Микробиология и медицина

О потенциале трансплантации фекальной микробиоты для лечения онкологии

Трансплантация фекальной микробиоты используется для подготовки пациента к иммунотерапии. Сегодня по всему миру проводится около 30 испытаний эффективности подобной процедуры. Микробиом кишечника может оказывать положительное или отрицательное влияние на появление и распространение метастаз, проявление побочных эффектов лечения и способность иммунной системы уничтожать раковые клетки. Некоторые исследования связывают определенные виды бактерий с положительными эффектами, что может способствовать распространению персонализированной медицины. Также ученые изучают роль диеты и разнообразия кишечных микробов, выявляют взаимодействия между организмами, обитающими в кишечнике, и теми, которые живут в самих опухолях, открывают потенциальные лекарственные мишени. — How gut bacteria could boost cancer treatments, «Биомолекула»: «Микробиота и опухоли: новый шаг к пониманию причин канцерогенеза», «Микробы из глубинки. Стоит ли нам трансплантировать себе фекалии дикарей, чтобы вернуть былое здоровье».

Нанотехнологии

Из нуклеотидов синтезирована новая молекулярная машина

Современная медицинская гонка вооружений включает в себя разработку молекулярных машин, способных доставлять лекарства и оказывать содействие в терапии. При помощи ДНК-оригами собран микроскопический двигатель. Многокомпонентная конструкция использует броуновское движение для вращения ротора, стимул для работы — электрический ток. Механические возможности разработки схожи с действием молекулярной машины природного происхождения — F₁F₀-АТФ-синтазы. Скорость вращения достигает 250 оборотов в минуту, что позволяет стабильно двигаться в вязком растворе. Направление движения и скорость легко контролировать, как и запускать работу молекулярной машины. — A DNA origami rotary ratchet motor, «Биомолекула»: «Молекулярные машины — новые герои антибиотикотерапии».

Разбираемся с несовершенством наномедицины

Потенциал использования наночастиц в химиотерапии велик, однако до сих пор по большей части не реализован. Наночастицы способны прицельно «бить» по опухолевым клеткам, что позволит уменьшить дозы химиотерапии. Это повысит качество жизни пациентов и расширит возможности долговременной терапии. Пока что разработанные наночастицы не могут успешно преодолеть ряд биологических барьеров, хотя они и оптимизированы для этих задач. При помощи технологии высокопроизводительного скрининга nanoPRISM исследуют процесс проникновения наночастиц внутрь клетки. — Massively parallel pooled screening reveals genomic determinants of nanoparticle delivery, One step closer to cancer nanomedicine, «Биомолекула»: «Нанотехнологии — новый союзник в войне с болезнями».

Молекулярная биология и генетика

Индивидуальные особенности метаболизма и генетика

Каждый отдельный организм отличается индивидуальными особенностями метаболизма. В основе различий лежат взаимодействия генетики, питания, микробиоты и других факторов окружающей среды. Обычно внешние факторы мешают точно установить молекулярные механизмы взаимосвязи генетических вариаций и метаболизма. Нематода Caenorhabditis elegans послужила в роли модельного организма для исследования вариаций метаболизма. Ученые сравнили дикие и лабораторные штаммы, и в результате обнаружили накопление ряда аминокислот в одном из диких штаммов, ассоциированное с мутациями в белке HPHD-1. В перспективе этого исследования — разработка метаболических сетей для фиксации индивидуальных особенностей метаболизма. — C. elegans as a model for inter-individual variation in metabolism, «Биомолекула»: «Модельные организмы: нематода».

Обработан огромный массив данных для изучения взаимосвязи «генотип-фенотип»

В Британском биобанке хранятся данные секвенирования около 500 000 человек, которые дополнены характеристикой фенотипа. Преимущественно в выборке находятся данные здоровых людей. В новом исследовании описан анализ полногеномного секвенирования последовательностей 150 119 человек. Ученые охарактеризовали однонуклеотидные полиморфизмы (SNP), короткие вставки или делеции (indels), микросателлиты и структурные варианты (SV) — всего идентифицировано 600 миллионов вариантов последовательностей. Полученные данные представляют собой материал для изучения разнообразия последовательностей у человека и его влияния на изменчивость фенотипа. — The sequences of 150,119 genomes in the UK Biobank, Whole-genome sequencing of the UK Biobank, «Биомолекула»: «Генетический профиль с рождения: эффективность применения полногеномного секвенирования в клинической практике».

Сохраняем и защищаем при помощи сборки эталонных геномов

По оценкам ученых на 2022 год, более 32% видов грибов, растений и животных находятся под угрозой исчезновения. Высококачественная сборка эталонных геномов способствует сохранению таких видов и биоразнообразию на уровне популяций. Для получения последовательностей надлежащего качества использовано секвенирование третьего поколения, которое позволит провести тщательный анализ микросателлитов, мутационной нагрузки, распределения сегментов гомозиготности (ROH) и различных сегментов гетерозиготных вариантов.

Эталонные геномы позволяют определять видоспецифичные кодирующие и регуляторные последовательности для задач генной инженерии. Также сборки такого качества могут помочь в борьбе с вымиранием при помощи восстановления характерных черт вымерших видов. Например, механизма адаптации к холоду слонов с взятым за основу эволюционным преимуществом шерстистого мамонта. — Reference genomes for conservation, «Биомолекула»: «Чудесное воскрешение», «Таинственный код нашего генома».

Найден ген-регулятор, повышающий урожайность риса

В целях повышения урожайности сортов необходимо объединить усилия в исследовательских проектах сельского хозяйства и генной инженерии. Главная задача — создание новых сортов сельскохозяйственных культур с с более высокой фотосинтетической способностью и улучшенной эффективностью использования азота. Гены-регуляторы, координирующие ассимиляцию углерода и использование азота, вероятнее всего, являются ключом к перспективной разработке в этой области.

В геноме риса идентифицировали фактор транскрипции, которой при сверхактивной экспресии улучшает показатели — растение дает больший урожай, сокращается продолжительность роста и повышается эффективность использования азота. Экспрессия гена OsDREB1C индуцируется при помощи света или при низкой концентрации азота, ген напрямую регулирует фотосинтетическую способность, использование азота и время цветения. — A transcriptional regulator that boosts grain yields and shortens the growth duration of rice, Supercharged biotech rice yields 40% more grain, «Биомолекула»: «Биотехнология. Генная инженерия».

Хромосомная инверсия — основа расхождения признаков в разных популяциях канчилей

Механизмы адаптации экотипов к условиям обитания помогут понять, как отдельные популяции сохраняют приспособленность даже в условиях активного потока генов между ними. На примере канчиля проанализирована генетическая основа двух признаков — длины хвоста и цвета шерсти. Оказывается, геном представителей разных популяций характеризуется хромосомной инверсией, возникшей в результате дивергентного отбора много тысяч поколений назад. Вероятнее всего, именно изменения на уровне хромосом подавляют рекомбинацию и позволяют канчилям оставаться приспособленными к особенностям места обитания. — A chromosomal inversion contributes to divergence in multiple traits between deer mouse ecotypes.

«Маленькие» белки́ — новый источник потенциальных лекарственных мишеней

Исследования микропротеома могут предоставить новые сведения о биохимических процессах и позволят обнаружить новые лекарственные мишени. На сегодняшний день известно, что 19 370 генов человека кодируют белки и каждый из них в длину составляет не менее 100 аминокислот. Меньшим по размеру белкам пока что уделили относительно немного внимания, хотя они играют решающую роль в регуляции иммунной системы, блокировании других белков и разрушении дефектных РНК. На основе семи баз данных Ribo-seq выделено 7264 гена-кандидата. Для дальнейшего определения синтезируемых ими белков и их функций задействованы такие методы, как масс-спектрометрия и мечение эпитопов. — ‘Gold mine of unexplored biology’: Short protein sequences could dramatically expand human genome.

Дизайн белков для моделирования функциональных сайтов

Дизайн белков позволит моделировать функциональные белки, что является нетривиальной задачей. Описаны два метода глубокого обучения для создания белков, содержащих заданные функциональные сайты. При помощи первого подхода собраны последовательности, которые по прогнозам складываются в стабильные структуры с функциональным сайтом. После переобучения вторая модель восстановила последовательность и полную структуру белка с учетом функционального сайта. Отмечают, что для обеих моделей не нужно предварительно учитывать ряд особенностей структуры белка. Сейчас при помощи новых подходов разрабатывают иммуногены-кандидаты, рецепторные ловушки, металлопротеины и ферменты. — Scaffolding protein functional sites using deep learning, «Биомолекула»: «Конструкторское бюро белков».

Новый метод ЯМР для изучения сайтов связывания гликанов

Инфицирование клетки вирусами сопряжено с серией событий молекулярного распознавания. Часто они опосредованы гликопротеинами и гликанами на поверхности клеток. Новый метод ядерно-магнитного резонанса предоставляет данные более высокого качества для изучения таких взаимодействий. Также он применим к белкам гриппа и коронавируса. Для последнего обнаружены сайты связывания в N-концевом домене исходного шиповидного белка. Возможно, активность данных сайтов способствовала тяжелому течению заболевания. — Pathogen-sugar interactions revealed by universal saturation transfer analysis, «Биомолекула»: «Под шипами: омиксные технологии помогают понять молекулярные механизмы патогенности SARS-CoV-2 и SARS-CoV».

Как ооциты хранятся долгие годы

Сохранность ооцитов на протяжении десятилетий от момента возникновения, когда будущая женщина формируется в утробе матери, и до того, как ооцит станет яйцеклеткой и будет оплодотворен — область интереса, в которой многое остается неизвестным. Почему по достижении определенного возраста качество яйцеклеток снижается и в чем причина многих проблем женской фертильности?

Отмечено, что активные формы кислорода (побочный продукт митохондрий) связаны с низкими показателями оплодотворения и выживаемости эмбрионов. Ооциты избегают активных форм кислорода за счет ремоделирования митохондриальной цепи переноса электронов, приводящим к устранению комплекса I. У совсем «молоденьких» ооцитов уровень комплекса I значительно снижен. Данное открытие позволяет понять почему пациенты с наследственными митохондриальными заболеваниями, связанными с комплексом I, реже сталкиваются с проблемами фертильности. Подавление комплекса I представляет собой консервативный механизм, обеспечивающий сохранность ооцитов на протяжении времени. — Oocytes maintain ROS-free mitochondrial metabolism by suppressing complex I, «Биомолекула»: «Зачем клетки стареют».

Эволюция и этология

Возможно, теплокровные животные возникли позже, чем предпологалось ранее

Ранее проведенный анализ окаменелостей позволил предположить, что эндотермия возникла от 145 до 66 миллионов лет назад. Такая оценка примерна, и время от времени на основе новых подходов возникают другие. Так, предполагается, что форма и размер костных каналов внутреннего уха могут использоваться в качестве показателя температуры тела. То есть, при повышении температуры тела животные становились более активными, форма ушных каналов изменялась для возможности проведения жидкости другой консистенции. Анализ структуры внутреннего уха и физиологии 50 живых позвоночных, включая рептилий, рыб, птиц и млекопитающих, позволил разработать индекс термоподвижности: в его основе — форма внутреннего уха и размер тела. По результатам работы сделан вывод, что теплокровные животные возникли в позднем триасовом периоде, который длился от 237 млн до 201 млн лет назад. — Ear fossils hint at origin of warm-blooded mammals, Inner ear biomechanics reveals a Late Triassic origin for mammalian endothermy.

В защиту каннибализма

Каннибализм, характерный для ряда видов, приводит к уменьшению численности популяций и их оздоровлению. У беспозвоночных гормон октопамин, а у позвоночных — адреналин — отвечают за рост случаев каннибализма. Если условия меняются: пищи мало, особей много, то уровень этих гормонов возрастает, и «голодные» существа начинают атаковать всех подряд. Так, некоторые личинки тигровых саламандр и лопатоногих жаб, когда пруд переполнен, набирают массу и отращивают челюсти, усеянные псевдоклыками для того, чтобы проредить ряды братьев и сестер. Подобные морфы для каннибализма есть у клещей, рыб и плодовых мушек. У тростниковых жаб уязвимые личинки, пока каннибалы-сородичи отдыхают, быстро растут и становятся слишком большими, чтобы их можно было съесть. — Pathways to the density-dependent expression of cannibalism, and consequences for regulated population dynamics, Why some animals turn cannibal.

Экология

Мезозойская и кайнозойская — самые благоприятные для жизни эры

Изучая окаменелости морских беспозвоночных, ученые ведут споры о том, существуют ли пределы глобального разнообразия в море. С точки зрения экологии, заполнение экологических ниш ограничит разнообразие. Тем не менее, неизвестно, как именно ограничивался рост биоразнообразия по мере заселения планеты жизнью и при дальнейшем ее существовании. Новая модель региональной диверсификации воспроизводит основные тенденции фанерозойского эона в глобальном разнообразии морских беспозвоночных после массовых вымираний. Согласно этой модели, менее 2% водной среды на протяжении фанерозоя демонстрируют уровни разнообразия, приближающиеся к экологическому насыщению. Общее увеличение глобального разнообразия отмечено в позднемезозойскую и кайнозойскую эры. Благоприятствующим фактором стали стабильные условия существования. — Post-extinction recovery of the Phanerozoic oceans and biodiversity hotspots.