Дайджест вышел при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках инициативы «Десятилетие науки и технологий».

---

Министерство образования России активно содействует популяризации науки, поддерживает молодых исследователей и формирует передовую инфраструктуру для отечественных институтов и университетов.

---

«Десятилетие науки и технологий» — это масштабная государственная инициатива в России, проводимая с 2022 по 2031 год. Проект включает в себя комплекс инициатив, проектов и мероприятий. Все они направлены на усиление роли науки и технологий в решении важнейших задач развития общества и страны.

Нейронауки

Маленький скачок для мыши, но гигантский — для всего человечества

Астронавты миссии «Аполлон-17» предпочитали передвигаться по Луне прыжками, а не бежать или ходить. Ученые заинтересовались, почему в условиях гипогравитации — на Луне гравитация слабее в шесть раз, чем на Земле — организм переключается на подобную форму перемещения и какие механизмы контролируют этот процесс? Они провели серию экспериментов, в которых иммитировали гравитацию Луны. На первом этапе участниками стали люди, которых подвешивали на эластичных тросах над беговой дорожкой и предлагали идти, бежать или скакать. Последнее, по своей сути, оказалось «реорганизованным» бегом: во время скачка сокращались те же группы мышц, что и при беге, но с иным временным интервалом.

Эксперимент повторили с мышами, которым устроили своеобразный банджи-джампинг над беговой дорожкой адекватного размера. В подвешенном состоянии грызуны спонтанно переходили на скачкообразные движения, напоминающие таковые у посетивших Луну астронавтов. После того, как при помощи токсина «вывели из строя» мышиные проприоцепторы — сенсорные нейроны, расположенные в опорно-двигательном аппарате и сигнализирующие мозгу о положении частей тела — животные перестали совершать прыжки, сохранив способность ходить и бегать. Таким образом, для двигательного контроля, который обеспечивает адаптацию к новым условиям, включая гипогравитацию, необходима информация о положении тела, что, по мнению авторов, удалось показать в ходе работы.

Рассуждая о преимуществе скачкообразного перемещения при слабой гравитации, ученые предположили, оно может быть «компромиссом между скоростью и устойчивостью». В отличие от бега, для движения вприпрыжку характерна фаза, когда обе ноги одновременно касаются поверхности — она обеспечивает дополнительную устойчивость на рыхлом и неровном лунном грунте, что согласуется с оценкой участников «Аполлона-17». — Bungee-jumping mice may reveal why astronauts skip on the Moon, Hypogravity reveals a proprioception-dependent mechanism for locomotor state expression, «Биомолекула»: «Пациентом по галактике: как долгий космический перелет повлияет на наше здоровье?».

Древняя ДНК

Тайны Медичи: кто убил Франческо?

Споры о причинах смерти Франческо I Медичи не утихают до сих пор. Известно, что в 1857 году великий герцог Тосканы вместе с женой приехали в загородный дом его брата Фердинандо, после чего правящая чета скоропостижно скончалась. Доктора того времени считали, что супругов погубила малярия, молва же приписывала их смерть Фердинандо, унаследовавшему престол после смерти брата. Авторы нового исследования проверили, насколько состоятельна версия о малярии, с помощью анализа древней ДНК.

Следует отметить, для могущественной династии Медичи болезнь оказалась не менее опасным врагом, чем политические заговоры. В 1562 году малярия унесла жизни матери и двух братьев Франческо, включая кардинала Джованни Медичи. Ученые извлекли генетический материал из ребер Франческо и Джованни и сравнили с образцами останков из Европы, Азии и Америки, зараженных малярийным плазмодием (возбудителем малярии). В тканях Франческо исследователи обнаружили митохондриальную ДНК двух видов плазмодиев — Plasmodium falciparum и P. malariae. В останках Джованни они нашли ранее неизвестный штамм P. falciparum с двумя новыми мутациями. Он оказался родственен линиям из Италии, Австрии, Испании, Тайваня и даже Кариб, что, по мнению исследователей, могло указывать на генетическое изменение возбудителя по мере его распространения в разные уголки света.

Хотя ученые подтвердили факт заражения Франческо Медичи малярией, наличие инфекции еще не означает, что именно она привела к гибели. Результаты вскрытия тела правителя и его жены и токсикологическая экспертиза тканей, выполненные ранее, не исключили отравление мышьяком. Вероятно, истина где-то посередине: сочетание факторов — действие яда на ослабленный малярией организм — могли ускорить кончину герцога. — Ancient DNA solves Medici murder mystery, Ancient DNA analyses of remains of the Medici family (16th century) provide insights into the genetic variation of Plasmodium falciparum, «Биомолекула»: «Древняя ДНК: привет из прошлого».

Технологии

ИИ затачивает «генетические ножницы» CRISPR-Cas

Искусственный интеллект позволил создать синтетические CRISPR-нуклеазы, превосходящие природные по эффективности редактирования генома. Исследователи под руководством Дженнифер Дудны, лауреата Нобелевской премии по химии 2020 года, сосредоточились на получении синтетической версии нуклеаз TnpB — эволюционных предшественников широко используемой CRISPR-нуклеазы Cas12.

Коллектив был заинтригован тем, насколько сильно они смогут изменить структуру ферментов, не нарушив их способность к редактированию. Ученые применили две ИИ-модели. Первая провела обратный фолдинг: получив на входе финальную трехмерную структуру TnpB, она предлагала варианты изменений в ее аминокислотной последовательности с сохранением итоговой формы. Вторая модель, обученная на данных лабораторных экспериментов, оценивала функциональную активность кандидатов.

Аминокислотная последовательность некоторых полученных нуклеаз существенно отличалась от таковой у природного аналога — различия могли достигать 30%. Тем не менее, синтетические ферменты оказались вполне рабочими как в бактериальных, так и эукариотических, в том числе человеческих, клетках. Причем некоторые из созданных нуклеаз редактировали геном эффективнее природных аналогов. — Structure and evolution-guided design of minimal RNA-guided nucleases, CRISPR gets a power boost from AI-designed ‘molecular scissors’, «Биомолекула»: «Просто о сложном: CRISPR/Cas», «От структуры к функции: революция ИИ в белковом дизайне».

Питание

Кетогенная диета небезопасна при полипозе кишечника

Рационы с большим содержанием жиров могут провоцировать ожирение и, наоборот, способствовать снижению веса. В первом случае питание стимулирует развитие кишечных опухолей, в то время как о втором известно гораздо меньше. Например, мало изучены риски новообразований при кетогенной диете, когда высокое потребление жиров сочетается с сокращением углеводов, и основным источником энергии вместо глюкозы становятся жиры и образующиеся из них кетоновые тела.

Подобная информация была бы особенно полезна для пациентов с семейным аденоматозным полипозом — наследственным заболеванием с чрезмерным образованием полипов (аденом) на слизистой оболочке толстого кишечника. Воссоздав недуг у мышей, ученые установили, что кетодиета ускоряла опухолевый рост и сокращала жизнь грызунов. Причем окисление жиров, точнее, их компонента — жирных кислот, а не образование кетоновых тел, оказалось «осью зла». Попытки усилить или ослабить синтез и распад кетонов не повлияли на течение патологии, тогда как «отключение» регуляторов липидного обмена (рецепторов PPARα/δ/γ, фермента CPT1A) ослабило рост полипов.

Таким образом, канцерогенный эффект кетодиеты связан не с накоплением жира, а его расщеплением, иными словами, использованием в качестве энергетического субстрата для формирования кишечных полипов. Авторы работы подчеркнули, что измененные рационы питания вроде кетодиеты не следует рассматривать как универсальный инструмент профилактики рака, особенно для носителей специфических генетических мутаций — в их отношении вопрос питания требует индивидуального и скрупулезного подхода. — Ketogenic diet mediates intestinal tumorigenesis through lipids not ketones, «Биомолекула»: «Рацион опухолевых клеток, или роль питания в терапии рака».

Что изменится, если человечество перейдет на здоровое питание?

Продовольственные системы осуществляют производство (сельское хозяйство), хранение, транспортировку, потребление продуктов питания и утилизацию отходов. На текущий момент их деятельность наносит серьезный урон экологии планеты (в частности, нарушает планетарные границы) и формирует рацион, который все чаще становится причиной хронических заболеваний. Рост населения и благосостояния усугубит эти проблемы, если не предпринять мер. Поэтому в научном и политическом сообществе активно обсуждается переход к здоровому питанию. Однако как такая трансформация отразится на сельском хозяйстве в глобальном масштабе, изучено недостаточно.

В рамках нового исследования ученые рассмотрели сценарий, в котором человечество массово переходит на диету EAT—Lancet (упор на потребление растительной пищи и сокращение мяса), повышает производительность сельского хозяйства и вдвое сокращает пищевые отходы. Его последствия авторы спрогнозировали при помощи десяти экономических моделей. Согласно результатам анализа, к 2050 году сельское хозяйство ожидает глобальная перестройка. По сравнению с 2020 годом, площадь сельскохозяйственных земель может сократиться в среднем на 6% (хотя отдельные модели предсказали незначительный прирост в 1%). Общий объем производства, вероятно, снизится. Но главные изменения затронут животноводство: из-за низкого спроса и снижения цен для производителей этой отрасли денежная стоимость всего производимого в мире мяса, молока и яиц упадет на 49–83%, по оценкам разных моделей. Зато стоимость производства растительных продуктов в среднем вырастет, компенсируя потери от производства и продажи животной продукции.

Конечно, представленные цифры могут сильно отличаться, в зависимости от реализации политиками рассмотренного в работе сценария на практике. Авторы рекомендуют властям активнее включаться в процесс, поскольку выгоды от такой трансформации очевидны — здоровье населения и снижение нагрузки на планету. — Food systems transformation would reshape global agriculture.

Старение

Путь к замедлению старения пролегает через макрофаги

С возрастом в тканях накапливаются поврежденные и стареющие (сенесцентные) клетки, в том числе нейтрофилы, выделяющие токсичные молекулы и вызывающие хроническое воспаление. Тканевые макрофаги, которые в норме успешно утилизируют этот «клеточный мусор», все хуже справляются со своей функцией. Однако, как сообщает статья в Science, изменения в макрофагах, как и старение органов, могут быть обратимы.

Авторы обнаружили, что с возрастом простагландин Е2 активирует соответствующий рецептор на поверхности макрофагов мышей. Активация этого сигнального пути нарушила митохондриальное дыхание иммунных клеток, иными словами, лишила их энергии. «Обессиленные» макрофаги не распознавали и не уничтожали сенесцентные нейтрофилы, стимулирующие воспаление тканей. Схожую картину ученые наблюдали при анализе человеческих образцов, полученных посмертно. Затем исследователи генетически или фармакологически заблокировали передачу сигналов простагландина Е2 через его рецептор у мышей, что восстановило функции макрофагов. Пожилые грызуны словно помолодели: их когнитивные способности, функция сердца и скелетных мышц улучшились, благодаря чему животные стали крепче.

Поскольку нарушение работы макрофагов можно скорректировать, это открывает перспективы для создания в будущем нового класса препаратов, продлевающих здоровое долголетие человека. — Restored clearance of senescent neutrophils by tissue-resident macrophages limits organ aging, «Биомолекула»: «Старение и долголетие», «В объятиях Железной Няньки», «Зачем клетки стареют».

Зоология

Химия власти: как голые землекопы управляют колонией

Общественные насекомые — пчелы, муравьи, термиты — живут по принципу «одна королева, остальные самки — рабочие особи или солдаты». Среди млекопитающих такой жизненный уклад встречается редко, например, у голых землекопов Heterocephalus glaber. В их колониях размножается только одна самка-королева, а остальные — подчиняются строгой иерархии. Как именно королева подавляет репродуктивную функцию сородичей, долгое время оставалось загадкой. Ответ на нее был найден авторами исследования, результаты которого опубликованы Nature на текущей неделе.

Оказалось, королева выделяет особое химическое вещество — изопропилмиристат. В ее организме этот сложный эфир с низкой летучестью накапливается в больших количествах, тогда как у других самок его практически нет. Структуры обонятельной системы членов колонии улавливают и распознают молекулы феромона, что заставляет потенциальных конкурентов держаться на расстоянии от королевы и отказаться от попыток «свергнуть» ее. Попадая в организм, изопропилмиристат изменяет уровень гормонов пролактина и прогестерона и тем самым блокирует способность к размножению у подчиненных особей, позволяя сохранить существующую иерархию. Роль химических сигналов в коммуникации голых землекопов подтвердили дополнительные опыты. Исскуственное получение животными изопропилмиристата поддерживало мир и покой в колонии, лишенной королевы. После прекращения подачи вещества период спокойствия сменился ожесточенной борьбой «за трон».

Любопытно, что изопропилмиристат был обнаружен у размножающихся самок землекопов рода Fukomys. Более низкие концентрации эфира могли указывать на менее выраженное, в сравнении с голыми землекопами, репродуктивное неравенство. Получается, социальный контроль млекопитающих схож с таковым у общественных насекомых, которые также используют химические сигналы. — A queen odour mediates reproductive suppression in a eusocial mammal, «Биомолекула»: «Голый землекоп и рак: кто кого?».

Эволюция

Резать или дробить — вот в чем вопрос

Эволюционный успех млекопитающих во многом связан с развитием гетеродонтной системы зубов — наличием специализированных зубов (резцов, клыков премоляров и моляров), выполняющих разные функции. Важную роль в эволюции млекопитающих, особенно плотоядных, сыграл трибосфенический моляр, особое строение которого позволяет одновременно разрезать и дробить пищу.

Ученые решили выяснить, насколько млекопитающие овладели функциями столь особенного зуба. Для этого они изучили зубы 250 ныне живущих и вымерших хищных видов, а также провели физические испытания 3D-печатных моделей этих зубов на способность разрезать и дробить. Менее 1% исследованных млекопитающих (циветты) смогли приблизиться к тому, чтобы одинаково хорошо использовать обе функции трибосфенического моляра. Большинство животных пошли по пути предпочтения одной из функций зуба, разделившись на два эволюционных «лагеря»: «лезвий» (кошачьи) и «дробителей» (всеядные представители: медведи, собаки, еноты). Подобная специализация является примером «эволюционного компромисса»: зуб, который эволюционно лучше разрезает плоть, неизбежно теряет в способности перемалывать кости или перетирать мякоть плодов, и наоборот.

Проведенная работа показала, что строение зубов древних млекопитающих способствовало их эволюционному успеху, но, вместе с тем, оно стало и своеобразной ловушкой. Природа «направила» большинство видов по одной из двух дорожек, ограничив возможные направления эволюции зубов на миллионы лет вперед. — Performance trade-offs define a fundamental dental dichotomy in mammals.

Микробиология

Бактерии «сбегают» из биопленки при наступлении голодных времен

Биопленки — это бактериальные сообщества, заключенные в выделенный ими липкий матрикс из полисахаридов и белков. Каждый человек сталкивался с ними, ощущая скользкий налет на зубах, продуктах, трубах или даже камнях в реке. Формирование биопленки повышает устойчивость патогенов к антибиотикам и затрудняет лечение. Авторы статьи в Nature Microbiology рассказали о еще одном механизме выживания в арсенале бактериальных сообществ.

Ученые «морили голодом» крупную биопленку сенной палочки Bacillus subtilis на протяжении 16 часов, ожидая увидеть ее распад. Вопреки предположению экспериментаторов, биопленка выстояла и даже сохранила способность к восстановлению, но ее покинула часть клеток. «Побег с тонущего корабля» протекал организованно: бактерии покидали биопленку по одному и тому же «маршруту», который, как оказалось, им обеспечили сородичи. Центральные клетки активно производили поли-γ-глутаминовую кислоту, y-ПГК (точнее, ферменты ее синтеза) — гидрогель на основе ее молекул впитывал большие количества воды, превышающие его собственную массу. Набухая, гидрогель выталкивал подвижные клетки наружу. «Беглецы» обладали жгутиками и могли уплыть в поисках более благоприятных условий.

Искусственный запуск механизма «побега» в биопленках может стать перспективным способом борьбы даже с самыми антибиотикорезистентными из них. Биопленки из клеток, генетически модифицированных для усиленной выработки гидрогеля из y-ПГК , буквально взрывалась изнутри. — Self-generated hydrogel ejects bacterial cells for localized biofilm dispersion, «Биомолекула»: «Биопленки. Как живется в бактериальных многоэтажках?», «Один в поле не воин: природная антимикробная система эффективнее антибиотика».