Биоинженерия

Батарейка в голове

Человек научился виртуозно работать с энергией, обеспечивать ею огромные машины, города, но придумать батарейку для различных биоинтегрируемых устройств или для передачи энергии клеткам пока что не удавалось. Хотя раньше и пробовали делать источники питания, вдохновившись органом электрического угря, новая разработка гораздо больше подходит для использования в организмах — она очень гибкая, в 105 раз меньше предыдущей модели, и способна хранить энергию 24 часа. Такая «батарейка» успешно стимулирует потоком ионов нейронные сети мышей. Механизм ученые позаимствовали у рыбы: они расположили капли агарозы в следующем порядке: капля с высокой концентрацией соли (NaCl, KCl или СaCl₂), катионселективная капля, капля с низким содержанием соли, анионселективная и еще одна очень соленая капля. При этом ионы не разбегаются сразу по градиентам концентрации, их останавливают бислои липидов между каплями, которые образуются из окружающего геля, но при добавлении маcла, не содержащего липидов, бислои разрушаются, и ионы движутся по цепочкам капель — катионы движутся слева к центральной капле, а анионы справа; ток в данной цепи идет слева направо. Таким образом, устройство размером не более 2000 мкм позволяет модулировать нейронные сети мышей. — A microscale soft ionic power source modulates neuronal network activity, «Биомолекула»: «Вторая жизнь АТФ: от главной батарейки до нейромедиатора».

Биоинформатика

Обоняние у искусственного интеллекта

Нейронные сети уже около года поражают наше воображение своими возможностями, и все это зашло уже куда дальше, чем различать кошек и собак. Недавно нейронную сеть научили нюхать — описывать запах молекул по их химической структуре. Команда ученых поручила ИИ описать ароматы примерно 5000 молекул, используя 55 описательных слов, таких как «рыбный» или «винный». Описания нейросети в основном совпадали с описанием запахов, которые давали 15 добровольцев, использующих такой же «словарь» ароматов. В итоге сеть выявила около 250 корреляций между особенностями структуры химического вещества и определенным запахом. Также любопытно, что она способна называть ароматы несуществующих молекул. Следующим шагом исследователи ставят описание запаха нескольких молекул. Возможно, когда-то такая нейронная сеть сможет помочь парфюмерам в разработке новых ароматов, а биологам — узнать больше о том, как устроено обоняние людей. — AI predicts chemicals’ smells from their structures, «Биомолекула»: «Обоняние: от носа к мозгу, спотыкаясь и падая».

Медицина, технологии

Разрешение на самолечение

Жизнь людей с сахарным диабетом первого типа переполнена постоянным измерением уровня глюкозы. Им нужно постоянно контролировать сахар в крови, подбирать диету, упражнения, следить за приемом инсулина. Даже, казалось бы, удобным инсулиновым помпам, которые могут длительно подавать в кровь инсулин, нужно часто настраивать дозировки. Инициативная группа больных устала ждать, когда крупные компании придумают для них что-то более удобное, и сделала программное обеспечение, которое автоматически корректирует дозы инсулина, которые подает помпа. Программа анализирует изменения уровня глюкозы, которые замеряет система CGM (датчик, непрерывно измеряющий уровень глюкозы в крови). Это программное обеспечение можно устанавливать на смартфон, компьютер, умные часы. Но все это сделали не компании и не исследовательские центры, поэтому эта технология не была одобрена до недавнего времени, хотя ее и использовало довольно много людей. Теперь же FDA, после множества проверок и исследований, официально одобрила использование Tidepool Loop больными диабетом первого типа. Вероятно, что после такого одобрения больше производителей будут делать инсулиновые помпы с системами CGM, совместимыми с приложением, чтобы облегчить жизнь большего количества пациентов. — A DIY ‘bionic pancreas’ is changing diabetes care — what's next?, «Биомолекула»: «Сахарный диабет I типа, или Охота на поджелудочную железу», «„Большой брат следит за тобой“, или Как развитие технологий меняет нашу жизнь».

Нейробиология

Регуляция аппетита гиппокампом

В последнее время проблема ожирения в мире только растет, но и знания о механизмах его возникновения тоже накапливаются. При этом обнаруживаются необычные зависимости: так, многие слышали о влиянии микробиоты на метаболизм. В Nature опубликовали статью с описанием связи сети в гиппокампе, отвечающей за стимуляцию аппетита и ожирения, расстройств пищевого поведения. Ранее уже было известно, что определенные нейроны гипоталамуса и гиппокампа вырабатывают меланин-концентрирующий гормон, который стимулирует аппетит. Сейчас стало точнее известно, какие конкретно области участвуют в данной регуляции и как именно. В эксперименте людям с проблемами пищевого поведения показывали картинки с разной пищей: со сладкой и жирной и с нейтральной; в процессе этого измеряли активность нейронов в районе гиппокампа. Оказалось, что при демонстрации сладкой и жирной пищи в дорсолатеральном гиппокампе возникали специфические низкочастотные волны. Они не наблюдались при демонстрации нейтральной пищи и не возникали в других областях, которые в качестве контроля проверили исследователи (недорсолатеральные контакты гиппокампа, зрительные области — затылочная, средневисочная). Исследователи использовали ряд различных методов: МР-трактографию, 3D-гистологию и внутречерепную электрофизиологию, чтобы подробнее описать эту сеть в гиппокампе, а также закономерности в ее активности. — An orexigenic subnetwork within the human hippocampus, «Биомолекула»: «Почему так сложно похудеть, или Влияние кишечной микробиоты на метаболизм», «Добавки не будет: голодание продлевает мышам жизнь. А что насчет людей?».

Структурная биология

Не тетрамерные TRP каналы, а пентамерные

TRP-каналы — огромное семейство ионных каналов, которые обычно располагаются в цитоплазме эукариотических клеток. Многие из них передают различные ощущения, такие как боль, температура, вкус, давление и зрение; именно их активация ментолом дает нам почувствовать ощущение холода от жвачки. Это семейство белков изучено довольно хорошо из-за распространенности и множества функций, которые делают их интересными мишенями для лекарств. Тем не менее, у них есть свои загадки: например, до сих пор неясно, почему и как длительная активация каналов приводит к расширению их пор и повышению проницаемости. Недавнее исследование, опубликованное в Nature, показывает, что именно стоит подробнее узнать об этих белках, чтобы понять, из-за чего изменяется размер их пор. Используя высокоскоростную атомно-силовую микроскопию (HS-AFM) для анализа белка TRPV3, ученые обнаружили пентамерное состояние, хотя ранее считалось, что такие белки существуют только в тетрамерном состоянии. Пентамерное состояние оказалось обратимым, но оно возникало чаще при добавлении дифенилборонового ангидрида (DPBA), который, помимо всего прочего, запускает расширение пор TRPV3. Исследователи предполагают, что пентамерная форма и феномен расширения пор могут быть связаны, поэтому стоит больше узнать об этой новой форме. — Не тетрамерные TRP каналы, а пентамерные, «Биомолекула»: «„Мятный холодок“: почему ментол создаёт ощущение прохлады во рту».

Экология

Тепло не виновато

Последние 10 лет волны морской жары (marine heatwaves) считали крайне негативным экологическим явлением. Оно характеризуется резким повышением температуры в океане, которое длится не менее пяти дней. Масло в огонь подливало еще и то, что в связи с глобальным потеплением это явление стали фиксировать чаще. Но недавнее исследование выносит утверждение об огромном вреде этого явления под сомнение. Ученые разобрали 248 случаев волн морской жары на морском дне с 1993 по 2019 год в экосистемах континентального шельфа в Северной Америке и Европе; в процессе удалось проанализировать 82 322 улова, сделанных в этих районах в разное время. Исследователи показали, что хоть резкое снижение численности рыб и случается после волн морской жары, это скорее исключение, чем правило. По полученным данным, волны морской жары не оказывают значимого влияния на численность обитателей экосистем и на состав экосистемы. Не было обнаружено даже ожидаемого прироста видов, связанных с теплом, или исчезновения видов, связанных с холодом. — Marine heatwaves are not a dominant driver of change in demersal fishes.

Молекулярная биология

Контроль над ЛПНП

Аполипопротеин B (apoB) — белок, переносящий липиды и холестерин. Он способствует деградации липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) в печени, но в большом количестве apoB, связанный с холестерином, способствует возникновению атеросклероза. Ранее было замечено, что чем больше apoB, связанных с холестерином, тем меньше другого белка — тканевого активатора плазминогена (tPA), белка-антикоагулянта, превращающего плазминоген в плазмин, который разрушает фибрин, а значит, и тромбы. Но почему существует такая обратная корреляция, известно не было. Оказалось, что это не случайно, и tPA связывается с apoB и не дает ему загрузиться липидами. Белок же, подавляющий tPA, не позволяет им связаться — и тем самым стимулирует связь аполипопротеина B с холестерином. Причем эти процессы происходят в месте синтеза обоих белков — в гепатоцитах, клетках печени. — Intracellular tPA–PAI-1 interaction determines VLDL assembly in hepatocytes, «Биомолекула»: «Хороший, плохой, злой холестерин», «Лечебный аферез против аферы холестерина и его подельников».

Где верх, где низ — молекулярные механизмы гравиотропизма

Растения определяют, что корням нужно расти вниз, а побегу — вверх, при помощи специальных клеток — статоцитов, в которых много статолитов — крахмальных зерен. Под действием силы тяжести зерна скапливаются внизу клетки; так и определяется ориентация растения в пространстве. Но как именно механические сигналы переходят в молекулярные, не было понятно. Ученые показали, что в этом процессе важную роль играют белки семейства LAZY1-LIKE. Они расположены на проксимальном конце крахмальных зерен, а значит, при оседании зерен под действием силы тяжести эти белки будут расположены полярно. Предполагается, что LAZY1-LIKE могут передавать сигналы о положении крахмальных зерен другим белкам при перемещении на плазматическую мембрану. — Cell polarity linked to gravity sensing is generated by LZY translocation from statoliths to the plasma membrane, «Биомолекула»: «Растения в космосе: инструкция по применению».

Альтернативный путь синтеза триглицеридов

Триглицериды — основной источник запасенной энергии в организме, главные субстраты митохондриального бета-окисления. В результате митохондриального бета-окисления образуется ацетил-КоА, который поступает в знаменитый цикл Кребса. Поэтому нарушения в обмене триглицеридов приводят к различным патологиям — ожирению, сердечно-сосудистым заболеваниям. У людей эти соединения синтезируются из избытка жирных кислот, к которым присоединен кофермент А, с помощью фермента диацилглицерин-О-ацилтрансфераз (DGAT1 и DGAT2). А у животных есть и другие, вспомогательные пути синтеза триглицеридов. Поэтому исследователи из Нидерландов решили выяснить, нет ли альтернативных путей синтеза и у человека. Они нокаутировали гены ферментов DGAT у гаплоидных клеток и обнаружили белок DIESL и его регулятор TMX1. DIESL оказался способен к автономному синтезу триглицеридов, а в отсутствие TMX1 он вообще безостановочно заполоняет клетки липидными каплями. Так ученые нашли альтернативный путь синтеза триглицеридов у человека. В своей работе они также рассмотрели, в каких ситуациях клетка выбирает путь синтеза с DIESL, а в каких — с DGAT, и провели множество экспериментов на мышах. Сейчас при различных метаболических патологиях в качестве мишени рассматривают DGAT, но в некоторых ситуациях, возможно, стоит обратить внимание на DIESL. — Identification of an alternative triglyceride biosynthesis pathway.

Запуск трансляции в митохондриях растений

Митохондрии рассматривают как органеллы, полученные эукариотами от бактерий путем эндосимбиоза. Они сохраняют некоторую автономность внутри клетки и некоторые белки синтезируют себе сами, на своих миторибосомах. Как именно это происходит в растениях, да и у других эукариот, не очень понятно. Особенно интересно, как начинается трансляция? У бактерий рибосомы узнают последовательность Шайна—Дальгарно на мРНК, но в митохондриях растений похожей последовательности на мРНК не замечали. Однако теперь ученым известно гораздо больше об инициации трансляции на миторибосомах. Исследователи нашли в составе митохондриальной мРНК арабидопсиса консервативные участки, богатые нуклеотидами A и U, а в миторибосомах — белки mTRAN, которые оказались способными связывать такие последовательности. Кроме того растения, у которых не функционировали или плохо работали mTRAN, наблюдалось снижение синтеза митохондриальных белков и роста вплоть до гибели эмбрионов. Ученые сделали вывод, что белки mTRAN играют не последнюю роль в инициации трансляции у растений. — An mTRAN-mRNA interaction mediates mitochondrial translation initiation in plants, «Биомолекула»: «Внимание! Разыскивается предок митохондрий!», «Тайная жизнь митохондрий».

Генетика

Скорость мутаций у усатых китов

Скорость мутаций у определенных видов во многом определяет процесс эволюции, что дает лучшее понимание о развитии вида и размерах популяций. Но для диких видов, которые долго живут и которых трудно держать в неволе, скорость мутаций определить очень сложно. Суарес-Менендес и его команда использовали последовательности геномов троек родителей и потомков для оценки скорости точечных мутаций от одного поколения к другому у четырех видов усатых китов Северной Атлантики: горбатых, синих, финвалов и гренландских китов. Полученные данные отличаются от рассчитанных при помощи филогенетического подхода. Новая скорость мутаций выше, чем предполагалась, и примерно равна скорости мутаций у приматов. Старая, низкая скорость мутаций объясняла редкость рака у китов, новая же отметает эту гипотезу и предлагает по-другому посмотреть на процесс их эволюции. — Wild pedigrees inform mutation rates and historic abundance in baleen whales, «Биомолекула»: «Почему киты — это не рыбы».

Археология

Вымирание предков

Генетический анализ предполагает, что 900 000 лет назад произошла катастрофа древней человеческой популяции. Примерно тогда происходили сильные климатические изменения, в мире становилось холоднее. Археологических находок, соответствующих тому периоду, довольно мало, а из сохранившихся очень трудно или невозможно выделить ДНК, поэтому неизвестно, что происходило в то время с человеком и каким было население. Ученые использовали новый метод анализа под названием FitCoal, чтобы оценить размер популяций в определенные моменты прошлого, анализируя данные более чем 3000 геномов современных людей. Данный сложный математический инструмент оценивает текущие генетические вариации человека и «проецирует» их назад во времени, поскольку они были получены нами от предков. Результаты показывают, что наши предки пострадали от серьезного демографического кризиса, который начался около 930 000 лет назад и длился почти 120 000 лет. По оценкам, это привело к сокращению числа размножающихся особей примерно до 1300, что поставило наших предков на грань исчезновения. — Genomic inference of a severe human bottleneck during the Early to Middle Pleistocene transition.