Дайджест новостей из мира биологии за прошедшую неделю

Искусственно выведенные бактерии подают сигналы, которые можно уловить на расстоянии

Бактерии можно генетически изменить так, чтобы они реагировали на различные молекулы, например, загрязняющие вещества или питательные вещества почвы. Однако в большинстве случаев эти сигналы можно обнаружить, только рассматривая клетки под микроскопом, что делает их непрактичными для крупномасштабного использования.

Используя новый метод, который заставляет клетки вырабатывать молекулы, создающие уникальные сочетания цветов, инженеры Массачусетского технологического института показали, что они могут считывать эти бактериальные сигналы на расстоянии до 90 метров. Их работа может привести к созданию бактериальных датчиков для сельского хозяйства и других сфер применения, за которыми можно будет следить с помощью беспилотников или спутников.

«Это новый способ получения информации из клетки. Если вы стоите рядом с ней, вы ничего не увидите невооружённым глазом, но с расстояния в сотни метров, используя специальные камеры, вы можете получить информацию о том, когда она активируется», — говорит Кристофер Фойгт, заведующий кафедрой биологической инженерии Массачусетского технологического института и старший автор нового исследования.

В статье, опубликованной в журнале Nature Biotechnology, исследователи показали, что им удалось создать два различных вида бактерий, которые производят молекулы, излучающие свет с характерными длинами волн в видимом и инфракрасном спектрах, что позволяет получать изображения с помощью гиперспектральных камер. По словам исследователей, этот подход можно использовать с любыми существующими датчиками, например, для обнаружения мышьяка или других загрязняющих веществ.

«Самое приятное в этой технологии то, что вы можете подключить и использовать любой датчик», — говорит Йонатан Хемла, постдок Массачусетского технологического института, один из ведущих авторов статьи. «Нет никаких причин, по которым любой датчик не был бы совместим с этой технологией».

Учёные создали уникальный звук частотой 100 Гц, который облегчает укачивание

Исследовательская группа под руководством Такуми Кагавы и Масаси Като из Высшей медицинской школы Университета Нагои обнаружила, что «уникальная технология звуковой стимуляции» — устройство, воздействующее на внутреннее ухо звуковой волной определённой длины, — может помочь людям с укачиванием. Всего одна минута стимуляции значительно уменьшила головокружение и дискомфорт, которые испытывают люди, читающие в движущемся транспорте. Результаты исследования, опубликованные в журнале Environmental Health and Preventive Medicine, указывают на простой и эффективный метод лечения этого широко распространённого заболевания.

«Наше исследование показало, что кратковременная стимуляция с помощью уникального звука, облегчает симптомы укачивания, такие как тошнота и головокружение», — говорит Кагава. «Эффективный уровень звука находится в диапазоне повседневного воздействия шума окружающей среды, что говорит об эффективности и безопасности звуковой технологии».

«Вибрации уникального звука стимулируют отолитовые органы во внутреннем ухе, которые определяют линейное ускорение и силу тяжести», — пояснил Като. «Это говорит о том, что уникальная звуковая стимуляция может активировать вестибулярную систему, которая отвечает за поддержание равновесия и пространственную ориентацию».

«Риск для здоровья от кратковременного воздействия нашего уникального звука минимален», — говорит Кагава. «Учитывая, что уровень раздражителя значительно ниже стандартов безопасности шума на рабочем месте, можно предположить, что при правильном использовании эта стимуляция будет безопасной».

Создана всеобъемлющая карта человеческой клетки

«Мы знаем обо всех белках, которые существуют в наших клетках, но как они сочетаются друг с другом, чтобы затем выполнять функции клетки, до сих пор остаётся практически неизвестным для всех типов клеток», — говорит Лия Шаффер, доктор философии, постдокторский исследователь из Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Теперь Шаффер и её коллеги создали всеобъемлющую интерактивную карту клеток U2OS, которые ассоциируются с детскими опухолями костей. Они объединили микроскопическую съёмку высокого разрешения и биофизические взаимодействия белков, чтобы составить карту субклеточной архитектуры и белковых агрегатов в клетке. Карта выявила ранее неизвестные функции белков. В будущем это поможет исследователям понять, как мутировавшие белки способствуют развитию таких заболеваний, как детские раковые опухоли. Она также послужит образцом для разработки карт других типов клеток.

«Если смотреть на изображения клеток в учебниках, можно решить, что мы полностью разобрались в клетке. Но удивительно то, что ни для одного типа человеческих клеток у нас нет подходящего каталога деталей и „инструкции“ по сборке», — говорит соавтор работы Трей Идекер, доктор философии, профессор медицины, адъюнкт-профессор инженерной школы Джейкобса и сотрудник онкологического центра Moores при Калифорнийском университете в Сан-Диего.

Исследователи использовали метод аффинной очистки для выделения отдельных белков и документирования их взаимодействий с другими белками. Кроме того, они проанализировали более 20 000 изображений внутренней поверхности клеток, помеченных флуоресцентным красителем, чтобы выявить расположение интересующих белков из Атласа белков человека. Объединение этих данных для более чем 5 100 белков позволило выявить 275 отдельных белковых ансамблей разного размера в клетках U2OS.

Биологи превратили плодовых мушек в миниатюрных роботов

Даже самые крошечные живые существа способны передвигаться довольно сложным образом, а некоторые из них оснащены целыми наборами датчиков и способны получать энергию из окружающей среды. Попытки достичь подобной гибкости в робототехнике идут двумя путями. Один из них заключается в создании крошечных роботов, моделирующих поведение животных. Другой предполагает превращение «готового» живого существа в робота.

Но команда исследователей из Гарварда отметила, что некоторые виды поведения у животных настолько прописаны в инстинктах, что их можно заставить действовать так, как если бы они были роботами.

Первый пример поведения связан с реакцией дрозофилы на движущиеся визуальные стимулы. Если муху поместить в зону, где она увидит узор, вращающийся слева направо, она повернётся вправо, пытаясь сохранить стабильность изображения. Это позволило системе проекторов «управлять» мухами, когда они ходили по вольеру (несмотря на своё название, плодовые мухи обычно проводят большую часть своего времени пешком). Вращая шаблон вперёд-назад, исследователи смогли водить мух туда-сюда между двумя точками в вольере с точностью около 94 процентов.

Но мухи реагируют не только на визуальные сигналы: они также двигаются к источникам запахов, ориентируясь на то, какой сигнал сильнее – идущий слева или справа. Исследователи генетически изменили некоторых мух так, что в их антеннах появились два типа светочувствительных ионных каналов, позволяющих красному и синему свету вызывать те же нервные сигналы, которые вызывали запахи. Затем они покрыли одну антенну красителем, поглощающим красный свет, а другую — красителем, поглощающим только синий.

В зависимости от того, какой свет попадал на мух: красный, синий или оба сразу, они поворачивали направо, налево или двигались по прямой линии.

Этот способ оказался не столь эффективным: точность навигации мух снизилась примерно до 80 процентов. Но предыдущие исследования выявили набор нейронов в мозге мухи, которые повышали её внимание к обонятельным сигналам. Поэтому исследователи также поместили в них ионный канал, активируемый светом, по сути, «сообщая» мухе, что она должна уделять больше внимания сигналам от своей антенны. Это восстановило точность навигации почти до 95 процентов.

Этого оказалось достаточно, чтобы запрограммировать серию световых узоров, запускаемых камерой, которая следила за продвижением мух, и заставляющих их вышагивать буквы «HELLO WORLD». Общее время, затраченное на выполнение всей последовательности, составило в среднем более 15 минут. В ходе дополнительных экспериментов команда показала, что может также заставить мух перемещаться по лабиринту, и добавила дополнительный светочувствительный ионный канал, позволяющий останавливать и запускать мух.

Учёные впервые воссоздали соматосенсорный проводящий путь в лаборатории

Учёные воссоздали в лаборатории сенсорный путь, передающий ощущение боли в мозг человека, что стало прорывом, который может привести к созданию более эффективных методов лечения.

Команда из Стэнфордского университета в Калифорнии впервые объединила различные нейроны, выращенные из стволовых клеток человека, в функционирующую цепь мозга в лаборатории. Их эксперименты, опубликованные в журнале Nature, иллюстрируют стремительный прогресс учёных в воспроизведении живых тканей и органов с помощью синтетической биологии.

Когда учёные из Стэнфорда подвергли созданную ими мозговую цепь воздействию сенсорных стимуляторов, они увидели волны электрической активности, распространяющиеся по ней. Молекула, придающая остроту перцу чили, капсаицин, немедленно вызвала сильную реакцию.

Серджиу Пашка, руководитель проекта, сказал, что ожидает, что исследование ускорит прогресс в понимании того, как нервная система человека обрабатывает болевые сигналы.

«Теперь, когда мы можем моделировать этот путь неинвазивно, без использования животных, мы надеемся найти более эффективные средства для лечения хронической боли», — сказал он. «Лучшие лекарства, которые у нас есть сейчас, — это опиоиды, получаемые из семян мака тысячи лет назад и вызывающие сильное привыкание».

Исследователи начали с превращения клеток кожи в стволовые клетки, способные породить практически любую человеческую ткань или орган. Затем с помощью химических сигналов стволовые клетки сформировали четыре типа «органоидов» — крошечных живых комочков, представляющих различные участки болевого пути, от сенсорных нейронов на коже до нейронов коры головного мозга.

В итоге четыре разных органоида были выстроены рядом друг с другом в чашке Петри. Примерно через 100 дней они выросли вместе в синтетическое представление мозговой цепи, называемое «ассемблер», длиной почти 1 см, состоящее из 4 млн клеток. Нейронные связи соединили составные органоиды, и возникли паттерны синхронизированной сигнализации.

«Вы бы никогда не смогли увидеть эту волнообразную синхронность, если бы не могли наблюдать все четыре органоида, соединённые одновременно», — говорит Пашка. «Мозг — это нечто большее, чем просто сумма его частей».