Подписаться
Оглавление

Содержание

  1. Новые технологии в медицине и биологии
    1. ИИ — лучший друг врачей
    2. «Умная крона» растений для повышения урожайности
    3. Новая система обучения экзоскелетов
    4. Выявить на одноцепочечной стадии
    5. AlphaFold 3 — новое слово в белковом моделировании
  2. Структурка
    1. NRC2 — важное звено иммунитета растений
  3. Иммунология
    1. Взаимодействие иммунных клеток — двигатель эволюции
    2. Двойная роль IL-23
    3. Ожирение и иммунотерапия — неожиданная связь
  4. Молекулярка
    1. Что движет мигрирующими клетками?
  5. Геномика
    1. Биомолекулярные следы малярии в истории человечества
    2. Изучение мутагенеза с разрешением одной цепи
    3. Генетические факторы мозаичной потери X-хромосомы
  6. Зоология
    1. Секрет полета
  7. Физиология
    1. Потеря сна влияет на функцию гиппокампа
    2. Надежда на избавление от симптома поликистозных яичников
    3. Здоровая регенерация печени зависит от митохондрий
  8. Генная терапия
    1. Преодолевая гематоэнцефалический барьер
    2. Внутривенный путь в легкие
  9. Микробиология
    1. Как бактерии устраняют конкурентов
Биомолекула

SciNat за июнь 2024 #3: как бактерии устраняют конкурентов, в чем преимущества AlphaFold 3 и неожиданная связь ожирения и иммунотерапии

SciNat за июнь 2024 #3: как бактерии устраняют конкурентов, в чем преимущества AlphaFold 3 и неожиданная связь ожирения и иммунотерапии

  • 222
  • 0,0
  • 1
  • 1
Добавить в избранное print
Дайджест

Новости из мира науки на стыке с искусственным интеллектом (ИИ) занимают весомую часть выпусков Science и Nature. Обложка нового выпуска Nature как раз посвящена одной из них — созданию обновленного инструмента для моделирования белков и их взаимодействий с биомолекулами — AlphaFold 3. Подробнее обо всех улучшениях AlphaFold можно прочитать в Nature и, конечно же, в нашем воскресном дайджесте. — Accurate structure prediction of biomolecular interactions with AlphaFold 3.

Новые летние выпуски крупнейших научных журналов Science и Nature радуют большим количеством новостей из мира медицины, новых терапевтических подходов и технологий. Так, например, была разработана система обучения экзоскелета, которая теперь позволит обойтись без длительного участия в обучении человека. На этом успехи искусственного интеллекта, о которых рассказывает новый выпуск Nature, не заканчиваются: новый мультимодальный помощник PathChat теперь будет помогать человеку в диагностике патологии. А в свежем выпуске Science можно прочитать о последних новостях генной терапии — новых методах доставки терапевтических молекул с помощью липидных наночастиц, введенных внутривенно, и оптимизированного аденоассоциированного вектора. А обо всех интересных исследованиях можно узнать в нашем воскресном дайджесте!

Новые технологии в медицине и биологии

ИИ — лучший друг врачей

Область вычислислительных методов для распознавания патологии сейчас активно развивается, и специалисты все чаще обращаются к помощи искусственного интеллекта (ИИ) в медицине. Несмотря на взрывной рост ИИ, по прежнему существует необходимость в разработке специальных помощников, — систем, позволяющих различными способами взаимодействовать с людьми, или мультимодальных помощников, и со-пилотов, работающих совместно с человеком и другими системами, адаптированными к работе с патологиями. В исследовании, опубликованном в Nature, представлен PathChat — ИИ-помощник в медицине. PathChat сравнили с несколькими распространенными мультимодальными помощниками на языке GPT4V (который, кстати, лежит в основе ChatGPT-4). PathChat продемонстрировал более точные и предпочтительные для специалистов ответы на разнообразные вопросы, связанные с патологией. — A Multimodal Generative AI Copilot for Human Pathology, «Биомолекула»: «Искусственный интеллект в биологии».

«Умная крона» растений для повышения урожайности

Увеличивая плотность посадки кукурузы, необходимо помнить о том, что при высокой плотности соседние растения могут затенять друг друга и затруднять проникновение солнечного света в крону, и, следовательно, уменьшать урожайность. Ученые изучили архитектуру листьев у естественного мутанта lac1, избегающего проблемы затененности. Исследование показало, что мутант lac1, обладающий вертикальными верхними листьями, менее прямостоячими средними листьями и относительно плоскими нижними листьями, вырабатывает фитогормон, регулирующий угол верхних листьев. Однако в условиях затененности, например, при густой посадке, выработка этого фитогормона снижается, что позволяет улучшать фотосинтетическую способность растений урожайность. — Maize smart-canopy architecture enhances yield at high densities.

Новая система обучения экзоскелетов

Экзоскелеты обладают огромным потенциалом в медицине, однако их разработка ограничивается необходимостью длительного испытания на людях. В исследовании, опубликованном в Nature, рассказывается про неэкспериментальную систему обучения, позволяющую преодолеть разрыв между симуляцией и реальностью без участия пациента. Эксперимент показал, что контроллер, созданный с использованием данного метода, позволяет уменьшить энергозатраты при ходьбе, беге и подъеме по лестнице на 24,3%, 13,1% и 15,4%, соответственно. Этот подход может стать эффективной стратегией для быстрого развития и широкого распространения различных ассистивных роботов для людей с ограниченными возможностями передвижения. — Experiment-free exoskeleton assistance via learning in simulation, «Биомолекула»: «Нейроинтерфейсы: как наука ставит людей на ноги».

Выявить на одноцепочечной стадии

Мутации накапливаются в геноме каждой клетки организма на протяжении жизни, что вызывает рак и другие заболевания. Большинство мутаций начинаются со стадии однонуклеотидных несовпадений или повреждения в одной из двух цепей ДНК, прежде чем становятся двухцепочечными мутациями, если не будут исправлены. Ученые разработали метод секвенирования (HiDEF-seq), позволяющий достигать точности определения мутаций на уровне одной молекулы для замен баз при наличии их как в одной, так и в обеих цепях ДНК. Исследование позволило выявить соответствие между одноцепочечными мутациями и известными двухцепочечными мутационными событиями. Также было обнаружено инициирующее повреждение для APOBEC3A. Этот подход позволяет изучать, как возникают мутации в различных контекстах. — DNA mismatch and damage patterns revealed by single-molecule sequencing.

AlphaFold 3 — новое слово в белковом моделировании

Появление AlphaFold 2 произвело революцию в моделировании белков и их взаимодействий. И вот, в новом выпуске Nature, команды Google DeepMind и Isomorphic Labs представли обновленный AlphaFold 3, который теперь может моделировать не только белок-белковые взаимодействия, но и взаимодействия с другими биологическими молекулами. Благодаря алгоритмам глубокого машинного обучения, новая модель AlphaFold демонстрирует существенно повышенную точность по сравнению со многими предыдущими специализированными инструментами. — Accurate structure prediction of biomolecular interactions with AlphaFold 3, «Биомолекула»: «Белковые галлюцинации: как справляется AlphaFold?».

Структурка

NRC2 — важное звено иммунитета растений

Белок NRC2 играет ключевую роль в иммунитете растений, а его избыточный синтез может привести к непреднамеренному аутоиммунитету. NRC2 синтезируется клетками растений в больших количествах, однако, в норме он находится в неактивном состоянии. Механизмы ингибирования и активации NRC2 изучены более подробно в исследовании, результаты которого были опубликованы в Nature. Оказывается, белок NRC2 образует димеры, тетрамеры и олигомеры. Димеризация и олигомеризация не только стабилизируют неактивное состояние, но и удерживают NRC2 от образования активной формы. Более того, обнаружено, что молекулы пента- и гексафосфат инозитола связываются с внутренней поверхностью домена NRC2 и, судя по всему, являются кофакторами NRC. — Oligomerization-mediated autoinhibition and cofactor binding of a plant NLR.

Иммунология

Взаимодействие иммунных клеток — двигатель эволюции

Важным фактором для эволюции путем естественного отбора является наличие разнообразия среди особей в признаках, влияющих на приспособленность. Иммунная система млекопитающих эволюционирует очень быстро, и новое исследование, опубликованное в Nature, проливает свет на источники изменчивости в иммунных признаках. Так, важным фактором эволюционной способности иммунной системы является ее организация в виде так называемых взаимодействующих «модулей», представленных различными типами иммунных клеток. При этом гены, связанные с частотой определенного типа клеток, могут оказывать влияние на другой тип клеток. При этом такие гены подвергаются более слабому отрицательному отбору, что увеличивает устойчивость и, следовательно, эволюционную способность иммунной системы. — Interactions between immune cell types facilitate the evolution of immune traits.

Двойная роль IL-23

IL-23 играет важную роль в хронических воспалительных заболеваниях кишечника, который также защищает ткани и поддерживает гомеостаз после инфекции. При этом механизмы, оказывающие как положительное, так и негативное воздействие, до конца не изучены. Исследование, проведенное с использованием РНК-секвенирования, выявило преобладание Т-клеток и ILC3 (лимфоидные клетки врожденного иммунитета 3 типа) с высоким уровнем антигена CTLA-4 в ответ на IL-23. Этот путь активируется микроорганизмами и зависит от FOXO1 и STAT3 путей. Мыши без CTLA-4 на ILC3 имели больше воспалительных Т-клеток и более тяжелое воспаление кишечника. Эти результаты показывают, что CTLA-4 в ILC3 ограничивает патологические последствия IL-23, а его нарушение может способствовать хроническому воспалению кишечника. — CTLA-4-expressing ILC3s restrain interleukin-23-mediated inflammation.

Ожирение и иммунотерапия — неожиданная связь

Ожирение — один из ведущих факторов риска для прогрессирования и метастазирования многих видов рака, но в некоторых случаях может улучшать выживаемость и реакцию на иммунотерапию, блокирующую иммунные контрольные точки, например, рецептор PD-1, ингибирующий иммунные клетки. Исследование показало, что ожирение селективно повышает экспрессию PD-1 на опухолевых ассоциированных макрофагах (ТАМ), что при блокаде рецептора, в свою очередь, повышает активность Т-клеток, что улучшает ответ на иммунотерапию PD-1. — Obesity induces PD-1 on macrophages to suppress anti-tumour immunity, «Биомолекула»: «Иммунотерапия рака и молекулярная онкология — новинки на переднем крае науки».

Молекулярка

Что движет мигрирующими клетками?

Направленная миграция клеток в нашем организме происходит из-за поляризации внутриклеточных сигналов в самой клетке между ее передней и задней частями. Мы можем себе представить, почему эта поляризация существует: рецепторные тирозинкиназы и другие сигналы вызывают выпячивание мембраны на передней части клетки. Важен также механизм ингибирования, который подавляет сходные процессы на задней части клетки, чтобы предотвратить образование нескольких передних частей. О том, как происходит этот процесс, рассказывает статья, опубликованная в Nature. Исследователи выяснили, что контакты между эндоплазматической сетью (ЭПС) и плазматической мембраной поляризованы. Более того, сама ЭПС поляризована таким образом, что в передней части клетки образует небольшое количество нестабильных контактов с мембраной, а в задней части площадь, количество и стабильность этих контактов увеличивается. Результатом является образование градиента контактов между ЭП и ПМ, который направляет клеточную сигнализацию, контролирует движение клеток и их миграцию. — Endoplasmic reticulum–plasma membrane contact gradients direct cell migration.

Геномика

Биомолекулярные следы малярии в истории человечества

Историю человечества можно изучать не только по учебникам и археологическим раскопкам, но и по некоторым болезням. Исследование геномов простейших рода Plasmodium, вызывающих малярию, показало, что болезнь существовала уже в IV тысячелетии до н.э. Митохондриальные и ядерные геномы также показали, что малярия была распространена на всем Евразийском континенте задолго до письменных источников о ней. Геномный анализ указывает на разные истории распространения малярии в США. Найденные данные о наличии плазмодия в Гималаях добавляют знаний о межкультурных связях в этом регионе примерно три тысячелетия назад. Исследование, опубликованное в Nature, подчеркивает роль культурных контактов в распространении малярии и служит основой для будущих исследований влияния этих паразитов на историю человечества. — Ancient Plasmodium genomes shed light on the history of human malaria, «Биомолекула»: «Малярия. 15 фактов о болотной лихорадке».

Изучение мутагенеза с разрешением одной цепи

Повреждение оснований ДНК — основной источник онкогенных мутаций. В двухцепочечной молекуле ДНК многие процессы для обеих нитей идут ассиметрично: так, репликация и транскрипция требуют участия разных ферментов для цепей. В новом исследовании, опубликованном в Nature, ученые изучили, как асимметричные механизмы формируют толерантность и восстановление повреждений ДНК, тем самым формируя эволюцию ракового генома. Они также выяснили, что на процесс формирования мутаций в большей степени влияет доступность ДНК к репарации, чем само количество повреждений нити. — Strand-resolved mutagenicity of DNA damage and repair.

Генетические факторы мозаичной потери X-хромосомы

Мозаичная потеря X-хромосомы (mLOX) — это заболевание, при котором у некоторых клеток организма отсутствует одна из двух Х-хромосом. Ученые исследовали данные 883 574 участниц из восьми биобанков и установили, что у 12% женщин выявлена мозаичная потеря Х-хромосомы в 2% лейкоцитов, что увеличивает риск развития лейкозов. Генетический анализ выявил 56 частых генетических вариантов, связанных с мозаичной потерей Х-хромосомы, что указывает на участие этих генов в предрасположенности к раку и аутоиммунным заболеваниям. Результаты показывают, что женщины с определенным генотипом предрасположены к мозаичной потере Х-хромосомы, при этом аллельный состав Х-хромосомы, возможно, определяет величину клональной экспансии. — Genetic drivers and cellular selection of female mosaic X chromosome loss, «Биомолекула»: «Геномная головоломка: открой в себе мозаика».

Зоология

Секрет полета

Исследуя строение дыхательной системы птиц, недавно ученые обнаружили субпекторальный дивертикул (SPD) — отросток дыхательных мешков, расположенный между мышцами, отвечающими за взмахи крыла. Исследовав легочный аппарат 68 видов птиц, ученые обнаружили, что SPD присутствует практически у всех изученных видов хищных птиц, способных парить, но отсутствует у непарящих. При этом SPD не является необходимым для дыхания органом, но увеличивает рычаг грудной мышцы, что в сочетании с особым строением грудных мышц адаптирует строение птицы к парящему полету. Это подтверждает, что дыхательная система может быть задействована для механических решений во время полета, что влияет на эволюцию птиц. — The respiratory system influences flight mechanics in soaring birds.

Физиология

Потеря сна влияет на функцию гиппокампа

Исследование, результаты которого можно прочитать в Nature, показало, что потеря сна влияет на функцию гиппокампа, при этом воспроизведение воспоминаний во время фазы острой волновой пульсации гиппокампа (SWR) является ключевым процессом. Ученые изучали активность нейронов в течение 12 часов у крыс в различных состояниях: во время сна, лишения сна и восстановительного сна. Во время лишения сна частота SWR оказалась выше, но их сила была ниже. Реактивация и воспроизведение паттернов возбуждения нейронов уменьшились во время лишения сна, но частично восстановилось после восстановительного сна. Это показывает негативные последствия потери сна на функцию гиппокампа. — Sleep loss diminishes hippocampal reactivation and replay, «Биомолекула»: «Ночь без сна улучшает настроение».

Надежда на избавление от симптома поликистозных яичников

Синдром поликистозных яичников (СПКЯ) — проблема миллионов женщин во всем мире, которая приходит в репродуктивном возрасте и влияет на женское здоровье и возможность забеременеть и выносить ребенка. До настоящего времени терапия данного заболевания включала лишь устранение симптомов. Однако в новом выпуске Science исследователи предлагают новый терапевтический подход: артемизинины, соединения, известные своими противомалярийными свойствами, подавляют синтез андрогенов яичниками, что делает данный метод довольно многообещающим. — Artemisinins ameliorate polycystic ovarian syndrome by mediating LONP1-CYP11A1 interaction, «Биомолекула»: «Прорыв в лечении бесплодия».

Здоровая регенерация печени зависит от митохондрий

Восстановление печени после повреждения требует пролиферации здоровых клеток без деления поврежденных или больных клеток. И ключевую роль в этом процессе, как показало новое исследование, опубликованное в Science, играют митохондрии. При патологических состояниях больные участки печени содержат мутации в митохондриальном геноме, что приводит к дисфункции в электронной транспортной цепи, необходимой для клеточного дыхания. Это не убивает клетки моментально, но делает их менее приспособленными и снижает их возможность к делению. — Metabolic inflexibility promotes mitochondrial health during liver regeneration, «Биомолекула»: «„Резервный“ механизм восстановления печени».

Генная терапия

Преодолевая гематоэнцефалический барьер

Ученые добились значительного прогресса в разработке генной терапии с использованием векторов аденоассоциированного вируса (AAV), однако этот подход до сих пор не работал для лечения заболеваний мозга. Проблема заключается в гематоэнцефалическом барьере (ГЭБ), а точнее, в невозможности его преодоления. Группа исследователей, опубликовавшая свою работу в Science, идентифицировали AAV, специфически направленный на человеческий трансферрин — рецептор, который экспрессируется на ГЭБ. Используя трансгенных мышей, экспрессирующих этот человеческий белок, авторы показали, что их оптимизированный AAV может проникнуть в центральную нервную систему и доставить терапевтически значимый белок. — An AAV capsid reprogrammed to bind human transferrin receptor mediates brain-wide gene delivery, «Биомолекула»: «Время первых: как аде­но­ас­со­ци­и­ро­ван­ные вирусы стали лучшими в доставке генов in vivo».

Внутривенный путь в легкие

Генная терапия муковисцидоза на протяжении долгого времени оставалась трудной задачей: дело в том, что доставка препаратов путем ингаляции неэффективна из-за естественного эпителиального барьера дыхательных путей. В норме этот барьер защищает наши легкие от вдыхаемых частиц и патогенов, однако для более чем 20 клинических испытаний это стало помехой. Группа исследователей в новом выпуске сообщают о внутривенном введении липидных наночастиц (LNP), содержащих инструменты редактирования генома CRISPR, на мышиной модели муковисцидоза — и терапевтически значимый эффект был достигнут. — In vivo editing of lung stem cells for durable gene correction in mice.

Микробиология

Как бактерии устраняют конкурентов

С точки зрения сельского хозяйства чрезвычайно важно понимание факторов, влияющих на распространенность патогенов растений. Действительно, мы мало что знаем, например, о взаимодействии бактериофагов и бактерий в естественной среде. Новая работа, опубликованная в Science, посвящена исследованию бактерии Pseudomonas viridiflava, заражающей арабидопсис. Исследователи выявили кластер вирусных генов, кодирующих белок тайлоцин. Он убивал ряд близкородственных микроорганизмов, но не имел никакого воздействия на неродственных — тех, кого нельзя считать конкурентами. — A phage tail–like bacteriocin suppresses competitors in metapopulations of pathogenic bacteria, «Биомолекула»: «Бактериофаги».

Комментарии