новых антибиотиков

Что такое антибиотики и почему с каждым годом их действенность ослабевает? Откуда берутся новые антибиотики? Науарат Чипман расскажет о том, куда приходится отправляться микробиологам в поисках лекарств...

Исчезновение Y-хромосомы отменили

Y-хромосоме исчезнуть, по-видимому, не суждено: она содержит действительно необходимые для мужского организма гены, которые были отобраны эволюцией и которые нельзя ни убрать, ни даже отредактировать.

У человека в геноме есть две половые хромосомы, Х и Y, и каждая из них должна иметь набор генов, одинаковых по функциям. Так оно когда-то и было, но со временем 90% генов, общих между X- и Y-хромосомами, у мужской хромосомы исчезли. Когда биологи обнаружили это, появилась гипотеза о том, что Y-хромосоме вообще суждено исчезнуть: не завтра и не послезавтра, конечно, но за 5 млн лет. По эволюционным меркам срок вполне небольшой.

Эта гипотеза неизменно пользуется повышенным вниманием, даже со стороны тех, кто биологией интересуется мало. Ну действительно, как же так, была Y-хромосома — и вдруг её нет! Всё-таки один из символов мужественности, или, если угодно, маскулинности. Причём часто эту гипотезу трактуют весьма вольно, злоупотребляя заголовками типа «Будущее без мужчин» и т. п. Но при этом не учитывается, что у некоторых грызунов Y-хромосомы вообще нет, а раздельнополость они тем не менее сохранили. Кроме того, не так давно выяснилось, что для мужской плодовитости вообще достаточно всего двух генов с Y-хромосомы. То есть даже если мужская хромосома исчезнет, она не обязательно утянет за собой и сам мужской пол.

За миллионы лет эволюции Y-хромосома оставила себе всё только самое лучшее. (Фото everything_i_do_i_do_it_for_49.)

Однако Расмус Нильсен (Rasmus Nielsen) из Калифорнийского университета в Беркли (США) и его коллеги пошли ещё дальше: они заявили, что никакого исчезновения Y-хромосомы вообще нет. Учёные сравнили мужские половые хромосомы у восьми европейцев и восьми африканцев, сопоставили изменчивость генов Y-хромосомы между собой, с другими хромосомами и с митохондриальной ДНК — и предложили собственную версию развития половых хромосом.

Примерно 200 млн лет назад, когда звери были на Земле ещё новичками, они имели в геноме предков XY-хромосом, которые мало чем отличались от других хромосомных пар. В каждом поколении Х и Y обменивались генами, и так продолжалось до тех пор, пока в Y-хромосоме не стали скапливаться «мужские» гены, которые мало что оказывались прописаны тут намертво, так ещё и притягивали за собой других. Эти гены, отвечающие за формирование семенников, сперматозоидов и проч., плохо вели себя в женском организме, так что в конце концов X и Y перестали ими обмениваться.

А это означало, что при появлении в мужской хромосоме дефекта его уже нельзя было исправить за счёт похожего гена в Х-хромосоме (у самих Х-хромосом эта возможность оставалась). Повреждённые куски со временем просто отваливались от Y-хромосомы. То есть в деградировавшей мужской хромосоме остались лишь универсальные здоровые варианты генов. В отличие от других, Y-хромосомы у разных людей намного более похожи друг на друга, даже если брать такие разновозрастные популяции, как африканцы и европейцы. По словам авторов работы, мужские хромосомы оказались больше похожи друг на друга, чем можно было бы ожидать.

Однако тут возможны две причины такого единообразия мужской хромосомы: либо её передавали в следующее поколение очень немногие мужчины, либо в размножении участвовали все, но саму хромосому «обтесал» естественный отбор. По первому варианту выходило, что размножаться должен был только один из четырёх мужчин на протяжении всей истории человечества, а это противоречит данным по вариациям во всех остальных хромосомах.

То есть Y-хромосома стала такой, какой она есть, в результате жёсткого естественного отбора, который вычищал все мутации вместе с их владельцами. Ни одна мутация тут уклониться от ока эволюции не могла: мужская половая хромосома оказалась лишена партнёра, гены которого смогли бы выполнить работу нефункциональных Y-генов.

Иными словами, авторы работы не отрицают, что когда-то деградация мужской хромосомы шла полным ходом. Но потом она остановилась — просто потому, что дошла до своего предела. И отсюда же следует, что Y-хромосома вовсе не так бесполезна, как об этом иногда говорят: являясь бесполезной, она не была бы столь единообразна у разных индивидуумов. Спрашивается, почему такие работы не проводились раньше, однако сами учёные говорят, что межпопуляционные исследования относительно Y-хромосомы только начинаются. Кроме того, такие исследования хорошо бы подкреплять сведениями по другим видам млекопитающих, однако, хотя на сегодня секвенированы геномы 36 видов, а полностью Y-хромосома прочитана только у трёх.

И вот ещё что. В позапрошлом году мы писали о том, что скорость исчезновения мужской хромосомы сильно преувеличена: за 25 млн лет она потеряла всего один ген. Возможно, это косвенным образом свидетельствует в пользу того, что её деградация просто-напросто давно остановилась или останавливается.

Результаты исследования опубликованы в PLoS Genetics.

Подготовлено по материалам Калифорнийского университета в Беркли. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

Кирилл Стасевич

Новый алгоритм находит гены старения

Ученые разработали компьютерный алгоритм, который может находить гены, ответственные за старение организма. Отключение этих генов поможет существенно продлить жизнь.

Компьютерный алгоритм, разработан исследователями из Тель-Авивского университета. Докторант Керен Ицхак (Keren Yizhak) из лаборатории профессора Эйтана Руппина (Eytan Ruppin) и ее коллеги сосредоточили внимание на наиболее изученном явлении, позволяющем продлить жизнь: ограничении калорий.

Ограничение потребления калорий является одним из немногих проверенных способов борьбы со старением. Хотя основной механизм этого явления пока неизвестен, эффективность ограничения калорий была доказана многими лабораториями в опытах на мухах, дрожжах, червях, обезьянах и людях.

Новый компьютерный алгоритм способен выделить гены, отключение которых может создать такой же омолаживающий эффект. Ученые считают, что это поможет разработать новые препараты для лечения старения, а в будущем, возможно, генной терапии, которая продлит активную жизнь человека минимум в несколько раз.

Новый компьютерный алгоритм способен отыскать гены старения, отключение которых может омолодить организм. Эксперименты на дрожжах дают обнадеживающие результаты: отключение ранее неизвестных генов GRE3 и ADH2 существенно продляет жизнь дрожжей

«Большинство аналогичных компьютерных алгоритмов пытаются найти цели для лекарств, убивающих раковые клетки или бактериальные инфекции, - рассказывает Керен Ицхак. - Наш алгоритм является первым, который будет искать препараты, не убивающие старые и больные клетки, а превращающие их в молодые и здоровые».

Лаборатория Эйтана Руппина является лидером в активно развивающейся области генетического метаболического моделирования. Эта область науки пытается использовать математические уравнения и компьютерные вычисления, чтобы описать процесс обмена веществ и поддержания жизни отдельных живых клеток и всего организма в целом. Сложные компьютерные модели, которые еще 20 лет назад считались фантастикой, сегодня позволяют воспроизводить сложнейшие природные процессы и ставить виртуальные опыты.

Алгоритм Керен Ицхак, названный метаболический алгоритм преобразования или MTA , может анализировать информацию о любых двух метаболических состояниях и прогнозировать генетические изменения, необходимые для перехода из одного состояния в другое.

Работоспособность нового алгоритма доказана в серии лабораторных экспериментов. В частности алгоритм MTA смог обнаружить гены, отключение которых способно омолаживать дрожжевые клетки. Как известно, дрожжи являются наиболее широко используемой генетической моделью, поскольку большая часть ДНК этого организма присутствует и в геноме человека.

На дрожжах МТА работает очень хорошо. Некоторые из обнаруженных МТА генов уже были известны тем, что их выключение может продлить срок жизни дрожжей. Также были найдены два новых гена, GRE3 и ADH2, отключение которых вызывает повышенные уровни оксидативного стресса аналогичные тем, что получаются путем ограничения калорий. Таким образом, выключение генов GRE3 и ADH2 значительно продлевает жизнь дрожжей без каких-либо побочных эффектов.

Ученые надеются, что новый компьютерный алгоритм поможет обнаружить гены старения и в организме человека, а также сможет найти лекарства для лечения различных нарушений обмена веществ, включая препараты для лечения диабета, рака, ожирения, нейродегенеративных расстройств.

Итоги 2013:
Живые и эволюционирующие

Под сенью эволюционных сил животные и растения делают то же, что и люди, — общаются друг с другом, любят друг друга и, разумеется, убивают друг друга.

Читать полностью- http://compulenta.computerra.ru/chelovek/biologiya/10010726/

Найден способ быстро и безопасно нарастить мышцы

Ученые обнаружили многообещающий способ нарастить мышечную массу человека с помощью блокировки миостатина. Побочные эффекты данного процесса пока не обнаружены.

Польза технологии, позволяющей наращивать мышечную массу, понятна: военным нужны сильные солдаты, врачам - лекарство от дегенерации мышц, спортсменам – необычайные физические возможности, а всем остальным – красивое мускулистое тело.

Очень многообещающим способом быстро и без изнурительных тренировок нарастить мышцы является блокировка миостатина. Это особый белок, так называемый фактор роста и дифференцировки 8. Блокирование выработки этого белка приводит к резкому увеличению мышечной массы без соответствующего роста жировой ткани. Эксперименты на мышах показали рост массы тела за счет роста массы мышц в 1,5 и более раз по сравнению с обычными особями. В настоящее время даже есть породы коров с мутантными генами, блокирующими выработку миостатина. Такие коровы дают очень много мяса с низким содержанием жира. Кроме того, блокировка миостатина ускоряет регенерацию мышечной ткани, что может помочь при обширных повреждениях мышц, например в результате пулевого ранения.

На фото бык с мутантными генами, блокирующими миостатин

У людей мутантные гены, блокирующие выработку миостатина, - это очень и очень редкое явление. Поэтому в течение многих лет ученые искали средства управлять уровнем миостатина для того, чтобы была возможность регулировать рост мышц. Это очень важно, например, для лечения возрастных изменений, ведь после начала старения человек начинает терять мышечную массу, а сами мышцы становятся слабее. Исследования в этой области поддерживаются многими научными и некоммерческими организациями, такими как SENS Research Foundation. Определенные успехи в этой области уже есть, главное – ученые утверждают, что пока никаких побочных эффектов у терапии, связанной с блокированием миостатина, не выявлено.

В этом месяце существенного успеха в разработке технологии блокирования миостатина добились ученые Дэвид Глас (David Glass) и Эстель Трайфилиф (Estelle Trifilieff) из фармацевтической компании Novartis. Они разработали новое соединение BYM338, которое предотвращает атрофию мышц и способствует росту мышечной массы.

BYM338 блокирует рецептор, который взаимодействует с соответствующей клеточной сигнальной системой, которая, в свою очередь, дает команду в определенный момент затормозить рост мышц.

До появления BYM338, ученые не имели надежного способа блокировать сигналы, «отменяющие» рост мышц. Обычно использовалась грубая стимуляция роста мышц, вызывающая множество побочных эффектов. BYM338 воздействует «точечно»: на рецептор миостатин/активин тип II (ActRII), который управляет ключевым сигнальным путем, регулирующим только рост скелетных мышц. BYM338 усиливает дифференциацию первичных миобластов (клетки, из которых формируются мышцы) и блокирует торможение этой дифференциации, вызванное миостином.

Таким образом, теперь ученые могут регулировать рост мышечной массы без масштабного грубого вмешательства в другие процессы, протекающие в организме. Пока новые технологии блокирования миостатина готовятся к клиническим испытаниям, но в лаборатории, на животных, получены ободряющие результаты: рост мышечной массы на 25-50% без каких-либо побочных эффектов и с прочным положительным результатом.

Ученые надеются, что новая технология позволит не только наращивать мышцы по желанию и медицинским показаниям, но и предотвратить тяжелые осложнения таких заболеваний, как рак, диабет, ожирение, митохондриальный распад, болезни сердца, гипертоническая болезнь и т.д.

Стволовые клетки прощупывают окружающий ландшафт ресничками

Реснички на мембранах стволовых клеток служат им для управления собственными превращениями. В зависимости от характера поверхности, на которой растут клетки, реснички получаются разной длины, и из-за этого они могут по-разному влиять на сигнальный путь, регулирующий дифференцировку клеток.

Две особенности отличают стволовые клетки от прочих: это неограниченное деление и способность превращаться в специализированные клетки. Как известно, одни стволовые клетки могут становиться чем угодно, другие превращаются в строго определённый набор специализированных типов, однако сама по себе эта трансформация остаётся до сих пор загадкой, которую исследователи пытаются разгадать, и не без успеха.

Понятно, что на дифференцировку стволовых клеток влияет миллион разных факторов, и львиная их доля приходит из внешней среды. Это и контакт клеток друг с другом, и химические сигналы, плавающие вокруг них, и многое другое. В журнале Scientific Reports группа исследователей из Колледжа королевы Марии Лондонского университета (Великобритания) как раз описывает один из таких внешних факторов. Мартин Найт (Martin Knight) и его коллеги обнаружили, что на судьбу стволовых клеток сильнейшим образом влияет характер поверхности, на которой они находятся.

Клетки с неподвижными ресничками, окрашенными зелёным (фото GEreports).

В более ранних работах было показано, что с дифференцировкой клеток тесно связаны особого рода реснички — волосковидные структуры на поверхности клеток. Обычно реснички довольно подвижны, а служат они для того, чтобы обеспечивать движение жидкости, слизи или ещё каких-то субстратов, окружающих клетку. Но среди ресничек есть такие, которые полностью неподвижны, и, хотя было известно, что они могут быть связаны с рецепторной функцией, во многом их роль в клетках оставалась неясной. В частности, исследователей очень интересовало то, как эти неподвижные реснички влияют на характер клеточной дифференцировки.

Для начала было решено проверить, будут ли реснички меняться, если выращивать клетки на разных поверхностях: всё-таки клетки контактируют с поверхностью именно с их помощью. Исследователи заметили, что мезенхимальные стволовые клетки (которые дают клетки кости, хряща и жировой ткани) отращивают себе более длинные реснички, если растут на ребристой, гофрированной поверхности, — в отличие от клеток, культивируемых на простой плоской подложке. Причём длина этих выростов была связана ещё и со структурой актинового цитоскелета: если клетки росли на ребристой поверхности, то такой скелет был у них выражен довольно слабо. Кроме того, удлинить неподвижные реснички можно было, просто блокировав формирование актиновых структур.

Тогда исследователи вспомнили о том, что, согласно некоторым работам, реснички могут отводить из клетки бета-катенин — белок, который взаимодействует с актином, играет большую роль в прикреплении клеток к субстрату и в дифференцировке. Благодаря транспортной системе внутри реснички катенин уходит внутрь неё, и чем длиннее ресничка, тем больше катенина окажется в ней запертым.

Катенин связан с сигнальным путём Wnt, который работает при межклеточном общении и связан с клеточной дифференцировкой. Катенин может проникать в ядро и активировать гены этого сигнального пути, но если его впитает в себя ресничка, то и гены активировать будет некому. Эксперименты эту догадку подтвердили: если стволовые клетки росли на гофрированной поверхности и обладали удлинёнными ресничками, то уровень катенина в ядре падал, и сигнальный путь Wnt становился неактивным; если же у клеток подавляли внутрифлагеллярный транспорт в ресничках, то катенин накапливался в ядре и сигнальный путь активировался. Причём, как отмечают авторы, даже ничтожнейшие изменения в длине реснички приводили к довольно сильным переменам в молекулярно-сигнальном балансе.

То есть реснички помогают стволовым клеткам прощупать окружающий ландшафт и сделать из этого тот или иной вывод относительно дальнейшей дифференцировки.

Какие именно выводы делают клетки, исследователям ещё предстоит выяснить, однако уже сейчас нет сомнений в том, что эти данные способны помочь там, где требуется просто и эффективно управлять стволовыми клетками, — к примеру, в регенеративной медицине.

Подготовлено по материалам Колледжа королевы Марии. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

Кирилл Стасевич

Начались клинические испытания искусственного сердца на базе космических технологий

Европейские ученые смогли адаптировать миниатюрные технологии, которые обычно используются для различных космических миссий, а также в телекоммуникационных спутниках, обращающихся вокруг Земли, при разработке нового искусственного сердца. Спустя 15 лет совместной разработки различными институтами и компаниями, новое искусственное сердце получило право клинических испытаний во Франции. Разработкой искусственного сердца занималась компания Carmat, дочернее предприятие Европейского аэрокосмического и оборонного концерна (EADS) Astrium.

Подобного имплантата ждали многие. Созданием идеального искусственного сердца занимаются многочисленные исследовательские группы по всему миру, и некоторые разработки действительно могут совершить прорыв в медицине и трансплантологии в частности. Как и изобретение компании Carmat.

Более ста миллионов людей по всему миру имеют различные заболевания, связанные с сердцем. В некоторых случаях ситуация становится настолько критической, что пациентам требуется немедленная пересадка органа, однако дефицит донорских органов, к сожалению, не позволяет удовлетворить потребности всех сразу. Вот почему искусственные сердца являются абсолютно необходимым фактором в современной медицине.

Известного кардиохирурга, профессора Алэйн Карпентьер можно назвать отцом нового искусственного сердца. Компанию Carmat, как дочерние предприятие Astrium, он основал в 2008 году благодаря финансированию французского правительства и ряда других частных инвесторов во Франции. Совместная работа с Astrium, которая в свою очередь принадлежит EASD, предоставила Карпентьеру доступ к самым различным технологиям, которые очень часто применяются в космосе, но совсем редко здесь, на Земле. Благодаря поддержке Astrium, ученому удалось создать прочное, точное и долговечное медицинское устройство.

Карпентьер говорит, что в общем и целом новое искусственное сердце сочетает новейшие разработки и технологии в сфере материалов, биологии, электроники и медицины. Половина устройства состоит из органического материала и биологической ткани, вторая половина создана из компонентов, которые обычно применяются при строительстве космических спутников, только существенно уменьшенных в размерах.

«От группы ученых требовалось создать устройство, способное работать в сложнейших условиях сосудистой системы человека, рассчитанное на совершение 35 миллионов открытий и закрытий сердечных клапанов в год, в течение как минимум пяти лет с момента трансплантации без каких-либо проблем. В конечном итоге потребовалось создать устройство с бескомпромиссными показателями надежности. И возможным это стало исключительно благодаря невероятной проделанной работе в проектировании, прогнозировании и последующем применении самых высокотехнологичных электронных компонентов, применяемых при производстве космических спутников», — комментируют прорыв ученых эксперты из Европейского космического агентства.

«Между космосом и человеческим организмом имеется много общего. Они оба представляются сложными и недоступными средами. Ошибки в космосе недопустимы. Если сломается какая-то часть, мы не можем просто взять и без каких-либо проблем ее отремонтировать. Так же и с человеческим организмом», — объясняет Матье Доллон, глава бизнес-отдела French Elancourt Equipment при компании Astrium.
Автор - Николай Хижняк

Биологи описали организмы, которые с возрастом не стареют

**Гидра обыкновенная, по оценкам ученых, может жить до 1400 лет**

Стареть — не обязательно становиться дряхлее и ждать последнего вздоха. Ученые нашли животных, которые с возрастом становятся лишь крепче и могут считаться бессмертными.

Пока мы молоды, мы сильны и здоровы. Старея, мы теряем силы, здоровье, способность к размножению и умираем. Так мы обычно рассуждаем, говоря о старости. Однако другие живые организмы, населяющие нашу планету, могут стареть по-другому, и в их жизни старость может вовсе не означать слабость, неспособность к воспроизведению и смерть.

Поэтому понятие старости в биологии давно пора переопределить, и одряхление организма с возрастом – вовсе не закон природы, — к такому выводу пришли к выводу ученые из Университета Южной Дании.

«Многие люди, в том числе ученые, привыкли думать, что старение – это нечто неизбежное, и оно настигает все организмы на земле, как это происходит с людьми: каждый вид становится с возрастом слабее и умирает. Однако это не так», — считает автор исследования, профессор Оуэн Джонс.

В своем исследовании, опубликованном в журнале Nature, биологи исследовали 46 различных видов растений животных, для каждого построив зависимость от возраста двух важнейших для определения старости параметров – способности к размножению и вероятности смерти. В эту выборку попали совершенно разнообразные организмы, включая 11 видов млекопитающих (включая человека), 12 других позвоночных, 11 беспозвоночных, 12 растений и один вид водоросли.

Раньше, пытаясь объяснить феномен старения, ученые считали, что живые организмы поддерживают свою работоспособность, пока не успеют произвести и выходить потомство. Рассуждая так, стоит ожидать, что все животные к сроку окончания фертильности должны дряхлеть. В случае с людьми такое наблюдается лишь отчасти. Согласно исследованию датчан, вероятность смерти современных японских женщин начинает слабо расти сразу после рождения. Однако и много лет спустя после фертильного периода женщины нянчат внуков и вероятность смерти остается довольно низкой. И лишь в совсем преклонном возрасте смертность стремительно возрастает.

К примеру, для тех же японских женщин в возрасте ста лет вероятность смерти увеличивается в 20 раз.

Этот феномен выбивает людей из всех других видов животных, у которых ни при каком возрасте не наблюдается такой скачок смертности: как правило, этот показатель за всю жизнь не увеличивается более, чем в 5 раз.

Для большинства видов смертность действительно растет с возрастом. Это характерно для большинства млекопитающих, включая людей и касаток, а также для беспозвоночных, например водяных блох. Однако из существующих теорий старения выбиваются две группы организмов. К одним, во-первых, относятся те, у кого вероятность погибнуть остается постоянной в течение всей жизни — например, рак-отшельник и обыкновенная гидра.

Их организмы не подвержены дряхлению, что можно трактовать как невосприимчивость к старению. В лабораторных условиях гидра имеет настолько низкие шансы погибнуть, что ее можно считать бессмертной.

«Экстраполируя лабораторные данные, можно считать, что даже после 1400 лет 5% популяции гидр может оставаться в живых», — пояснил Джонс.

Есть также много видов организмов, чей уровень смертности почти не зависит от возраста. К ним относятся рододендроны, большие синицы, живородящие ящерицы, мухоловки-белошейки, калина вильчатая, пальчаторассеченная ламинария, моллюски Haliotis rufescens и красноногая лягушка.

Однако есть организмы, чья вероятность умереть вовсе с годами падает.

К ним относятся кораллы Paramuricea clavat, мексиканские дубы и сухопутные черепахи Gopherus agassizii. Несмотря на то что риск умереть у них никогда не опускается до нуля, в старости эти животные имеют больше шансов отметить следующий день рождения, чем в молодости.

Не менее разнообразной получилась и построенная зависимость фертильности от возраста различных видов. У людей возраст способности к размножению довольно краток, однако и до, и после этого периода люди живут много лет. Похожая картина наблюдается у таких животных, как касатки, шимпанзе, серны и ястребы-перепелятники. Есть и виды, которые с возрастом становятся только плодовитее. Примером является растение агава. Напротив, у свободноживущих нематод (круглые черви) способность к воспроизведению начинается с самого рождения – по сути их жизнь начинается с самого размножения, и с возрастом фертильность падает.

«Удивительно, но мы даже не можем представить себе организм с жизненным циклом, которого не существует в природе», — уверен Оуэн Джонс. «Не стоит относиться к старению, основываясь на том, сколько живет организм. Напротив, куда более интересно определять возраст, основываясь на риске смерти: в каком возрасте он растет, а в каком падает», — считает он. По словам ученых, полученные данные помогут биологам по-иному взглянуть на процессы старения человеческого организма.

Клеточная коммуникация, эпигенетика, Альцгеймер, стволовые клетки, ВИЧ и продолжительность жизни — вот что интересует биологов сегодня

«Горячая десятка» биологии

С помощью экспертов «Газета.Ru» разбирается с направлениями биологических исследований, которые попали в десятку «переднего края» исследований (front... →

Хирург-гинеколог Жерар Салама о рекомендациях для беременных и для желающих зачать, о 100-летних людях и родах в 40-летнем возрасте

«Гормональная терапия никому не повредила»

О плохих сперматозоидах, рекомендациях для беременных и для желающих зачать, а также о 100-летних людях и родах в 40-летнем возрасте «Газете.Ru»... →

Старушки глупеют раньше

Женский мозг стареет быстрее мужского. К такому выводу пришли сследователи, сравнившие активность генов в мужском и женском мозгу: в женском... →

Оригинал взят у

macroevolution в Популяризаторское

Рекомендовал 5 книг по эволюции для "Постнауки" (это делалось по телефону и наспех, времени думать и формулировать не было, но в общем и целом я с собой согласен)

Кратко ответил на новую порцию вопросов читателей "антропогенеза.ру" (про скорость эволюции, отрицательную корреляцию между интеллектом и религиозностью)

От

vert_dider 6 коротких видео о том что такое наука, для детей.