Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-nobelovi-nagradi-2023/

Октомври идва с вълнуващи новини от научния свят, свързани с обявяването на Нобеловите награди – едно от най-престижните признания за учените и своеобразно тържество на познанието, което ни позволява да надникнем в лабораториите и да разберем върху какво работят изследователите. 

По традиция лауреатите се обявяват в началото на октомври, а церемонията за връчване на наградите ще се проведе на 10 декември – датата на смъртта на техния учредител Алфред Нобел.

Медицина/физиология

Наградата за медицина/физиология е присъдена на Каталин Карико и Дрю Вайсман за работата им по модификацията на нуклеозиди, която промени изцяло разбирането ни как информационната РНК (иРНК) взаимодейства с имунната система. Това откритие даде път за разработката на първите иРНК ваксини срещу COVID-19 през 2020 г.

Преди пандемията от 2019 г. създаването на ваксини беше дълъг и труден процес, свързан с доста технологични стъпки. Класическият подход е използването на инактивиран вирус, който не е патогенен, но може да бъде разпознат от имунната система. С напредъка в молекулярната биология и биотехнологиите са разработени ваксини, съдържащи само отделни вирусни компоненти, което драстично намалява риска от грешка в производството и от заразяване на ваксинираните. За целта се взема генетичната последователност, кодираща частта на вируса, към която учените искат да създадат имунитет (най-често капсидната обвивка на вируса), и от нея се синтезира т.нар. рекомбинантен протеин. Този тип ваксини се понасят много добре от организма и може да се прилагат и при хора с отслабена имунна система. Техен недостатък е нуждата от реимунизации.

Друг вид са векторните ваксини – при тях се използва вирус, който е „обезвреден“ чрез премахване на патогенната му способност, и в него е вмъкната генетичната последователност, описана по-горе. След като този вирус ни „зарази“, в клетките ни започват да се произвеждат части от капсида на вируса, срещу който е ваксината. Пример за това е вече добре познатата ваксина на AstraZeneca срещу COVID-19. Въпреки впечатляващите подобрения в технологиите за бързото производство на обеми, достатъчни за справяне с пандемия, са нужни сериозни мощности, които не бяха налични през 2020 г.

Информационната РНК е „матрицата“, по която се изработват протеините в човешкото тяло (както и в почти всички живи организми на планетата). Технологиите за получаване на иРНК в лабораторни условия без използването на клетки (инвитро транскрипция) започват развитието си през 80-те години на миналия век. Още тогава се появяват идеи за приложението на синтетична иРНК в медицината, но учените срещат спънка: клетките на гостоприемника дават силен възпалителен отговор. Въпреки това Карико още тогава смята, че иРНК има терапевтичен потенциал, и когато се запознава с нов колега в Университета на Пенсилвания – имунолога Дрю Вайсман, започва сътрудничество, което ще се окаже много продуктивно.

Един от обектите, към които Вайсман проявява интерес, са дендритните клетки – те са част от имунната система и имат роля при активацията на имунен отговор към ваксини. След като започват да работят заедно, Карико и Вайсман откриват, че тези клетки имат очаквана реакция към стандартната инвитро иРНК, но не и към иРНК от бозайник, която приемат без проблем. Една от спецификите на втората е, че някои от съставните ѝ части са модифицирани. След като правят химична модификация в една от нуклеозидните бази на синтетичната иРНК, сходна с тази при бозайниците, възпалителният отговор на дендритните клетки почти изчезва. Двамата учени осъзнават, че това е липсващото парче от пъзела и потенциалът за терапевтично приложение може да се разгърне. В последващите им разработки се установява, че количеството на отделените протеини в клетките се увеличава вследствие на модификацията. Скоро след публикуването на тези данни започва разработването на иРНК ваксини срещу зика и MERS-CoV.

Това се оказва ключово при избухването на епидемията от COVID-19, защото технологията позволява бързо да се разработи ваксина срещу вируса. Само година след началото на пандемията резултатите са впечатляващи – 95% ефективност на защитата. Успехът потвърждава тезата на Карико, че иРНК терапиите могат да бъдат незаменими в медицината въпреки скептицизма на немалко нейни колеги, и дава поле за пълното разгръщане на потенциала им. BioNTech – компанията, разработила първата одобрена иРНК ваксина (срещу SARS-CoV-2), в момента работи по осем нови (сред тях срещу инфлуенца, туберкулоза и малария), а в Moderna, другата компания с иРНК ваксина срещу заболяването, също тече активна развойна дейност върху над 20 различни терапии.

Освен срещу вируси, технологията позволява да се създадат ваксини и срещу бактерии, както и срещу някои видове ракови заболявания. Изследва се и възможността за удължаване на теломерите, чието скъсяване може би има връзка със стареенето. Възможността за вмъкване на иРНК и синтез на нови протеини съдържа огромен потенциал, който предстои да бъде използван в пълен мащаб. Много е вероятно откритието на Карико и Вайсман, което вече заслужено се описва като историческо, тепърва да донесе много изненади.

Физика

Наградата за физика е присъдена на Пиер Агостини, Ференц Краус и Ан Л’Юийе за внедряването на нови подходи за изследване на света на електроните в атомите и молекулите. Тримата учени са открили начин за излъчване на изключително къси импулси светлина, които могат да се използват за мигновените процеси на движение на електроните или за преминаването им в различни енергийни нива.

Човешкото възприятие е сравнително бързо – зрителната ни система може да различи отделни премигвания на светлина с честота между 50 и 90 Hz. При птиците зрението е още по-развито, като един от рекордите е при жалобната мухоловка, която може да различава светлинни импулси с честота, достигаща 145 Hz, почти три пъти по-бързо от нас. Това е и една от причините гълъбите, които стоят на пътя ни, да излитат в последния възможен момент. Тяхното зрение е толкова бързо, че за тях ние се движим на забавен каданс. Най-вероятно има и доза мързел и арогантност.

Но дори и за жалобната мухоловка движението на електроните ще бъде абсолютно размазано и неясно. При тях промените стават за части от атосекундата. Атосекундата е с продължителност една квинтилионна от секундата (10^-18) – толкова кратка, че в една секунда се съдържат толкова атосекунди, колкото секунди са изминали от създаването на Вселената при Големия взрив преди 13,8 млрд. години.

Тази скорост кара Вернер Хайзенберг (известен с принципа на неопределеност) да изкаже през 1925 г. мнението, че светът на електроните ще остане недостижим за науката. Все пак технологиите напредват и през 80-те години на миналия век са изобретени лазери, които могат да произвеждат импулси с продължителност от порядъка на фемтосекунди (в една фемтосекунда има 1000 атосекунди), с помощта на които може да се наблюдава движението на „тежките и бавни“ атомни ядра.

През 1987 г. Ан Л’Юийе открива, че при преминаването на светлината от инфрачервен лазер през инертен газ се получават много обертонове на светлината – всеки от тях с по-бързо трептене от основната честота на лазера, подобно на обертоновете при струнните инструменти. Това се дължи на взаимодействия на светлината с атомите на газа, придаващи на електроните в тях допълнителна енергия, която впоследствие се излъчва като светлинни вълни. При определени условия те се наслагват, като усилват интензитета на лазерната светлина и я карат да пулсира с период от няколкостотин атосекунди.

Благодарение на продължаващата работа на изследователката през 2001 г. Пиер Агостини успява да получи пулсираща светлина в порядъка на атосекунди. Екипът му постига това, като раздвоява лазерния лъч. След като единият новополучен лъч се пропусне през интернет газ, той започва да пулсира. При събирането на двата лъча получените импулси са с продължителност 250 атосекунди. Междувременно, избирайки различен експериментален подход, Ференц Краус успява да изолира единичен светлинен импулс с продължителност 650 атосекунди, използвайки го да проследи как електроните се отделят от атомите.

Благодарение на постиженията на лауреатите вече можем да наблюдаваме някои изключително бързи процеси в ядрата на атомите – нещо, което доскоро беше невъзможно. За момента изглежда, че основното приложение на откритията ще бъде във фундаменталната наука за изследване на движението на електроните между атоми и изучаване на протичането на химични реакции на атомно ниво. Въпреки това потенциал има и за приложната наука и технологиите. В електрониката биха могли да бъдат използвани за изучаване и контролиране на движението на електроните в даден материал, което би било полезно за производството на по-добри полупроводници. С помощта на атосекундните импулси може да се определят и най-различни молекули, което би имало приложение във фундаменталните и приложните изследвания, както и в медицината.

Химия

Третата присъдена награда е в областта на химията, където победители са Мунги Бавенди, Луис Брус и Алексей Екимов за откритието и синтеза на квантовите точки. Те са изключително малки полупроводникови частици с диаметър от няколко нанометра. Благодарение на тези малки мащаби при тях се проявяват квантови ефекти, които им придават подобрени електрически и оптични свойства. При осветяването им квантовите точки излъчват ярка светлина, чийто цвят зависи от размера на частиците – по-големите излъчват по-червена, а по-малките – по-синя, което позволява с регулиране на размера им да се контролира цветът на светлината, която излъчват.

За възможността за възникване на квантови ефекти в зависимост от размера на частиците учените предполагат още от откриването на квантовата механика. Въпреки че в лабораторни условия може да се създават материали, покрити с тънкослойни квантови точки, за това се изискват изключително висок вакуум и много ниска температура, което е пречка за индустриалното производство.

Първият пробив е в началото на 80-те години на миналия век, когато Екимов установява, че при вариране на температурата и времето за нагряване при добавяне на меден хлорид, в стъклото се получават частици с различен размер, които променят цвета му. Това донякъде е вдъхновено от древните стъклари, които влагат различни метали в разтопеното стъкло, за да му придадат различен цвят. Няколко години по-късно, без да знае за експеримента на Екимов, Луис Брус успява да постигне същите квантови ефекти при частици кадмиев сулфид, които са свободно суспендирани в течност.

Третият лауреат – Мунги Бавенди, постдокторант в лабораторията на Брус, започва работа върху възможността за създаване на квантови точки с прецизни размери. До момента получените размери са случайни и няма как да бъдат използвани в практиката. Бавенди открива, че прецизното контролиране на температурата по време на нарастване на кристали от кадмиев селенид позволява да се регулира скоростта на нарастване и съответно размерът им. Тази технология се оказва решение за създаването на нанокристали с много равномерна форма и размер, които може да се вложат в производството на различна техника.

В момента квантовите точки се използват за създаване на по-добри светодиоди (на тях се базират QLED дисплеите), на прозорци, които са и слънчеви панели, а в областта на биохимията и медицината – за наблюдение на специфични тъкани и органели. Както и при другите наградени открития, учените считат, че това е само началото и то тепърва ще има принос за развитието на много нови технологии, като гъвкава електроника, по-малки сензори, по-тънки слънчеви панели и подобрения в квантовата криптография.

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-gmo-i-globalno-zatoplyane/

Промяна на ГМО хоризонта

През последните 10–15 години възможностите за редактиране на генома на културните растения се разшириха значително и учените вече имат по-прецизни и по-лесни за употреба инструменти, като ZFNs, TALENs и най-новия CRISPR/Cas9. Тези методи са основата на т.нар. нови геномни техники (НГТ) и бяха в своеобразна сива зона в Европа, защото нямаше пълна яснота дали растенията, получени с тяхна помощ, попадат в категорията на „класическите“ ГМО.

С решение на Съда на Европейския съюз от средата на 2018 г. бе установено, че към новите геномни техники ще се прилага съществуващото законодателство за ГМО. Въпреки че позицията на повечето учени, включително от Европейския орган за безопасност на храните (ЕОБХ), е, че те са по-безопасни от старите методи за генетични манипулации, това решение донякъде не беше изненада поради традиционно консервативния подход на ЕС в тази област.

Но ситуацията може да се промени – след проучване на НГТ Европейската комисия предлага преразглеждане на сегашните регулации и облекчаването им за някои растения. В предложението се въвеждат две категории, в които ще попадат растенията в зависимост от вида, броя и размера на генетичните модификации на генома.

Категория 1 ще покрива растения с промени, които може да се срещнат в природата или да се постигнат с традиционните техники за селекция. Това ограничава потенциалните промени до насочена мутагенеза (промяна на конкретни участъци от ДНК, в повечето случаи с цел инактивиране на гени) и цисгенеза (прехвърляне на генетичен материал от два близкородствени организма).

Преди пускането им на пазара те ще минават през процедура на верификация, но тя ще бъде значително облекчена и ускорена, а след това растенията ще бъдат третирани като получени от конвенционална селекция. Все пак при съществени промени на състава и хранителните им качества ще попадат под регулациите за нови храни в ЕС и ще минават за одобрение през ЕОБХ.

Може би най-спорната част е НГТ произходът да бъде означен само на семената, използвани от земеделците, а всички продукти, които стигат до крайния потребител, да бъдат разглеждани като конвенционални. Все пак тези растения няма да могат да се сертифицират като „органични“, което донякъде ще ги различава. Най-вероятно обект на възражения ще бъде и условието, че отделните страни членки няма да могат да забранят полските опити и отглеждането на тези растения.

В предложението се говори и за проследяемост, но е интересно как ще бъде реализиран този процес, защото за разлика от по-старите методи за намеса в генома, промяната с помощта на НГТ е недоловима.

За останалите растения (категория 2) ще продължат да важат сегашните регулации за ГМО. Тук ще се включват трансгенетичните растения (с вмъкнато ДНК от различни организми), растенията с екстензивни редакции и някои други изключения.

Предложението за промяна идва в динамичен момент в глобален мащаб. От особена важност е въвеждането на нови сортове, които ще са ключови за изхранването ни на фона на настъпващите климатични промени. Друг значим фактор е опасността от изоставане в сферата на генетичните редакции както в научен, така и икономически аспект. Регулациите за този тип генетични редакции са значително по-облекчени в САЩ, Индия, Китай, Великобритания и редица други държави, което прави развитието на иновации в сферата по-лесно и по-изгодно. В документа се споменават също пандемията от COVID-19 и войната в Украйна, разкрили външните зависимости на Европа.

Очаквано, научните среди и биотехнологичните компании приемат новината добре. Според оценката на ЕК промяната в регулациите би спестила милиони евро годишно и така разработването на нови сортове ще стане по-достъпно, а административните разходи ще намалеят. В подкрепа на предложението за облекчаване на регулациите е и организацията EU-SAGE („Устойчиво земеделие чрез генетични редакции в Европа“), в която членуват учени от над 150 европейски института, три от които български.

Редица организации се противопоставят със становището, че промените ще влошат качеството на храната. Има също опасения, че селекцията на нови видове ще бъде консолидирана в ограничен брой биотехнологични гиганти, което ще доведе до по-високи цени на семената, и ще бъде ограничена свободата на фермерите. Събрани са и над 400 000 подписа в петиция, която според организаторите ѝ ще покаже преобладаващото негативно мнение на жителите на ЕС.

В процеса на обсъждане най-вероятно ще настъпят промени в детайлите, но след като бъдат приети от ЕК, новите правила ще трябва да бъдат гласувани и в Европейския парламент, където също се очаква да има разгорещени дебати. Важното е, че дискусията е започнала и има възможност да се стигне до решение, което да е в крак с промените – както климатични, така и научни.

Планетата се затопля

За съжаление, глобалните климатични промени не чакат обсъжданията. В няколко поредни юлски дни бяха счупени температурните рекорди и се очаква 2023-та да е най-горещата година от последните над 200, в които се правят точни измервания. Ако се включат и палеоклиматичните данни, този период може да достигне 120 000 години.

Справка в поддържания от Университета на Мейн Climate Reanalyzer показва, че средната глобална температура е достигнала 17,23°C на 6 юли. Един от рекордите е потвърден и от Европейската услуга за проследяване на климатичните промени, в която се използват данни от спътниците „Коперник“. Учените отбелязват, че това може да е вследствие на времето в Южното полукълбо и потока от необичайно горещ въздух над части от Антарктида, но промените са отчетени и в много други точки на света. В алжирския град Адрар температурата не е паднала под 39,6°C дори и през нощта. А след два смъртни случая в Пекин поради високите температури, в редица градове в Китай бяха отворени бомбоубежищата и бе забранена работата на открито.

Една от основните причини за високите температури е Ел Ниньо – топлата фаза на Южното колебание, чийто интензитет този път е особено висок. Това донякъде беше очаквано заради нехарактерно голямата продължителност на предхождащата студена фаза (Ла Ниня). Тъй като пикът на топлата фаза обикновено е между ноември и януари, се очаква ефектът му да се засили през идните месеци, като не е изключено да продължи и по-дълго от обичайното, както стана и при предхождащата Ла Ниня.

За интензитета на Ел Ниньо е ключова температурата на океанската вода, защото при него само се прехвърля топлина от океана към атмосферата. А океанът се затопля – според данни на Европейската услуга за проследяване на климатичните промени температурата на океана през юни е с 0,91°C над средната за периода 1979–2023 г. и с около 0,5°C по-висока от предишния юнски рекорд, отчетен през 2010 г. Особено топли са североизточните части на Атлантика, където температурите са достигнали 1,36°C над средното.

Поради затоплянето на горните слоеве на океана, изкачването на студената вода от дълбочините се забавя и се образува своеобразна възглавница от топла вода. Така топлината, която океанът е поел през трите години на Ла Ниня, сега се освобождава. Този фронт предизвиква и повече гръмотевични бури, което допълнително затопля атмосферата.

Високите температури са само едно от следствията на глобалните климатични промени. Водният цикъл на планетата също се влияе и променя по опасен начин. Испания е засегната от суша, която може да се окаже рекордна за последния век с 36 последователни месеца с валежи по-ниски от средната стойност. Съчетано с високите температури, това вещае катастрофална година за земеделците. Проблеми има и с питейната вода. Нивото на язовира Sau Reservoir в Каталуния е едва на 7% от капацитета му през април. Това е наложило и премахването на рибата от него, тъй като водата вече е била негодна за живот. На този фон наводнения в Индия засегнаха над половин милион души, като проливните дъждове са довели до преливането на река Беки и евакуацията на около 14 000 души. Наводнения с жертви имаше и в Япония и Турция.

В Канада бушуват опустошителни горски пожари, димът от които покри северните части на САЩ. Изгорели са над 9 млн. хектара – два пъти повече от обработваемите площи в България, а властите предупреждават, че тази година опасният сезон ще е по-продължителен. Мащабите са безпрецедентни и освен че имат унищожителни последици, пожарите ще влошат дългосрочно климата – въглеродните емисии са много по-високи от предходни години, а кумулативната топлина, отделена от огъня до момента, е почти два пъти повече, отколкото за цялата рекордна 2022 година. Най-вероятно ранното начало на сезона на пожарите се дължи на нехарактерните и дълги суши, комбинирани с необичайно високи температури. В началото на юли в северните части на провинция Квебек температурата е достигнала 34°C.

Промените са пагубни за всички обитатели на планетата. Затоплянето на океана, особено когато е рязко, както по време на Ел Ниньо, влияе зле и на обитателите му, и на птиците, които се хранят с тях. Ефектът от това не е незабавен, а може да се наблюдава след един до шест месеца според изследване на американски учени. Обобщени са данни от четири проекта за обследване на плажове, в които обучени доброволци броят мъртвите птици в конкретен участък.

Причините за смъртта на птиците са разнообразни, но повечето са свързани с променящите се екосистеми. Най-честата причина е промяна във видовия състав и размера на популациите в местата, в които те се хранят, водещо до гладна смърт. С промяната на самия океан е очаквано да настъпят промени и в организмите, които го обитават. Според авторите на статията мащабът на тези промени е голям и може да става въпрос за над милион загинали птици в периода 2014–2019 г. По-топлите води са добра среда за развитието на алги, които може да бъдат токсични за животните.

Топлинните вълни имат негативно влияние и върху насекомите. Ако температурата се повиши за три дни по време на възпроизвеждане, броят на потомството намалява двойно, а вероятността от успешно оплождане спада със 75%. Драстично спада и вероятността младите насекоми да оцелеят. Интересното е, че ако периодът на висока температура е малко преди или след периода на интимност, негативното му влияние е почти незначително. Резултатите от това изследване са важни, тъй като насекомите са основна част от хранителните вериги и над 89% от цъфтящите растения се опрашват от тях. В скорошна публикация е изказана хипотезата, че първите цъфтящи растения са били опрашвани от насекоми, а разпространението на полен с вятъра се е появило на по-късен етап.

Учените сигнализират за опасността от климатичните промени от десетилетия, но взетите мерки, изглежда, са твърде късни или недостатъчни. Протоколът от Киото и последващото Парижко споразумение дават рамка на световните правителства за намаляване на емисиите, но не е ясно дали те ще бъдат достатъчни. Планетата има известен буфер, най-вече в Световния океан, за поемане на допълнителна топлина, но той започва да се изчерпва и сме на ръба на събития, които ще бъдат каскадни и необратими. Въпреки че някои са скептични относно антропогенния характер на случващото се, то е факт и пред нас стоят множество проблеми, за които ще трябва да се намери решение.

Заглавно изображение: Язовир Sau Reservoir в Каталуния, заснет на 13 март 2023 г. Нивото на водоема е спаднало драстично оттогава. Снимка: European Union, Copernicus Sentinel-2 imagery

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-koteshki-populacii-sunyat-na-gulubite/

Контрол на котешките популации

Антимюлеровият хормон (АМХ) е важен компонент в развитието на ембрионите при хората. Отделянето му в мъжките зародиши спира развитието на мюлеровите канали в женската репродуктивна система. При мъжете той се отделя от тестисите и нивата му са високи от раждането до началото на пубертета.

При жените е обратно – преди пубертета нивата на хормона са ниски, след това се повишават и започват да спадат бавно до достигане на менопаузата. Отделянето му става в яйчниците, и по-точно от фоликулите, образуващи яйцеклетките. Именно поради това измерването на количеството му е един от най-добрите начини за определяне на яйчниковия резерв – колкото повече от хормона може да се засече, толкова повече фоликули (и съответно потенциални яйцеклетки) са на разположение.

Един от страничните ефекти на химиотерапията е преждевременното изчерпване на яйчниковия резерв – най-вероятно поради повишеното активиране на фоликулите. В проучване върху мишки от 2017 г. учени са проверили ефекта на АМХ при приложението на няколко вещества, използвани в антитуморната терапия.

Резултатите показват категорично, че при умерено увеличаване на нивата на хормона броят на запазените фоликули е значително по-висок (между 1,2 и 2,9 пъти в зависимост от медикамента) при мишките, получавали АМХ, поради по-бавното им развитие. При още по-високи нива на хормона фоликулите в яйчниците се потискат напълно, което на практика води до стерилност на опитните гризачи.

Това лежи в основата на текуща разработка, която с помощта на методите за генна терапия и използването на вирусни вектори може да намери потенциално приложение за намаляване на популациите на бездомните котки. С помощта на аденовирус, използван за вектор, в мускулната тъкан на животните е вмъкнат модифициран ген за котешкия вариант на АМХ. Методът работи сходно на ваксините за COVID-19, използващи аденовируси за вмъкване на спайкпротеините в човешкото тяло с цел обучаване на имунната система и създаване на имунитет – подход, считан за безопасен и приложим в медицината.

Котките са понесли процедурата без забележими странични ефекти върху здравето им и експресията на АМХ е била увеличена. При два последващи 4-месечни периода на съвместно съжителство с мъжки (8 и 20 месеца след третиране) нито една от тях не е забременяла, за разлика от трите контролни котки, включени в изследването.

Според данните концентрацията на АМХ е намаляла с времето, но това не се е отразило на крайния ефект от третирането. В двете години, в които животните са наблюдавани преди публикуването на статията, не е забелязан негативен ефект върху тях. Дори важни хормони като естрогена не са се повлияли от потискането на развитието на фоликулите.

Най-вероятно стопаните на домашни любимци ще продължат да разчитат на хирургичната намеса, защото, освен преките ефекти, кастрацията има и други ползи. Поради хормоналните промени котките спират да се разгонват с всички свързани с това промени в поведението, като силно мяукане, изнервеност и маркиране. Важни положителни последици са също удължаването на живота и намаляването на риска от развиване на рак на млечните жлези и други заболявания.

За уличните котки стратегията може да се окаже изключително успешна, защото дори ефективността на терапията да намалее с времето, с няколко вълни на третиране популацията им може да се намали значително. Това би имало много положителни ефекти както за самите котки, чийто живот не е лек и обикновено е няколко пъти по-кратък от този на домашните, така и за екосистемите.

Котките са изключително ефективни хищници, които нанасят големи щети върху популациите на птиците и малките бозайници. Това, комбинирано с някои зоонотични заболявания, които те пренасят, прави възможността за бърза и лесна кастрация на голям брой котки изключително интересна както за групите за хуманно отношение към животните, така и за държавните институции, отделящи немалки ресурси за справяне с този проблем.

Какво сънуват гълъбите

Сънят е изключително важен процес, който се среща при повечето животни. При хората се наблюдават два типа сън – REM (с бързо движение на очите) и NREM (без бързо движение на очите). По време на първия мозъчната активност е висока и тогава сънуваме най-ярките си сънища, докато при втория активността е намалена и гръбначномозъчната течност (ликвор) циркулира около мозъка – предполага се, че това помага за прочистването му от вредни протеинови отлагания, някои от които свързани с развитието на заболявания като алцхаймер.

С помощта на инфрачервени камери, които следят зениците на птиците, и функционален ЯМР, проследяващ активността на мозъка, немски екип е установил, че при птиците протичат много сходни процеси. По време на REM съня в мозъка на гълъбите, включени в експеримента, са се активирали участъците, отговорни за обработката на визуална информация, включително тази по време на полет. Наред с тях активност е установена и в зоните, приемащи усещането за допир от тялото и крилете. Същото се е случило и в амигдалата, за която се предполага, че както при хората регулира емоциите.

Всичко това кара учените да изкажат хипотезата, че гълъбите имат визуални сънища, в които летят и изпитват емоции. В нейна подкрепа е и наблюдаваното рязко свиване на зениците им, което е характерно и по време на ухажване или при проява на агресия.

Но повишената мозъчна активност по време на REM съня може да има и някои странични ефекти. Невронната плътност при птиците е по-висока, отколкото при бозайниците, поради което почистването на натрупванията по мозъка трябва да е по-често и ефективно, отколкото при бозайниците. По време на REM съня се увеличава притокът на кръв в мозъка, което води до по-интензивно движение на ликвора около него. Изследователите смятат, че в комбинация с по-кратките и по-чести фази на REM сън това най-вероятно помага за премахването на вредни протеини от мозъчните тъкани.

Сигурно видът и съдържанието на сънищата при птиците ще останат ненапълно установени. Но дори горната хипотеза да не се потвърди, изследването дава много информация за съня при нова група животни и помага да се направят паралели между съня при птиците и хората. Това би могло да въведе гълъбите като моделни системи за изследване на процеси, които поради етични или други съображения не могат да се наблюдават при хората.

Иновации в сърдечната трансплантация

Вземането на органи за трансплантация от трупен донор обикновено се извършва по два начина – след мозъчна смърт на донора или след спиране на кръвообращението му. Първият е по-често срещан, защото въпреки загубата на мозъчна функция физиологичните процеси в тялото се поддържат и органите се запазват жизнени и в естествено състояние до момента на трансплантация. При спиране на кръвообращението настъпват редица усложнения, тъй като органите и тъканите не получават кислород, вследствие на което започват да се увреждат и сравнително бързо стават негодни за трансплантиране.

Поради това броят на такива операции все още е сравнително малък въпреки общия недостиг на донори. С напредването на медицинските технологии броят на органите, които могат да се използват след спиране на кръвообращението, нараства и прогнозата за успешна трансплантация се увеличава, като процедурата вече се прилага за пациенти с нужда от бъбреци и черен дроб. Доскоро това беше изключително трудно при сърцето, поради което се вземаха органи от донори само след мозъчна смърт.

Възможност за увеличаване на броя на потенциалните донори предлага използването на машина, която поддържа циркулацията и електрическите импулси в експлантираното сърце, т.нар. сърце в кутия. Това е сравнително нова технология и все още се прилага в малко клиники – донякъде защото доскоро нямаше данни за състоянието на пациентите, преминали през трансплантация на такива органи.

След публикуването на изследване, включващо 180 души, разделени на две групи (едните, получили орган от донор в мозъчна смърт, a другите – от донор след спиране на кръвообращението му), вече е известно, че почти няма разлика в успеваемостта на процедурата 6 месеца след провеждането ѝ. При първия подход, който се смята за рутинен, процентът живи реципиенти е бил 90, а при втория – 94. Не е имало съществена разлика и в развитието на сериозни странични ефекти 30 дни след трансплантацията и при двата типа процедури. Според авторите на изследването данните са достатъчно убедителни за внедряване на подхода в повече болнични заведения.

Тази техника ще е полезна и при по-често срещани трансплантации след мозъчна смърт. Традиционната практика е след експлантиране на органа той да бъде поставен в лед за транспорт. Това дава на екипа около 4 часа да стигне до реципиента, което ограничава разстоянието за получаване на органа. Ако сърцето е поставено в машината, то може да бъде поддържано по-дълго време и съответно да пътува по-далеч. Наред с това лекарите имат възможност да проверят дали органът функционира нормално, или има увреждания, преди той да бъде имплантиран, което повишава шанса за успешно протичане на процедурата.

Подобрен от AI алгоритъм за сортиране

Сортирането е важен процес в компютърните технологии, който намира най-различни приложения. Затова разработката и оптимизацията на алгоритмите, с които се извършва, е поле на активна изследователска дейност. Една от задачите е сортирането на малки набори, което от своя страна е част от алгоритмите, използващи разделяне на по-големите набори и сортиране „на порции“.

Въпреки че решенията, използвани в момента, са плод на дългогодишен труд, има възможност за подобрение. Нова разработка на подразделението на Google – DeepMind, успешно е оптимизирала алгоритми за сортиране, разработени от хора, като в някои случаи използваният подход е бил „неинтуитивен“ – с други думи, не е нещо, което би дошло на ум на човек.

AlphaDev е изкуствен интелект, базиран на шампиона по играта „го“ на DeepMind – AlphaZero. Използваният подход за обучение е с утвърждаване (reinforcement learning). При него програмата не получава предварителни знания, а с помощта на многократни итерации върху задачата и посочени награди и наказания тя намира най-подходящия начин за постигане на най-висок резултат, подобно на видеоигра. Именно такава дефиниция използват от компанията – игра на асемблер (най-базовия човешко четим език за програмиране). В нея резултатът се определя от времето за изпълнение на алгоритъма за сортиране – колкото по-кратко е то, толкова по-висок е резултатът.

След задаване на правилата AlphaDev започва своеобразна игра, променяйки части от алгоритъма за сортиране. При всяка промяна се отчита времето за изпълнение и дали полученият резултат отговаря на очаквания – ако се подадат числа в случаен ред, те трябва да бъдат подредени след сортирането. Всеки „рунд“ се оценява и сравнява с предишния, което определя дали ще бъде използван за основа на следващия, или ще бъде отхвърлен. В случая откритата оптимизация е възможността за премахване на една стъпка в алгоритъма за сортиране, което ускорява процедурата с до 70% при боравене с 5 елемента и с около 1,7% при над 250 000.

Според авторите подобни алгоритми се изпълняват трилиарди пъти всеки ден, поради което дори и най-малкото забързване ще допринесе за много спестено процесорно време. Разработката на AlphaDev е публикувана в журнала Nature, а оптимизираният алгоритъм вече е прехвърлен в стандартната C++ библиотека за сортиране и всички програмисти имат свободен достъп до него.

Интересен коментар за тази оптимизация дава потребителят Dimitris Papailiopoulos в Twitter. С две запитвания към GPT-4 той постига същия резултат без необходимостта от отнемащото време и ресурси обучение с утвърждаване. Донякъде задачата му е улеснена, защото вече има насока за начина на подобряване на алгоритъма, но все пак е показателно за напредналото ниво на технологията на OpenAI и потенциала, който крие. Възможност за бъдещи подобрения предоставя използването на изкуствен интелект, сходен на AlphaDev – така може да се откриват иновативни подходи, които не биха хрумнали на човек, а след това те да бъдат оптимизирани с помощта на GPT-4 или следващите му версии.

Заглавно изображение: Микроскопска снимка на стъбло на едногодишен бор, напречен разрез, 100х увеличение. Източник: BCC Bioscience Image Library, CC0 / Flickr

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-transplantatsiya-na-mitohondrii/

Трансплантация на митохондрии

Митохондриите са органели, отговорни за енергийните нужди на клетките, и се намират във всички човешки клетки, освен в червените кръвни телца. Поради произхода си (ендосимбионтни бактерии) те са запазили част от своя генетичен материал и имат хромозома, която при хората носи 37 гена, 13 от които вземат участие в енергийния метаболизъм. Бактериалният произход и някои други техни особености са причина геномът им да има значително по-високи нива на мутации в сравнение с ядрената ДНК. Това има два основни ефекта: понякога тези мутации водят до повреди в гените, а също и до получаване на хетерогенна популация в различните тъкани и клетки.

Децата получават митохондриите си почти ексклузивно от майките (има няколко описани случая на преобладаващи бащини митохондрии, но за момента се смята, че те са рядкост). Поради случайното разпределение на митохондриите създаването на потомство от майки с установени мутации поражда риск, тъй като има вероятност в яйцеклетките им да попаднат увредени митохондрии и децата да развият заболявания с митохондриална етиология. Обикновено те са свързани с органи с висока потребност от енергия, като мозък, сърце, мускулатура.

Потенциално решение за преодоляване на този проблем е т.нар. трансплантация на митохондрии. В момента има два основни подхода за извършване на процедурата. При първия се използват неоплодени яйцеклетки от здрав донор и майката. Ядрото от донорската клетка се премахва и в нея се прехвърля ядрото от майчината, където е останала цитоплазмата с митохондриите. След това се извършва оплождането със сперматозоиди от бащата. При втория подход и двете изходни яйцеклетки първо се оплождат, след което отново ядрото от едната зигота се прехвърля в другата. Въпреки че в крайна сметка децата наистина носят генетичен материал от трима „родители“, приносът на донора е около 1%, така че той не би следвало да има правни задължения (или права) към тях.

Методът все още има сравнително ограничено приложение, защото законовият му статус е неуточнен в повечето страни. Едно от първите съобщения е от американски лекар, който е извършил процедурата в Мексико. Известни са и екипи, които работят в Гърция и Украйна, но може би най-добре уредена е ситуацията в Обединеното кралство, където процедурата е одобрена през 2015 г., като всеки случай се разглежда от регулаторния орган Human Fertilisation and Embryology Authority (HFEA). След искане за достъп до информация журналисти от Guardian са получили отговор, че към края на април 2023 г. са родени по-малко от пет бебета с донорски митохондрии. Точният брой не е посочен, защото според организацията това би дало възможност децата да бъдат идентифицирани.

Въпреки че като цяло резултатите са обещаващи, не всички учени са съгласни с прилагането на терапията в този ѝ вид. И при двата метода не е възможно да се изключат напълно митохондриите от майката. Обикновено те са под 2% от всички налични в зиготата, което е малък процент, но все пак крие рискове. Вече има съобщения за бебета, при които е настъпила т.нар. реверсия – митохондриите на майката се намножават и достигат нива, носещи риск за активиране на заболяването.

В публикуваните данни се посочва, че в началните стадии, непосредствено след трансплантацията, пренесените майчини митохондрии са били под 0,8%, от общото съдържание, но при раждането те вече са били между 30 и 60%. И при двата известни случая трансплантацията на митохондрии е използвана за преодоляване на репродуктивни проблеми, така че повишението не представлява опасност за здравето на децата, но тези случаи са индикация, че преди масовото прилагане на терапията има технически недостатъци, които трябва да се преодолеят.

Новите подходи, особено в медицината, крият своите рискове, но дават и възможност за справяне с проблеми, които само допреди години са се считали за непреодолими. Темпът на развитие на технологиите предполага, че в недалечно бъдеще методът ще бъде прецизиран и ще може да се прилага рутинно без тревога за потенциални реверсии.

В тази връзка е интересно скорошното развитие в създаването на яйцеклетки от мъжки клетки при мишки. Първо кожни клетки са третирани по специфичен начин, за да се индуцира превръщането им в структури, сходни на стволови клетки. След това Y хромозомата в тях е премахната и е вмъкната още една X хромозома от друга клетка. Получените XX стволови клетки са имплантирани в органоид със структура на миши яйчник, след което развитите яйцеклетки са оплодени и имплантирани в сурогатни майки. Родените мишки са били жизнени и с нормална продължителност на живота, като някои дори са оставили потомство. За момента процедурата е сложна и с ниска успеваемост, но учените се надяват в рамките на няколко години да я усъвършенстват и да я приложат при хора, които имат репродуктивни проблеми.

С напредването на науката най-вероятно ще има възможност и за създаване на яйцеклетки от соматични клетки на майката, след като се проведе скрининг и се подберат само клетки, в които всички митохондрии са здрави. Така ще отпадне необходимостта от използване на донори и целият генетичен материал на децата ще бъде принос само на двамата им преки родители или на единия от тях.

Генетични редакции в селското стопанство

Листата на сарепската горчица имат кулинарно приложение, но поради горчивия си вкус, сходен с този на другите ѝ зелеви роднини, обикновено минават през термична обработка преди консумация, за да се намали силата му. Това е пречка пред използването им в суров вид въпреки по-високата хранителна стойност в сравнение с другите листни зеленчуци, от които обичайно се правят салати.

Биотехнологичната компания Pairwise предлага решение за този проблем с първия CRISPR редактиран хранителен продукт в САЩ. С помощта на технологията те са ограничили активността на ензима мирозиназа, който е свързан със защитната система на зелевите растения. Когато са изложени на опасност (например от насекоми), този ензим освобождава съединения, съдържащи сяра в структурата си (тиоли). Те бързо образуват нови молекули с циано- или нитрилна група, които са силно токсични за неприятелите. Именно тиолите (и сярата в тях) са причина за горчивия вкус и острия мирис на сарепската горчица. Понякога те са проблем и за тревопасните животни, поради което рапицата от същото семейство се използва за фураж с повишено внимание.

Компанията е получила разрешение от USDA през 2020 г., като сега смята да предлага салатен микс, в който има листа от сарепска горчица, на подбрани ресторанти и някои магазини. Освен по-високата хранителна стойност, друго предимство на тази култура пред останалите листни зеленчуци е и по-високият добив.

Това не е първият генетично редактиран продукт на пазара в глобален мащаб. През 2021 г. в Япония започна продажбата на домати със завишено съдържание на гама-аминомаслена киселина (GABA), която инхибира предаването на импулси между нервните клетки. Според компанията, създала тези домати, приемът ѝ помага за понижаване на кръвното налягане и намаляване на стреса.

За интересно приложение на CRISPR технологията съобщава и друг американски екип, съставен от учени от USDA, университетски изследователи и частни компании. Те успешно са създали говедо, което има повишена толерантност към вируса, причиняващ вирусна диария (мукозна болест). Това е заболяване, за което има множество ваксини, но въпреки това те невинаги успяват да го предотвратят, а предаването е много лесно, особено във ферми с по-голяма плътност на отглеждане. Болестта е особено опасна за бременните крави, защото намалява процента успешни раждания, а родените телета са носители на причинителя и в тях се наблюдава много висок вирусен товар.

За да проникне успешно в клетките на животните, вирусът се прикачва към един от протеините на тяхната мембрана (CD46). Използвайки тази информация, известна ни от почти 20 години, екипът е направил промяна в шест аминокиселини (от общо 361) на този протеин с помощта на Crispr-Cas9. Първо моделът е изпитан в клетъчни култури, а след потвърждаването му е било създадено генетично редактирано женско теле, наречено Ginger.

Редакцията не е променила съществено функционалността на протеина, така че той успешно продължава да работи нормално в клетките на животните, но вирусът вече не може да го използва за проникване в тях. След като е станала на десет месеца, Ginger е изложена на вируса чрез поставяне в съжителство с теле, което е негов носител и го отделя активно. Въпреки че той е открит в кръвта ѝ, вирусният товар е бил значително по-нисък и тя не е проявила симптомите, характерни за заболяването.

Тази разработка показва нов хоризонт пред генните редакции под формата на своеобразни перманентни ваксини, които могат да бъдат вмъкнати при създаването на нови породи. Възможността за прецизни редакции е изключително полезен инструмент, тъй като дори малка разлика в един ген може да доведе до големи промени в организма. Това е видно и от работата на учени от Женевския университет.

Биохимичните процеси в организмите протичат като последователност от химични реакции, наречена сигнален път (или биохимична каскада). В повечето случаи тези реакции са контролирани от активацията или спирането на действието на различни гени. В най-простия вариант са линейни и се активират от един ген вследствие на някакъв стимул, като всяка стъпка започва след края на предходната, но има и случаи, в които са разклонени, с много стъпки, които се влияят една от друга и са с различни активиращи гени.

Един от особено важните гени, контролиращи такива сигнални пътища, е Shh (Sonic hedgehog, Таралежът Соник), който взема участие в морфогенезата на централната нервна система, дробовете, крайниците, зъбите – симетрични части на тялото. Той е отговорен и за правилното развитие на различни образувания по кожата – косми, пера и люспи. Тези структури са хомолози и се предполага, че произхождат от общ предшественик на гръбначните животни.

Установено е, че при активиране на Shh по време на развитието на ембриона люспите, които обичайно покриват краката на кокошките, се трансформират в пера. Те имат идентична структура като тези по другите части и с възрастта преминават от пух към същински пера. Интересното е, че в случая дори не е имало генетична манипулация в класическия ѝ смисъл. Активацията на гена е постигната чрез инжектиране на малка молекула (SAG) в 11-тия ден от развитието на ембриона, която активира сигналния път на Shh, без да се правят намеси в генома на животните.

Според учените самата трансформация дава повече информация за процесите на образуване на различните структури. Но по-интересното е, че тя е следствие от временна промяна в експресията на гена, което може да има голямо значение за земеделската продукция, където генните манипулации подлежат на строг контрол и ако могат да бъдат избегнати, пускането на нови продукти на пазара ще бъде значително по-лесно.

Издайническа ДНК

ДНК е навсякъде – всички организми я отделят в околната среда с биологичните си дейности. Благодарение на това се развива и цяла нова научна област, в която се работи със сборни проби от най-различни източници, като водоеми, въздух, почва и др. Събраната ДНК от околната среда (eDNA, environmental DNA) може да бъде секвенирана и след това с помощта на биоинформатични методи (компютърен анализ на данните) да се правят най-различни проучвания за обитателите на даден ареал – видов състав, здравен статус. Два актуални примера са откриването на нови вируси, за което разказахме наскоро, и употребата на сходен подход за проследяване и прогноза на потенциални огнища на COVID-19 чрез проби от пречиствателни станции.

В това отношение човекът не се различава от останалите организми. Ние отделяме ежедневно своята ДНК чрез аерозоли (говор, кашляне, кихане), частици кожа, при отделителните процеси. Доскоро това не беше от ключово значение, защото при повечето изследвания се използва количествен PCR (qPCR, quantitative PCR), при който е необходима информация за търсения организъм. Но с напредването на технологиите за изолация и секвениране на ДНК и последващата обработка на получените данни за учените става достъпна информация за целия генетичен материал в събраната проба.

Ново изследване описва потенциалните проблеми и възможности, които произтичат от това. Основният обект на учените са костенурки, размножаващи се по плажовете на Флорида. Изолирайки ДНК от следите, които оставят в пясъка, те могат да проследяват популациите им и да наблюдават появата на заболявания, причинени от вируси. След като откриват човешки генетични последователности в един такъв набор, изследователите решават да се фокусират върху това и освен от плажен пясък събират и водни проби от океана и река във Флорида.

Откриването на човешка ДНК в тях не е особена изненада, но качеството ѝ е било значително по-високо от очакваното. Успешно са открити митохондриални мутации, свързани с аутизъм, диабет, очни и сърдечни заболявания. Наред с това е направен и популационно-генетичен анализ, при който е установено, че данните отговарят на демографското разпределение в района. Експериментът е повторен и с вода от река в Ирландия със сходни резултати.

Може би най-впечатляващо е отчитането на човешка ДНК в проби от въздух, взет от стаите на ветеринарна клиника. Отново са засечени мутации, свързани със заболявания, а също така успешно е определено потеклото на работещите в клиниката. Открити са и папиломен вирус, причиняващ туморни заболявания по костенурки (пациентите на клиниката), както и тяхната ДНК.

Това повдига редица етични въпроси, свързани с неприкосновеността и даването на съгласие за обработка на генетични данни, възможността за проследяване и дискриминацията на цели групи на база белези, които вече могат да бъдат открити, без да се вземат проби непосредствено от хората. Предвид практиката данните от секвениране при всички изследвания, финансирани от държавата, да се качват в публично достъпни бази данни, това би могло да даде достъп до подобна информация на компании и други организации, без реално те да извършват работата по обработка на биологичните проби.

Но това не означава, че подходът не може да се използва и за добро. Потенциални приложения са следенето на популационната динамика, както и на появата на зловредни мутации, нови заболявания или техни щамове и варианти. Друга авангардна идея, предложена от авторите, е търсенето на загубени хора чрез събиране на проби от въздуха с помощта на дрон. Въпреки че има потенциално приложение и в криминалистиката, според професорката по право Натали Рам, специализираща в сигурността на генетичните данни, технологията крие риск да ни постави под постоянно наблюдение и заключения да се правят въз основа на случайно попаднал генетичен материал.

Както при всяко ново откритие, предстои период на изясняване на пълните му възможности и поставяне на законови и етични рамки, които да насочат употребата му така, че да бъде полезно за обществото и да носи основно позитиви.

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-mikro-i-nanoplastmasi-i-evolyutsiya-na-virusite/

Микро- и нанопластмаси

Пластмасите са революционен материал, който много бързо след изобретяването му навлиза във всички области на живота и променя цели индустрии. В повечето случаи пластмасите са синтетични полимери, произвеждани от нефт (за някои вече се използват растителни суровини, например царевица), но тази зависимост не е най-големият проблем с тях. Комбинацията между широкото им разпространение, производството на големи обеми изделия за еднократна употреба и невъзможността да се разграждат в природата води до редица екологични предизвикателства.

Oсвен прякото замърсяване на природата с пластмаси има и друга уловка – при употребата им се получават микро- и нанопластмасови частици (МНП), които са с размер съответно под 5 мм и 1 µм. Част от тях се произвеждат за най-различни цели (ексфолианти в козметиката, за индустриални нужди), но друг източник е всекидневната употреба на пластмасови продукти. МНП се отделят при прането на синтетични дрехи, от пластмасовите съдове и прибори, от гумите на колите – почти няма дейност, свързана с употребата на пластмаса, която да не генерира известно количество от тях.

Вследствие на това те могат да бъдат открити навсякъде в околната среда – във въздуха, в естествени и изкуствени водни басейни, в почвата, откъдето попадат и в хранителните вериги на всички обитатели на екосистемите дори и в най-отдалечените места.

МНП са открити във водорасли, растящи под леда в протока Фрам, намиращ се между Гренландия и Свалбард в Северния ледовит океан. Видът Melosira arctica образува дълги нишки със слузеста покривка, която има способността да улавя частиците около себе си – от въздуха, водата и леда. Водораслите нарастват бързо през пролетта и лятото, след което клетките, изграждащи нишките, започват да отмират. След стопяването на ледените късове, върху които са прикрепени, водораслите се оплитат и образуват агрегати, които бързо потъват в дълбочините, носейки пластмасовите частици със себе си. Това обяснява откриването на МНП дори на дълбочина от няколко хиляди метра.

Веднъж попаднали там, те преминават в хранителната верига – от различни видове зоопланктон, които служат за храна на арктическата треска, която от своя страна е жертва на различни водни птици и тюлени, които пък са част от менюто на полярните мечки.

От околната среда – чрез храната, – както и от продуктите, които използваме, МНП попадат и в нашите тела. Според една публикация всяка седмица поглъщаме по 5 г пластмаса, което грубо се равнява на една банкова карта. Ето защо зачестяват съобщенията за откриването им в различни човешки органи и индикациите, че това може да доведе до редица заболявания, стават притеснителни.

До сравнително скоро главният фокус беше върху химическите добавки в пластмасите, използвани за промяна на свойствата им, като бисфенол A (BPA), който има потенциал да наруши ендокринната система и действа сходно на естрогена. Въпреки че тези ефекти са слаби, поради широката му употреба хората са постоянно изложени на него, което води до редица регулации за приложението му в продукти за хранителната промишленост. Например в Европейския съюз той е включен в списъка на веществата, пораждащи сериозно безпокойство.

Може да се окаже обаче, че някои пластмаси имат такива свойства и без в тях да са вложени допълнителни вещества. За да определят ефекта от вдишването им, учени са изложили разгонени женски плъхове на аерозолен поток от полиамидни наночастици в концентрация, сходна с тази, на която сме изложени във всекидневието си. При вдишването им частиците би трябвало да покрият всички части на белите дробове, но това не е довело до възпалителни процеси в тях. Наблюдаваните промени са повишено кръвно налягане и стесняване на кръвоносните съдове в матката, без изменения в аортата.

Но най-интересно е, че макар качеството на използваната пластмаса да е било подходящо за хранителната индустрия и да са липсвали добавки, са отчетени понижени нива на естрадиол, който е един от основните женски хормони и има роля в регулирането на менструалния цикъл и развитието на гърдите. Това означава, че самите наночастици нарушават функциите на ендокринната система. Склонността на полиамида да се свързва с вещества, сходни с естрогена, вече е известна, но за първи път изследване показва директното му влияние in vivo след приемане по начин, който можем да срещнем всеки ден.

Освен че влияят върху хормоните, МНП могат да достигнат и най-различни органи, например мозъка. Скорошно изследване показва, че полистиреновите наночастици имат способността да преминат кръвно-мозъчната бариера. Полистиренът е полимер, който се използва изключително често в хранителната индустрия за еднократни опаковки, като кутии за бързо хранене и чаши (пример е експандираният полистирен – бялата „пухкава“ пластмаса, сходна със стиропора).

Използвайки компютърен модел с няколко различни условия, учените са проследили възможността за преминаване през липидна мембрана, сходна с тази, предпазваща мозъка. Контролното условие е с обикновени наночастици, а другите – с различна покривка, която се състои от холестерол или протеини, създаващи т.нар. биомолекулна корона – ефект, използван за доставяне на лекарства под формата на наночастици. Моделът е показал, че протеиновата корона възпрепятства частиците да преминат към нервната тъкан, докато холестеролната ги улеснява. Симулацията е потвърдена и in vivo в мишки, при които е установено, че частиците успешно са преминали в мозъка им само два часа след като са ги приели с храната си.

Преминаването на тази бариера е притеснително, защото тя има изключително важна защитна функция – предпазва мозъка от патогени и вредни вещества, които могат да циркулират в кръвообращението. Според учените навлизането на частиците в мозъка може да доведе до по-чести възпалителни процеси, които да са причина за развитие на тумори и невродегенеративни заболявания като алцхаймер и паркинсон.

Решение за въпроса с МНП все още няма, но по него се работи активно. Ограничаването на използваните пластмасови продукти е част от стратегията, но предвид масовостта и икономическите им предимства ще трябва да се разработят и системи за намаляването, улавянето и преработването.

Еволюция на вирусите

Повече от 100 години учените не могат да решат дали да класифицират вирусите като живи организми, но е неоспоримо, че те са ключов фактор в еволюцията и развитието на биосистемите и успешно използват всички познати организми като свои гостоприемници – бактерии, гъби, растения и животни, дори и други вируси. Това е благодарение на тяхната изключително разнообразна форма, структура и генетичен материал.

Двойноверижните ДНК (ДвДНК) вируси се класифицират в две основни групи – Varidnaviria (които са сравнително големи) и Duplodnaviria (които са по-малки). Първата е доста разнообразна и голяма част от вирусите в нея се намират в соленоводните басейни, но тя включва и причинителите на редица важни заболявания, като едра шарка, африканска чума по свинете и др. Малките вируси от своя страна са поели по два пътя – едните (Caudoviricetes) специализират по прокариотни организми и имат характерната за бактериофагите структура, докато другите са предпочели животните – това е групата на добре познатите херпес вируси (Herpesvirales). Това разделяне представлява интерес за учените, защото няма ясна следа откъде са произлезли херпес вирусите и каква е родствената връзка между големите и малките ДвДНК вируси.

Потенциално свързващо звено е открито в публичния набор данни от проекта Tara Oceans, целящ обследването на планктона в слоевете на океаните, в които достига слънчева светлина. При анализ на около 1000 метагенома и метатранскриптома (сборна информация за всички гени и информационни РНКи в една проба, най-често от различни индивиди/видове) за общи гени и протеини между отделните групи е установено съществуването на непознати до момента вируси, наречени mirusvirus (от лат. mirus – ’странно, неочаквано’). Техни гостоприемници са някои видове планктон и макар да са новооткрити, изглежда, че са сред широко разпространените групи вируси в океаните. Освен това данните сочат, че след като инфектират планктона, те са много активни в него, което показва потенциала им да регулират неговите популации. Така с потъването на мъртвите клетки се подхранват други екологични системи.

Геномът на тези вируси е сложен, съставен от части с различен произход. Повечето от гените им, наред с функционално важните за репликация и транскрипция на ДНК, са близки до тези на големите вируси. Но гените, отговарящи за образуването на капсида им (обвивката, която ги предпазва от околната среда и им помага да навлязат в гостоприемника) и служещи за таксономично определяне, показват връзка с групата на херпес вирусите. Според учените най-вероятно те са се появили от общ предшественик след процес, наречен редуктивна еволюция, при който части от генома на организмите отпадат.

Благодарение на екип от Оксфорд вече знаем повече и за произхода на вирусите от Bamfordvirae, част от групата Varidnaviria. Те са доста разнообразни и включват няколко основни вида, като NCLDV (най-големите вируси, открити до момента), аденовирусите (причиняващи настинки), вирофагите (вируси, паразитиращи по вируси), както и полинтоните – мобилни генетични елементи, които могат да се интегрират в генома на гостоприемника си.

До момента има две основни хипотези за появата им. Според първата – „отделяне от ядрото“ – предшествениците са били полинтони, които са се отделили от генома на по-сложни видове и са започнали да се разпространяват, паразитирайки, като с времето се обвиват в капсид, давайки начало на аденовирусите и NCLDV. При другата – „вирофаген произход“ – се предполага, че NCLDV са еволюирали заедно с вирофагите, от които с течение на времето са се отделили полинтоните и аденовирусите.

Използвайки статистически и филогенетични методи, учените са разгледали четири от най-важните гени, които се срещат във всички тези вируси и отговарят за оформянето на техния капсид. Получените резултати показват липса на пряка връзка между аденовирусите и NCLDV, което опровергава първата хипотеза. Според данните аденовирусите и полинтоните имат общ предшественик, който не е свързан с NCLDV. Подкрепата за втората хипотеза не е пълна, защото този предшественик не е бил вирофаг, но това не я отрича изцяло, така че авторите я приемат като най-вероятно обяснение за еволюционните процеси.

Според тях вирофагите са еволюирали наред с NCLDV, като са се специализирали да ги заразяват. Най-вероятно общият предшественик за цялата група е бил активен поне преди около един милиард години, обменяйки генетична информация с последния общ предшественик на еукариотните клетки (LECA). Това показва тясната връзка на вирусите с еволюцията на по-висшите организми и повдига въпроса дали те нямат принос за тези процеси.

Освен в миналото, вирусите ще са ключов участник и в бъдещето на екологичните процеси, протичащи на фона на глобалните климатични промени. Основен участник в глобалните цикли на въглерод и хранителни вещества са микроорганизмите, които ги синтезират, разграждат и трансформират от един вид в друг. Динамиката на тези процеси зависи от температурата и някои промени в тях са вече известни – ускоряване на отделянето на въглероден диоксид, преразпределяне във видовия състав.

Предвид важната връзка между вирусите и микроорганизмите, едно от притесненията на учените е, че не знаем как промените в климата ще се отразят на техните взаимодействия. Събраните в обзорна статия данни сочат, че с повишаване на температурата латентният период (от заразяване до отделяне на нови вирусни частици) се скъсява, броят на отделените вириони се увеличава, увеличава се и смъртността на гостоприемниците. Това би довело до сериозни промени в хранителните мрежи в микробиалните системи, но за съжаление, в момента има повече въпроси, отколкото отговори какви ще бъдат те.

Авторите предлагат торфените блата като моделна система, в която да се проучат по-добре както взаимодействията между вирусите и микроорганизмите, така и влиянието на температурата върху тях. Самите процеси в тези блата са сравнително добре изследвани, а вече започват да се появяват и публикации за ролята на вирусите в тях. Според опростен модел, описан в статията, може да се очаква, че с повишаването на температурата вирусите всъщност биха имали благоприятно влияние, тъй като ще увеличат значително количеството органичен въглерод, който след това ще премине в нещо като хранилище под формата на торф.

Освен ясно видимите промени, които вирусите могат да донесат за хората (най-ярък е пандемията, от която още не сме се възстановили), те може да се окажат ключов участник и в по-бавните и „невидими“ процеси, протичащи в екосистеми, на които не се обръща толкова внимание или пък е трудно да се изследват, като океаните и почвите. Вникването в еволюционните процеси в тези интересни видове, намиращи се на ръба между живото и неживото, ще ни помогне да се подготвим за промените в климата, които ни очакват.

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-pretsizno-zemedelie-kletuchna-biologiya-i-mikrobiologiya/

В помощ на прецизното земеделие

Прецизното земеделие е сравнително нов подход, чието бързо развитие се дължи на различни технологии. Сред тях са отдалеченото отчитане с помощта на леки безпилотни летателни апарати и спътници, тракторите, подпомогнати от GPS, локалните метеорологични станции за измерване на различни климатични и почвени параметри. Благодарение на събраните данни фермерите могат да намалят значително количеството на влаганите вода и пестициди, както и броя на самите третирания, което води до големи икономически и екологични ползи.

Например след като посевът бъде заснет в различни спектри на светлината, може да се определят само конкретни зони, в които е нужно поливане. Климатичните данни могат да бъдат обработени с математически модели и да се прогнозира появата на заболявания и неприятели, като се определи най-подходящият момент за третиране срещу тях.

Една от основните дейности, които имат нужда от оптимизация, е използването на препарати, като най-разпространеният метод в момента е пръскането им върху повърхността на растенията. Дори при употребата на микропръскачки, които целево третират само определени растения, препаратите се задържат върху повърхността им за много кратко време. Освен че това не е много ефективен метод за приемането им от растенията, те са изложени на атмосферните влияния, което може да понижи активността им, а при някои пестициди улеснява попадането им в почвата, откъдето могат да замърсят подпочвените води.

Потенциално решение, описано в скорошно пилотно изследване, е използването на микроигли, които са направени от протеини, съдържащи се в коприната. За изработването им протеините са изолирани от ларви на копринената пеперуда, след което са формовани чрез силиконови калъпи в тънки ленти с микроскопични шипчета. С тяхна помощ учените успешно са внесли директно в растенията растежния регулатор гиберелинова киселина, който стимулира клетъчното делене. След процедурата са проследени нивата на генна експресия, както и влиянието на третирането върху моделното растение Arabidopsis thaliana. Експерименти са направени и с някои културни видове, като домат, маруля, ориз и др.

Нараняването на тъканите е видно от появата на микроскопичен калус (образувание след нараняване на тъканта) върху листата на обработените растения, но той не е попречил на развитието им. Установени са и промени в активността на гени, свързани с нараняването на тъкани, но само 24 часа след микроинжектирането техните нива са се върнали до нормалните, наблюдавани при контролните растения. Наред с това, при сравнение с традиционното третиране чрез пръскане, при новия метод е установена значима разлика в ефекта дори и при използване на трикратно пръскане и еднократно приложение на микроиглите. Тези резултати показват, че методът не е прекалено инвазивен и има потенциал да даде по-добър ефект от рутинното пръскане и това би помогнало за намаляване на количеството използван препарат.

Авторите смятат, че това може да бъде важен компонент в системата на прецизното земеделие. Освен растежни регулатори, които се използват рутинно в земеделската практика за постигане на най-различни ефекти в отглежданите култури, методът може да се приложи и за други биологично активни вещества и микроелементи. Особен интерес представлява възможността за внасяне на генетичен материал в растенията – например вмъкването на CRISPR конструкти, което има потенциал да изведе генетичните модификации от лабораторията на полето.

Приложение в прецизното земеделие може да намери и откритието, че растенията издават звуци, когато са изложени на стрес. Досега се знаеше, че вибрират, но за първи път се установява, че тези вибрации могат да се носят по въздуха под формата на звук.

Като всеки организъм растенията са подложени на различни видове стрес. Най-общо те се разделят на абиотичен – суша, екстремни температури и други неблагоприятни условия на околната среда; и биотичен – повреди от различни патогени и неприятели. В повечето случаи стресовите фактори при растенията се установяват, след като те вече проявят симптоми като увяхване или повреди.

Това може да се промени благодарение на учени от Университета в Тел Авив. Те са установили, че растенията издават звуци, които се носят по въздуха и могат да бъдат уловени на разстояние от 3 до 5 метра. За целта са използвани специални ултразвукови микрофони, работещи в честотен диапазон от 20 до 250 kHz (над границите на човешкия слух). След обработка на записите на тях могат да се чуят специфични звуци, напомнящи пукането на пуканки. Учените са установили, че растенията, които не са изложени на стрес, рядко издават звуци, докато стресираните го правят над 10 пъти всеки час.

Сред експериментите, проведени от екипа, е определяне на засушаването при домати. След като записали две групи растения – едни, поливани нормално, и други, които не са поливани няколко дни, – с помощта на алгоритъм за машинно обучение учените успяват да ги разделят само по звуците, които издават, като в зависимост от обработката на данните точността може да достигне 98%. Особено интересно е, че растенията, страдащи от липса на вода, могат да бъдат открити, преди да започнат да показват външни признаци. Звуците зачестяват с намаляването на почвената влага през първите 4–5 дни, след което започва процесът на изсъхване и растенията отново утихват.

Експериментът е проведен и с други растителни видове – тютюн, лоза, пшеница, царевица, както и с други видове стрес – отрязване на стъблото и заразяване с вируса на доматената мозайка (TMV). При всички случаи отчитането на учестени ултразвуци при стрес е било успешно, което показва, че това най-вероятно е процес, протичащ навсякъде в природата. Предполага се, че феноменът се дължи на кавитация в ксилема – вдървесинената проводяща тъкан на растенията, по която водата се придвижва от корените към надземните части.

Изследването разширява значително знанията ни за комуникацията между растенията и други организми. До момента беше известно, че при различни неблагоприятни условия растенията отделят летливи органични вещества, наречени семиохимикали, които могат да служат за защита от неприятели, но също така и като предупредителен сигнал за околните. Например при нараняване листата на черната елша започват да стават по-устойчиви на насекоми. Интригуващото е, че тези промени се наблюдават и в близките дървета, като ефектът намалява с увеличаване на разстоянието. Колкото по-отдалечени са дърветата от първото наранено дърво, толкова повече повреди и снесени яйца се отчитат.

Издаването на ултразвук може да е сходен механизъм, служещ за предупреждение между растенията или за привличане на потенциални опрашители. Редица животни могат да чуват в този честотен диапазон, така че тепърва предстои да се установят потенциалните взаимовръзки в тази система за комуникация.

Клетъчна биология

Работата с човешки ембриони е обвързана с много регулации, етични въпроси и ограничено количество достъпен материал. Доскоро границата за отглеждането им в лабораторни условия беше 14 дни след оплождане, което съвпада с първите признаци за развитие на нервната система. Затова ранните стадии на човешкото развитие са до голяма степен недостатъчно изследвани. През 2021 г. ISSCR (International Society for Stem Cell Research, Международното дружество за изследване на стволовите клетки) обнови препоръките си, премахвайки това правило и позволявайки провеждането на по-дълги проучвания след индивидуално одобрение на експерименталния дизайн. Това отваря нови хоризонти пред учените, но не премахва всички трудности, свързани с експериментите.

Един от подходите, които се използват за заобикаляне на тези пречки, е прилагането на сравнително нов похват – създаване на структури от стволови клетки, подобни на естествените. Броят на публикациите за миши бластоиди и ембриоиди (различаваме ги по завършека -ид) расте, като освен in vitro, получените структури са наблюдавани за по-продължителен период и in vivo след имплантирането им. Такива структури са създадени успешно и от човешки стволови клетки, но се изучават само in vitro, тъй като регулациите на етичните комисии не позволяват имплантирането им. По тази причина китайски екип е решил да извърши експеримента със стволови клетки от явански макак. Този вид е използван и за други сходни изследвания – първите клонирани и първите генетично модифицирани примати, съответно през 2018 и 2019 г.

Започвайки отново със стволови клетки, учените успешно създават бластоиди в клетъчна култура, които под микроскоп приличат много на естествените бластоцисти. След по-продължително култивиране те започват да оформят и структури, сходни с естествените. Това е потвърдено и със секвениране на РНК от единични клетки от тези структури, като се установява сходство с генната експресия при бластоцистите. Част от получените бластоиди са прехвърлени за проследяване in vivo и успешно са се имплантирали в маточната стена на три от осемте женски.

Първата стъпка от бременността е потвърдена с помощта на ултразвук и измерване на нивата на хормоните, които се повишават с настъпването ѝ, като прогестерон и хорионгонадотропин. Но въпреки всички признаци на започваща бременност, след около седмица тези промени изчезват и развитието към ембрион не продължава.

Макар че авторите отчитат потенциални етични конфликти в подобни изследвания, не смятат, че са съществени, тъй като бластоидите не могат да се развият в зародиш. От друга страна, това ограничение не пречи да се изследват първоначалните стадии на развитие, които крият опасност от спонтанно отхвърляне и други генетични и структурни грешки. За да се обърне по-обстойно внимание на тези промени, учените планират да използват методи за генетично редактиране в следващите си експерименти. И учените, и регулаторните органи смятат, че такива изследвания могат да бъдат изключително полезни за науката и медицинската практика и е добре да се популяризират, за да може да се проведе и обществена дискусия с неспециалисти.

Микробиология

Бактериофагите, накратко фаги, са група вируси, които паразитират само по прокариотни организми и за които се смята, че са най-разпространените организми в биосферата. Тяхната структура е изключително характерна – „глава“, в която се съдържа генетичният им материал, „опашка“, помагаща за вмъкването му в гостоприемника, и „крачета“. След като открият жертвата си, фагите се захващат с крачетата към нея, свиват опашката си и „инжектират“ своя генетичен материал. Веднъж попаднал в гостоприемника, той окупира клетъчния му апарат, започвайки производство на вирусни частици, които впоследствие се самоорганизират в нови бактериофаги.

Опашката им играе изключително важна роля в способността да заразяват бактерии. В това отношение бактериофагът P74-26 е много интересен, защото има изключително дълга опашка – почти 1 микрометър, което е 10 пъти повече от обичайното. Той е открит в топли извори и основният му гостоприемник е бактерията Thermus thermophilus, за която оптималната температура е 65°C. Поради това се смята, че P74-26 е най-термостабилният бактериофаг познат до момента.

Използвайки изображения от криоелектронен микроскоп с висока резолюция и данни от последващи компютърни симулации, американски екип вероятно е успял да разгадае тайната на стабилността на този бактериофаг. Както при другите фаги, опашката е съставена от множество протеинови мономери – малки „блокчета“, които се свързват едно с друго като своеобразно Lego.

При подходяща температура те променят формата си, образувайки примка в едната си част и вдлъбнатина в другата, което им позволява да се захванат много здраво, оформяйки пръстени от два типа. Пръстените се подреждат един върху друг и така изграждат структурата на опашката. Друго наблюдение е, че P74-26 използва по-големи мономери. Хипотезата на учените е, че в миналото на бактериофага е имало еволюционно събитие, при което е настъпило окрупняване на мономери – те са се слели, създавайки по-стабилен и температуроустойчив градивен елемент.

Фагите представляват все по-голям интерес най-вече заради своята способност да убиват бактерии, без да влияят на животинските организми. Това може да се окаже изключително ефективен метод за справяне с бактериите, изключващ употребата на антибиотици. Моделът може да намери приложение и в бъдещи наноструктури, като микроскопични биологични „роботи“, които да доставят медикаменти в телата ни или да подпомагат имунната ни система.

Заглавно изображение: Микроскопска снимка на лист на амофила (песъчар), 100х увеличение. Източник: Berkshire Community College Bioscience Image Library / Flickr

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-agrovoltaichni-sistemi-karta-na-mozuka/

Агроволтаични системи

Слънчевите панели наред с вятърните генератори са един от ключовите начини за добиване на електричество от възобновяеми източници, но сред основните им недостатъци е мястото, което заемат. Често те са организирани в соларни ферми, разположени върху земя, която може да се използва за земеделие. Едно от възможните решения на това са агроволтаичните системи – панелите се поставят по-високо, давайки възможност под тях да се отглеждат различни култури.

Проблем при такъв тип системи е засенчването на растенията от панелите. Но при отглеждане на соя в соларна ферма в Италия намалението на добива не е било толкова значително. В зависимост от осветеността загубата е била между 8 и 13%, което е далеч под очакванията и изискванията, посочени в някои стандарти. Наред с добива са определени и някои важни параметри – височина на растенията, съдържание на хлорофил и листна площ. Този полеви експеримент е използван за валидиране на сложен компютърен модел, който може да симулира целия растежен период и да предвиди потенциалния добив.

Соята се смята за култура, която не търпи засенчване, но данните, налични към момента, са получени при условия, в които няма агроволтаична система. Това изследване показва нуждата от изпитването на растенията в реална среда, тъй като наличието на панели не е същото като засенчването при съвместно отглеждане на различни растителни видове.

В някои случаи засенчването дори може да се окаже полезно – в географски области със силно слънцегреене и малко валежи, каквито се наблюдават в части на Африка, агроволтаичните системи позволяват отглеждането на култури, за които прекалено силното слънце и прекомерната топлина са неблагоприятни. Осигурената сянка намалява и нуждата от вода, което допълнително улеснява фермерите.

Интересно решение са и полупрозрачните органични панели. За разлика от конвенционалните силициеви панели, в тях има един или няколко слоя органични вещества, които поглъщат светлина основно в ултравиолетовия и инфрачервения спектър, и така се пропуска видимата ѝ част. Един от недостатъците на тези панели е, че те се амортизират сравнително бързо, което налага да се подменят по-често.

Потенциално решение за това е описано в скорошна публикация в журнала Nature Sustainability. В структурата на панелите е добавен междинен слой от естествения антиоксидант глутатион, който се среща във всички висши живи организми. Той предпазва органичния фотоактивен слой от възникването на радикали, които съкращават живота му. В пилотното изследване е постигнато запазване на ефективността над 80% след 1000 часа работа.

Изпитано е и как панелите влияят на растения като броколи и пшеница, което е дало изненадващи резултати. В оранжерия, покрита с органични панели, растежът на културите е бил по-интензивен в сравнение с растежа в оранжерия със стъклен покрив. Авторите го обясняват с това, че панелът поглъща UV и инфрачервените лъчи, предпазвайки растенията от вредното влияние на първите и намалявайки затоплянето на оранжерията от вторите.

Интересно е, че освен за растенията този тип системи може да бъде полезен и за самите соларни панели. Тъй като топлината е един от основните фактори, които определят тяхната дълготрайност и ефективност, охлаждането им е особено важно, но все още няма технология, която да е напълно енергийно и икономически обоснована.

В скорошно изследване екип от Университета „Корнел“ показва, че повдигането на панелите на по-голяма височина и засяването на соя под тях може да е от помощ за охлаждането им. Подобно на италианските си колеги те са разработили модел за симулация на температурата на панелите в зависимост от растителната покривка под тях. В експеримента е установено, че при повдигане на панелите на 4 м над земната повърхност и засяване на соя под тях, температурата на фотоволтаиците спада с 10℃ през светлата част на деня в сравнение с тези, които са монтирани на 0,5 м над почва без растителност. Ефектът на охлаждане се дължи на два основни фактора, първият от които е промяна в отражателната способност (албедо) на почвата след засяване на културата. Вторият, играещ по-голяма роля, е евапотранспирацията, и по-специално транспирацията, която се осъществява от растенията. При този процес растенията отделят вода през надземните си части (основно листата), като по този начин създават отрицателен воден потенциал в тъканите си, което от своя страна им позволява да приемат вода през корените си.

Космос

Звездите на Волф-Райе са специфичен клас свръхгиганти, които имат сравнително кратък живот – няколко милиона години. Те се отличават с изключителна яркост и бързо преминаване към супернова, като в процеса отделят много голяма част от масата си.

Наскоро публикувана снимка от телескопа „Джеймс Уеб“ показва звездата WR 124 от съзвездието Стрела. Тя е около 30 пъти по-масивна от Слънцето и вече е загубила една трета от своята маса, като изхвърленият материал изстива при отдалечаването си от звездата, образувайки мъглявина от звезден прах, която се разширява със скорост от над 150 000 км/ч.

Тъй като мъглявината излъчва светлина основно в инфрачервената част от спектъра, наличието на детектори в инфрачервения спектър прави космическата обсерватория изключително важен инструмент за изучаването на подобен тип мъглявини и на процесите, протичащи в тях. Образуването на космически прах е въпрос, който активно вълнува астрономите, защото той е изключително важен за редица процеси във Вселената, включително образуването на по-сложни молекули, от които да се зароди живот.

Преди половин година астероидът Диморфос беше ударен от сондата DART на NASA, като основната цел на мисията бе да се проучи възможността за отклоняване на потенциални опасности за Земята. Той е с размер под 200 м и обикаля около четири пъти по-големия Дидим. След челния удар е отчетена бърза промяна в орбитите на двете тела.

Освен този непосредствен резултат от експеримента, за него продължават да се публикуват нови данни. С помощта на инструмента MUSE към Много големия телескоп (VLT) в Чили са проучени структурата и спектралното излъчване на изхвърлените при сблъсъка частици. Един от основните въпроси, на който са искали да отговорят учените, е дали в астероида се съдържа вода, тъй като повечето астероиди са съставени от каменисти частици, които не са в плътна структура. Въпреки това по повърхността на някои астероиди, например 24 Themis, е открита вода под формата на лед, като дори е възможно в сърцевината му да има резервоари. Това е интересно с оглед на хипотезата, че водата на Земята е резултат от сблъсъци на тела с високо водно съдържание в началните стадии от развитието ѝ.

За съжаление, Диморфос се е оказал сух – в получените спектри няма данни за вода или за органични молекули. Все пак учените са успели да проследят образуването на облака от изхвърлени частици и техния размер. Ударът е предизвикал изхвърлянето на почти 1000 тона материал, който под влияние на слънчевия натиск и гравитацията на Дидим се е оформил като опашка на двойната система, образувана от двата астероида.

Карта на мозъка

Човешкият мозък е сложна структура, в която милиарди неврони образуват трилиони връзки помежду си, позволявайки на отделните му части да комуникират една с друга. Тези своеобразни мрежи съхраняват нашите спомени, определят как възприемаме света, и изграждат нашата същност. Наличието на пълна схема на мозъка, т.нар. конектом, би помогнало много за цялостното ни разбиране на тези процеси. Заради това изграждането на такава схема е поле на изключително интензивна изследователска дейност.

Голямата плътност и сложност на човешкия мозък и на мозъците на другите гръбначни животни правят разплитането на невронната мрежа в тях изключително трудна задача. До момента са публикувани няколко конектома на сравнително прости организми с малък брой неврони, като нематода Caenorhabditis elegans, при който са малко над 300.

По тази причина публикуването на първата пълна карта на мозъка на насекомо с над 3000 неврона и 500 000 синапса е изключително вълнуващо. Въпреки че ларвата на Drosophila melanogaster е по-малка от оризово зърно, тя носи в себе си напълно развит мозък, който има паралели с човешкия: две полукълба, структура, наподобяваща мозъчния ствол, и издатък, аналогичен на гръбначния мозък, който контролира мускулите на насекомото.

Конектомът е резултат от съвместната работа на учени от три институции и над 12-годишно събиране и обработване на данни. За съставянето му мозъкът на ларвата е бил нарязан на множество тънки слоеве, които впоследствие са заснети с електронен микроскоп. След получаването на изображенията, връзките между невроните е трябвало да бъдат проследени и описани. Тези данни са дадени на друг екип, който с помощта на специално разработен от него софтуер е съставил картата и е определил типа на невроните на основата на техните връзки.

Едно от първите неща, които стават видни, е наличието на различни видове връзки между невроните. До момента се считаше, че повечето са свързани чрез своите аксони (своеобразната опашка) с дендритите (късите израстъци от ядрото им) на други неврони, като по този начин предават информация един на друг.

Въпреки че връзките между два аксона или два дендрита са били известни на учените, от този конектом се вижда, че те не са рядко срещани и са почти половината от всички връзки в мозъка. Същевременно някои са били свързани и с няколко различни връзки – това не беше известно на учените досега.

Изследването ще помогне и за определяне на вида на невроните, като до момента това се правеше основно на базата на тяхното групиране и форма. Софтуерът, използван за анализ на този конектом, е позволил разделянето на невроните според връзките, които изграждат, дефинирайки 93 отделни вида клетки в мозъка на ларвата. Проследени са и връзките между двете полукълба на мозъка, което до момента е било обект само на повърхностни наблюдения.

Особено голям интерес представлява и откритието, че невроните образуват структури, които се срещат и при компютърните невронни мрежи – многослойни, циклични, минаващи пряко през няколко функционални слоя на мозъка. Това се наблюдава най-вече в областите, отговорни за учене и памет, които имат голямо сходство с невронните мрежи с обратна връзка (рекурентни, RNNs), използвани за задачи като машинен превод, разпознаване и синтез на глас. По-доброто разбиране за биологичните системи ще даде възможност за вникване и подобряване на синтетичните им аналози. Ако симулирането дори на прост мозък като този на дрозофилата стане възможно, това ще бъде огромен скок както във възможностите на изкуствения интелект, така и в неговата енергийна ефективност, тъй като това е фактор, който не бива да се пренебрегва.

Въпреки че мозъците на гръбначните животни са много по-сложни, тази карта има потенциала за значителен принос в редица научни области. Освен при изкуствения интелект, поради структурната сходност и редица общи гени с бозайниците, може да допринесе пряко за разбирането ни за процесите при човека, както и да служи за модел на някои неврологични заболявания.

Заглавно изображение: звездата WR 124. Източник: NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO Production Team

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-sintetichna-kozha-regeneratsiya-na-mozuchna-tukan/

Хидрогеловете са порьозни структури, съставени основно от течност, най-често вода, в която има мрежа от нишки от природни или синтетични полимери. Те са познати от над сто години и имат широко приложение в индустрията, медицината и изследователската дейност.

Пример е абсорбиращият материал в памперсите – някои разработки на такива материали обещават способност да погълнат вода, която е 3000 пъти колкото теглото им. Друг често срещан продукт са меките контактни лещи, чието голямо предимство е, че структурата им позволява преминаването на кислород към тъканите на окото.

Поради изключителните си свойства те са в авангарда на много и различни новосъздаващи се технологии.

Синтетична кожа

Статистически комарите са най-смъртоносните животни на планетата – според СЗО през 2021 г. от малария са починали над 600 000 души. Освен нея, насекомите пренасят и редица други заболявания, като жълта треска, денга, западнонилска треска и зика.

Една от големите трудности в опитите с комари е наблюдението и изучаването на храненето им. Обикновено това включва лабораторни животни или доброволци, склонни да се подложат на няколкочасово изпитание. Този подход не позволява автоматизиране и по-дълги изследвания. Решение на проблема предлага новосъздадена изкуствена кожа от хидрогел.

Използвайки технология за 3D печат с биологичен материал, учени успешно са създали структура, в която може да тече кръв. За повишаване на продуктивността в изпитателната камера се поставят няколко опитни елемента, към които са насочени видеокамери, постоянно заснемащи повърхността им и комарите, които се хранят от тях. След края на експеримента записите се анализират с помощта на компютърен модел, който определя броя кацания, както и времето за хранене. За да направи платформата по-достъпна и по-гъвкава, екипът е използвал малък компютър Raspberry Pi в комбинация с бюджетни видеокамери Arducam, които са управлявани от скрипт, написан на Python.

За изпитанията на системата са сравнени два репелента: синтетичният DEET, разработен в средата на миналия век, и натурален – от растителни масла. Между двата не е открита статистически значима разлика в сравнение с контролното условие, при което не е използван репелент. Този резултат показва потенциала на приложение на платформата, тъй като разработката на нови продукти и одобрението им за пазара е свързано със скъпи изследвания върху хора и животни. Наред с това DEET, въпреки високата си ефективност, причинява нежелани кожни реакции при някои хора, което е стимул за откриването на нови, по-безопасни формули.

Едно от потенциалните приложения на тази платформа е за следене на появата на определени видове, което е все по-актуално поради разширяването на ареалите им, причинено от глобалните климатични промени. В тази връзка авторите предлагат подобрение на работата ѝ в полеви условия. Ако покрай синтетичната кожа се пусне поток от въглероден диоксид с ниска концентрация, комарите ще са още по-силно привлечени от нея, тъй като това е един от стимулите, насочващи ги към потенциални жертви. Друго предложение е използването на синтетични аналози на кръвта, за да се създаде напълно изкуствен изпитателен модел и да се избегне опасността от боравене с биологичен материал, който може да носи патогени в себе си.

Регенерация на мозъчна тъкан

Хидрогеловете са основа и за създаването на тъкани и органи в изкуствени условия. От тях най-често чрез 3D биопечат се прави своеобразно скеле, което се поставя в подходяща инкубационна среда. Клетките, които ще изградят тъканта, се прикачват към хидрогелната структура и започват изграждането ѝ. Технологията е основа и при създаването на синтетично месо.

Използвайки тази идея, екип от Университета в Хокайдо е разработил система за терапия на мозъчни травми. Първата стъпка е била намирането на хидрогел с подходящо съдържание, в който да могат да се развиват невронни стволови клетки. След това той е инкубиран в хранителна среда, която стимулира развитието на кръвоносни съдове в него. Когато те достигнат достатъчна плътност, структурата се имплантира в опитни мишки с мозъчна травма.

Около три седмици по-късно в импланта вече има имунни клетки от приемащия организъм. В него са навлезли и неврони от тъканите в непосредствена близост. Ако няма отхвърляне, в хидрогела се инжектират стволови клетки, които успешно се развиват в астроцити (вид мозъчни глиални клетки) и неврони във връзка с околните тъкани. Учените отбелязват, че последователността на стъпките е от особена важност за оптималното протичане на процеса.

При мозъчни увреждания, водещи до загуба на обем вследствие на физическа травма, или хирургическа намеса при тумор или при запушване на кръвоносен съд, в повечето случаи няма регенерация на тъканта. Затова подходът е обещаващ особено при възрастни пациенти, при които възстановяването е по-бавно.

Потенциал за подобрение според авторите има в посока на сравняването между хидрогел, който не се резорбира в тъканите на пациента, и такъв, който е биоразградим. Материалът, използван в изследването, е от първия вид и въпреки че не са забелязани промени в поведението на опитните мишки, не е ясно какви ще са дългосрочните ефекти.

Органоиден интелект

Това е терминът, предложен от група учени, за нов подход в създаването на интелект в изкуствена среда. За разлика от компютърните невронни мрежи, съществуващи като математически модели, тук се обсъжда използването на истински мрежи от неврони, обособени в малки мозъчни органоиди. Това е възможно заради напредъка при биоматериалите, благодарение на които може да се изграждат триизмерни структури. Тези структури позволяват на невроните в тях да създават повече връзки помежду си, повишавайки възможността им за извършване на операции.

Използването на биологични компютри има няколко предимства. Вследствие на еволюционния натиск организмите са изградили изключително ефективна система за учене от околната среда. Биологичните системи са оптимизирани за обработване и съхранение на данни. Пример, който авторите дават, е задачата „еднакво или различно“: хората имат нужда от около 10 опита, за да я разберат, пчелите – от около 100, докато при някои компютърни системи са необходими над 5 пъти повече. Наред с това живите организми използват енергията изключително пестеливо. За сравнение, при обучението на AlphaGo, първия софтуер, успял да победи човек в играта „го“, е изразходвана енергия, достатъчна за поддържане на метаболизма на активен възрастен човек за 10 години.

За комуникация с органоидите се разработват системи от микроелектроди, които улавят електрическите сигнали, предавани от клетките, по подобие на „шапките“ с електроди, използвани в машините за електроенцефалография (ЕЕГ). Тази част от технологията все още предстои да се оптимизира. Повечето такива системи, достъпни в момента, са за клетки, култивирани в една равнина, и за триизмерните органоиди ще е нужно да се направи своеобразна капсула, в която да бъдат поставени. Допълнителна трудност създава и желанието на изследователите да правят микроскопски наблюдения, което налага електродите и конструкцията, към която са прикрепени, да бъде прозрачна.

Всичко това звучи абстрактно и фантастично, но основите са положени и вече има работещи системи. В края на миналата година бе публикувана разработката DishBrain (буквално „мозък в Петри“) – инвитро невронна мрежа, изградена от човешки или миши клетки, която се е научила да играе играта Pong.

Системата има три участъка с неврони – един, който приема стимулите, и два „двигателни“, които подават сигнал за местене на хилката нагоре или надолу. Въпреки че способностите ѝ не са на много високо ниво, това е впечатляващо, защото не е имало предварително обучение и успеваемостта се е повишила значително само след няколко минути игра. Авторите отбелязват две основни ограничения на прототипа – броя микроелектроди, побиращи се на площта, върху която е разположена културата от клетки, и изчислителната мощ, нужна за обработка на данните в реално време.

Освен за изчисления, тези структури може да се използват и като моделна система за проучване на заболявания, засягащи мозъка, например алцхаймер, паркинсон и др. Като се използва възможността за превръщане на кожни клетки в стволови, може да се създадат мозъчни органоиди, които са строго специфични за даден пациент. След оформянето на триизмерната култура тя може да се използва в различни експерименти – от подлагане на медикаменти до ксенотрансплантация (процес на прехвърляне на тъкан от един вид в друг, например от човек в мишка). Това позволява на изследователите да опитат много и различни подходи, което в повечето случаи е невъзможно да се направи инвиво в пациента.

Развитието в тази научна област тепърва започва и има много пречки за преодоляване. За да могат да изпълняват поставените задачи, авторите смятат, че ще са нужни органоиди, съставени от около 10 милиона клетки, което е значително увеличение спрямо сегашните възможности. Ще бъдат необходими също по-добри и по-иновативни системи от микроелектроди.

Не са за пренебрегване и всички етични въпроси, които повдига тази технология. Един от тях е разработването на правила, които уточняват използването на клетки, особено ако те са извлечени от човек. Например кой е собственик на органоида, кой има право да решава какви процедури може да се извършват с него, каква информация може да се извлече за донора.

Друга посока на обсъждане е възможността за поява на съзнание в тези структури, което налага създаването на нови тестове и процедури, следящи за това. Колкото по-продължителен е периодът на инкубация, толкова по-комплексна става структурата, особено когато е изложена на стимули. Ще трябва да се реши и къде да бъде поставена границата между реагиране на стимули, съзнание, разум. Не е ясно и дали тези структури имат възможност да изпитват болка, както и дали могат да я осъзнаят.

Подобни дискусии се водят и за машинните невронни мрежи от по-ново поколение, но поради биологичния си характер мозъчните органоиди са много по-предразположени към третиране като жив организъм.

Не се знае дали ще успеем да видим приложение на технологията по начина, описан от киберпънк авторите, но изглежда, учените са решени да направят каквото е по силите им.

Заглавно изображение: неврон (в зелено) и невронни стволови клетки (в червено). Източник: Wikimedia Commons

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://toest.bg/nauchni-novini-kolonizatsiya-na-kosmosa-i-laboratorno-otgledano-meso/

Обратно към Луната

Дългоочакваният полет на „Артемис I“ вече е факт. След почти тримесечно отлагане новата ракета на НАСА беше изстреляна успешно и модулът „Орион“ направи първото си прелитане покрай Луната. Вече може да проследяваме и на живо протичането на мисията.

Програмата „Артемис“ е продукт на дългогодишно планиране с първоначална цел Луната, а след това и Марс. Естественият спътник на Земята ще бъде използван за изпитването на различни технологии, които ще са нужни за дългото пътуване до червената планета и потенциалното заселване на хора там. Освен кацането на астронавти на Луната се предвижда и изграждането на малка орбитална станция (Lunar Gateway), която ще служи като комуникационен център, научна лаборатория, пункт за временно настаняване на астронавти и депо за машини. Ще бъде изградена и лунна база, която подобно на Международната космическа станция ще бъде населена постоянно.

Програмата донякъде се припокрива с предишната, изпратила човек на Луната („Аполо“), и е нейно естествено продължение. Показателно е и името ѝ, което не е избрано случайно – Артемида е богиня на Луната и сестра близначка на Аполон. В програмата на НАСА са включени и три партньорски космически агенции – европейската, японската и канадската. Освен тях участие ще вземат и други държави и частни компании (като SpaceX), които са се включили в Споразумението „Артемида“.

Ключов елемент от програмата е свръхтежкотоварната ракета SLS (Space Launch System), разработката на която започна през 2011 г., след спирането на полетите на совалките на НАСА. Тогава Агенцията загуби възможността си да извежда астронавти в орбита и до първия успешен полет на капсулата „Крю Драгън“ на SpaceX през 2020 г. разчиташе на Русия за тази дейност.

Първата мисия, която тече в момента, ще отведе капсулата „Орион“ до Луната. Там тя ще влезе в сложна орбита, за да направи снимки на Земята и естествения ѝ спътник. На борда ѝ има малък „екипаж“ от два манекена, изработени от материали, които наподобяват тъканите в човешкото тяло. В тях има сензори за измерване на нивото на космическа радиация, което е изключително важно за астронавтите, особено при по-дълъг престой.

В Международната космическа станция нивата на радиацията са над 50 пъти по-високи от тези на Земята, а в открития Космос, например при пътуване до Марс, надвишаването може да надхвърли 150 пъти. Въпреки че модулът „Орион“ е проектиран с подсилена радиационна устойчивост, единият манекен (Зохар) носи специална защитна жилетка, а другият (Хелга) ще служи за контрола. Те са с женска анатомия поради по-високата чувствителност на жените към радиацията, гласи прессъобщението на НАСА.

„Артемис I“ носи със себе си и 10 малки сателита (CubeSats), които ще се отделят от ракетата по пътя към Луната. Един от тях е апаратът BioSentinel, който също има за цел да изпита ефекта на космическата радиация върху живи организми. Дрождите S. cerevisiae, използвани в производството на хляб, бира и вино, са едноклетъчни гъби, но за разлика от бактериите, имат обособено ядро като клетките на висшите организми и са добър модел за изследване на повредите в ДНК, причинени от силно заредени космически частици. Подбрани са два щама: единият е от див тип, а другият – с компрометирана система за поправка на ДНК. В различни точки от пътуването на спътника те ще бъдат изследвани за промени в метаболизма. Идентичен експеримент ще бъде проведен на Земята и в Международната космическа станция.

Друг от сателитите – NEA Scout – има за цел да изследва астероид, който ще прелети покрай Земята през 2023 г. „Разузнавачът“ ще се размине бавно с него и ще го заснеме с камера с висока резолюция. Интересното при този сателит е, че ще се придвижва с помощта на слънчево платно. Този метод за задвижване на космически кораби използва радиационното налягане, което слънчевата светлина упражнява върху големи огледални повърхности. Тъй като енергията, която фотоните предават на апарата, е малка, платното трябва да има голяма площ – в случая 86 кв.м, събрани в малкия сателит с размера на два пакета хартия за принтер. След отделянето на сателита от ракетата платното ще се разгърне в пълния си размер.

Неконвенционален начин на придвижване има и Team Miles – вместо обичайните ракетни двигатели сателитът е с хибриден плазмен и лазерен двигател, който използва йонизиран йод като гориво. Целта, поставена на малкия сателит, е далечна – червената планета Марс. По време на пътуването си космическият апарат ще тества софтуерна система за комуникация със Земята.

Профилът на втората мисия („Артемис II“) е сходен с този на „Аполо 8“ – в капсулата ще има четирима астронавти, които ще прелетят покрай далечната страна на Луната в орбита, описваща цифрата 8. Предимството на тази траектория е, че в случай на авария при преминаването си покрай Луната капсулата ще бъде насочена обратно към Земята само от гравитационните сили.

Третата мисия, планирана за 2024 г., е от историческо значение, защото е най-вероятната възможност на Луната отново да стъпят хора. В мисията ще участва Стефани Уилсън, която ще бъде първият астронавт от афроамерикански произход и първата жена, посетила лунната повърхност. За разлика от предходните кацания, „Артемис III“ ще има за цел да достигне полярните области на Луната, където астронавтите ще търсят замръзнала вода и места, подходящи за изграждане на бази, които да осигурят постоянно човешко присъствие. Престоят на астронавтите ще е по-дълъг от предходните мисии, като те ще имат 10 дни за събиране на проби и извършване на експерименти.

Новини има и от корпорацията SpaceX, която след тригодишна пауза изстреля за четвърти път тежкотоварната си ракета носител „Фалкън Хеви“. С трите си ускорителни модула (бустери) до момента тя беше най-мощната активна ракета преди успешното излитане на SLS на НАСА. Клиент на компанията са Американските космически сили (USSF), които са извели в геостационарна орбита два сателита. Информацията за единия от тях е класифицирана и затова за него се знае малко, но другият – Tetra-1 – е експериментална платформа за изпитване на нови технологии. Той е с размера на пералня и вещае нова идеология.

Спътниците, използвани на ключови позиции в системите за разузнаване и комуникация, са изключително скъпи и големи, което ги прави отлични цели за антисателитни ракети, каквито редица държави неведнъж са използвали. Затова Департаментът на отбраната на САЩ иска да изпита концепцията, вече приложена от системите за сателитен интернет Starlink на SpaceX – „съзвездия“ от малки спътници, които да бъдат свързани в мрежа. Това ще намали тяхната цена и ще направи изстрелването им по-лесно, което от своя страна би позволило по-бързо внедряване на нови технологии.

„Фалкън Хеви“ е част и от програмата „Артемис“ – ракетата трябва да достави първите два модула за орбиталната станция Lunar Gateway в края на 2024 г., а след това да снабдява с провизии станцията чрез апарата Dragon XL, който ще има капацитет за 5 тона товар в херметичен и отворен сектор.

Частният космически сектор е поле, което се развива изключително активно. Индийската компания Skyroot Aerospace изстреля малка ракета, която достигна височина от почти 90 километра. Въпреки че полетът на Vikram-S е под линията на Карман от 100 км, приета от Международната авиационна федерация за границата, разделяща земната атмосфера и космическото пространство, той е изпълнил всички поставени цели и дава възможност на компанията да продължи с предвиденото изстрелване на по-голям прототип – Vikram-I – през идната година. Товароподемността на проектираните до момента модели не е висока, но е сходна с тази на първата ракета на SpaceX. Предстои да разберем дали индийските специалисти ще успеят да постигнат същите успехи като американските си колеги.

Месо, отгледано в лаборатория

Месопреработвателната индустрия е поставена под все по-голям натиск по различни причини, повечето от които в основата си са морални. Най-явната е неизбежната смърт на животните, както и лошите условия при отглеждането им – често те нямат достатъчно място, не се хранят оптимално и като цяло не живеят пълноценно. Наред с това редица организации обръщат внимание на влиянието на индустрията върху глобалните климатични промени. За периода 2018–2020 г. производството на месо е допринесло за 54% от парниковите газове, отделени от селското стопанство, според доклад на Организацията на ООН по прехрана и земеделие. Много висока е и консумацията на вода – за телешкото, което е най-ресурсоемко, се изразходват над 100 литра за 1 грам протеин.

На пазара вече има редица алтернативи на месото, базирани на растителни продукти или на протеин от насекоми, които дават решение на някои от тези проблеми. Техният въглероден отпечатък е много по-малък, отколкото на животинските продукти, но продължават да са налице някои от предизвикателствата на съвременното земеделие – например нуждата от обработваема земя и употребата на пестициди. Отглеждането на насекоми също може да бъде обременено от етични въпроси, тъй като редица учени изказват мнението, че и насекомите изпитват болка, подобно на гръбначните животни.

Потенциално решение е т.нар. лабораторно отгледано месо. Въпреки че няма консенсус точно колко ще намалее нуждата от ресурси за производството, най-песимистичните прогнози сочат, че консумацията на енергия и влиянието върху промените в климата ще останат съизмерими със сегашната индустрия, ако фабриките не използват енергия от възобновяеми източници. Но дори и в този случай ще отпадне основният етичен проблем с консумацията на месо. Ще бъде ограничен драстично и разходът на вода и земя за отглеждане на животни – според учени от Оксфордския и Амстердамския университет икономиите може да достигнат 90%. Допълнително предимство на производството по този начин е, че почти няма вероятност за попадане на патогени в продукцията и регулацията на „фабриките за месо“ следва да е по-лесна, отколкото на фермите, в които се отглеждат живи животни.

Преди дни Агенцията за контрол на храните и лекарствата на САЩ приключи с проверката си на Upside Foods и даде заключение, че произведеното от компанията месо е безопасно за консумация. Сега остава да бъде направена инспекция на фабриката им от Департамента по земеделие и да се уточни етикетирането на продукта. Тези стъпки би трябвало да се изминат сравнително бързо, след което от компанията ще започнат да предлагат своето месо на подбрани ресторанти, за да запознаят потребителите с него.

Това развитие не е изненадващо – след като през 2020 г. Сингапур даде одобрение на американската компания Eat Just да продава своите пилешки продукти в страната, беше въпрос на време и американските органи да предприемат тази стъпка предвид по-либералната им политика спрямо подобни нови технологии.

Технологията за отглеждане на месо в лаборатория е сходна с други биотехнологични производства. Всичко започва с изолацията на клетки, които могат да бъдат получени и без да бъдат наранени животни. След първоначална подготовка те се прехвърлят в биореактори, подобни на ферментационните съдове, в които се произвежда бира. В тях протичат следващите стъпки от производството – клетките живеят в изкуствена среда, съдържаща всички нужни хранителни вещества за развитието им и поддържана с оптимални параметри (ниво на pH, температура).

Културалната среда трябва да се подменя често – както за да бъде опреснена, така и за да се премахнат всички отпадни продукти, отделени от клетките. След като клетките се намножат, се предизвиква и тяхната диференциация – развитието им в различни по вид клетки, като мускулни, съединителни и мастни, които се свързват една с друга. В края на процеса след няколко седмици от реакционния съд може да се извади произведената месна маса. Тя няма конкретна структура и прилича на фино смляно месо. Това е и основната причина повечето продукти да са пилешки хапки и кренвирши.

Пред усъвършенстването на технологията има редица препятствия. Най-голямата и до момента непреодоляна е предизвикването на оформяне на тъкани – това е сложен процес, който не е напълно изяснен и при живите организми. Друго препятствие е нуждата от използване на растежни хормони, които се извличат от животинска кръв и така възниква проблем за получаването на напълно етичен продукт и увеличаването на мащабите на производство. Вече няколко компании обаче, сред които Upside Food, са разработили нови хранителни среди, в състава на които няма животински продукти, като бонус от това е и намаляването на разходите с над 80 пъти. Предстои да бъде усъвършенствано и производството в големи мащаби, което е една от ключовите стъпки за сваляне на цената на продукта.

Тази индустрия привлича все повече инвеститори, някои от които традиционни месопроизводители и преработватели. За момента не е ясно какви ще бъдат нагласите на потребителите – редица изследвания показват противоречиви данни. Според някои от тях има силно предпочитание към заместителите на месото, според други повечето хора не биха консумирали лабораторно отгледано месо, а трети дават заключение, че потребителите нямат конкретно предпочитание и биха се спрели на най-изгодния вариант. Трудно е да се предвиди как ще се развие технологията и как ще бъде приета от широката публика, но със сигурност ще е ключова част от борбата с климатичните промени и колонизацията на Космоса.

Заглавна снимка: Снимка на Земята и Луната, направена от „Аполо 8“ на 24 декември 1968 г. © НАСА

Източник

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://toest.bg/nauchni-novini-biotehnologii-i-kosmos/

Биотехнология в медицината

Въпреки че някои от постиженията на биотехнологиите звучат като извадени от научнофантастична история, новите подходи все по-често намират приложение в клиничните лаборатории. Дали за фундаментални изследвания, диагностика или терапии, те вече са неделима част от набора инструменти, с които работят медиците.

Болестта на Батен е рядко автозомно генетично заболяване, което причинява множество неврологични симптоми и води до по-кратка продължителност на живота. Една от формите му – НЦЛ1 – се среща при деца, които носят две копия на увредена версия на гена, кодиращ ензима PPT1. Децата ги наследяват от двама безсимптомни родители, които имат по едно копие от този ген.

До момента за изучаването на това заболяване са правени изследвания върху лабораторни мишки. Проблемът е, че техният мозък е значително по-малък от човешкия и промените, настъпващи вследствие на заболяването, не могат да бъдат проследени напълно. Това се решава с използването на генетично модифицирани овце. С помощта на CRISPR/Cas9 са редактирани яйцеклетки, които се износват от сурогатни майки. От получените животни, носещи по едно копие на увредения ген, впоследствие по естествен път се ражда потомство, при което се проявява заболяването. По този начин се пресъздава процесът при хората.

Модифицираните овце показват симптоми и промени в мозъка, сходни с тези при хората, поради което учените смятат, че е направена важна стъпка за вникването в патологията на заболяването, подобряването на диагностиката и откриването на лечение. Този подход вече се прилага при изучаването и на други редки автозомни заболявания (например болестта на Хънтингтън и синдрома на Луи Бар), като се използват прасета вместо овце.

Интересен напредък има и в областта на синтетичните молекули. Сферичните нуклеинови киселини са изкуствени наноструктури, създадени преди почти 30 години. Те са изградени от сърцевина, обвита плътно от множество молекули на ДНК или РНК. Първоначално тя се е изработвала от злато, но с развитието на технологията се влагат и други материали – сребро, силиций, протеини, липозоми и др. Така частицата, наред с възможността си да носи обвивката от нуклеинови киселини, може да придобие най-различни свойства – магнитни, каталитични, луминесцентни.

От особен интерес е способността на тези наночастици да преминават лесно през клетъчните мембрани и така да бъдат използвани като транспортен механизъм в тъканите на живи организми. Няколко компании вече прилагат технологията в разработката на нови видове ваксини, тестове за диагностика и терапии за различни заболявания, в т.ч. и на COVID-19.

Наскоро екип с участието на създателя на сферичните нуклеинови киселини предложи нов механизъм за генетични трансформации. Вместо традиционните вирусни вектори се използват наночастици с ядро от вече познатия ни протеин Cas9 и с обвивка от ДНК и насочващи РНК молекули. Cas9 е модифициран по начин, който позволява на частиците да избегнат клетъчните механизми за защита и да повишат ефективността на редактиране. Употребата на вирусни вектори е една от спорните теми в генната терапия и възможността да ги избегнем ни води стъпка по-близо до по-широкото ѝ приложение.

Американската компания Excision е започнала клинично изпитване на генна терапия, която има за цел излекуването на пациенти с ХИВ. Вирусът е от категорията на ретровирусите, за които е характерно, че се включват в генома на гостоприемника си и така на практика стават неразделна част от него. Поради това пълното излекуване на пациентите е почти невъзможно и се разчита на поддържащи терапии.

До момента повечето опити в тази насока стъпват на откритието, че носителите на генната мутация CCR5-Delta32 се заразяват значително по-трудно с ХИВ. За съжаление, експериментите за прехвърляне на тази мутация в пациенти в повечето случаи са или неуспешни, или не дават достатъчно информация, за да се извади заключение от тях.

Може би най-известният случай е от 2018 г., когато китайският учен Хъ Дзиен-куей съобщи за раждането на първите генномодифицирани бебета, чиито ембриони са били редактирани, за да носят мутацията и потенциално да бъдат защитени от ХИВ. Първите успехи обаче са постигнати с по-традиционни подходи – вече са известни трима души, излекувани чрез трансплантация, наложила се поради онкологично заболяване. При първите двама е използван костен мозък, а при третия – кръв от пъпна връв. По време на подбора на донор са търсени носители на мутацията CCR5-Delta32 и по този начин на пациентите се дава шанс да изградят нова имунна система, устойчива на вируса. Но този подход в общия случай не е приложим, тъй като носи голям риск.

Иновацията в подхода на Excision е, че те се насочват към самия вирус с помощта на CRISPR/Cas9. С изрязването на два участъка от генома на вируса, отговорни за неговата репликация, се нарушава способността му да създава нови свои копия и се дава възможност на тялото да синтезира нови имунни клетки, чисти от вируса. Преди прилагането му при човек методът е минал успешни изпитания при мишки и макаци и не са установени странични редакции. Проучването вече е в стадий на наблюдение и се очаква скоро да бъдат обявени резултати от него. Ако експериментът е успешен, това не само ще бъде важен момент за терапията на ХИВ, но и ще даде тласък за приложението на метода при други заболявания.

Космос

За сравнително краткото време от започването на наблюденията с космическия телескоп „Джеймс Уеб“ той вече се утвърждава като източник на възхитителни нови открития и снимки.

Един от последните обекти, към които бе насочен телескопът, са т.нар. Стълбове на сътворението, заснети за пръв път от космическия телескоп „Хъбъл“ през 1995 г. Това са образувания от водороден газ и прах, намиращи се на около 6500 светлинни години от Земята, в мъглявината Орел. Тя е с внушителни размери и е един от най-активните региони, в които се създават нови звезди в нашата галактика. Самите „стълбове“ са високи около четири светлинни години – четири пъти по-големи от Слънчевата система. Вследствие на турбуленция в тях се образуват по-плътни участъци, които при достигане на достатъчна маса преминават през гравитационен колапс, загряват се и така започва процесът на образуване на нови звезди.

Наблюденията са направени с два от инструментите на космическия телескоп – NIRCam и MIRI, работещи съответно в спектъра на близката и средната инфрачервена светлина.

NIRCam ни позволява да надникнем в колоните от газ и прах. В поредица от туитове космическата агенция НАСА дава кратко обяснение на обектите в снимката – тъмночервените петна по периферията на стълбовете представляват водородни молекули, изхвърлени в горещи струи от младите звезди, които може да се видят като червени точки. Звездите, описани като „бебета“, са се оформили преди няколкостотин хиляди години и са в началото на дългата си метаморфоза.

На изображението, заснето с MIRI, повечето звезди не се забелязват. Причината е, че в тази част от спектъра са видими основно водородният газ и космическият прах. След определен етап от своето развитие звездите събират достатъчно от околния материал и вече не са обвити с прах. Поради това на снимката се виждат само най-младите звезди (в червено), които все още не са загубили тази своя покривка, докато по-старите (в синьо) почти са се освободили от нея. Космическият прах обяснява и по-малкото ярки обекти във фона на изображението – плътните участъци на Млечния път пречат на светлината от далечните галактики да стигне до детектора на телескопа.

Освен че имат естетическа стойност, тези снимки дават на учените много нова информация за количеството материал в региона, движението на облаците от прах, броя новообразувани звезди и процесите на тяхното възникване, като им помага да създадат по-точни модели на образуването на космическите тела.

За момента Марс изглежда като най-вероятното място за установяване на дългосрочна колония на друго тяло от Слънчевата система и затова немалка част от наблюденията на учените са насочени именно към него. В момента има няколко активни мисии, които постоянно разкриват тайните на пустинната планета.

Марсоходът Curiosity, изследващ повърхността на планетата от над 10 години, сега е достигнал до богат на минерални отлагания район, забелязан от орбиталната обсерватория Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) още преди кацането на апарата. Тези отлагания са от различни соли (магнезиев и калциев сулфат, натриев хлорид) и са индикация за миналото на Марс, когато по повърхността му е имало добре развита хидросфера с големи региони, покрити от вода.

С пробивния инструмент на Curiosity учените успешно са взели проба от камък, наречен Canaima. Предстои пробата да бъде изследвана с два от аналитичните уреди на борда на апарата – рентгеновия дифрактометър CheMin, използван за определянето на минералния състав, и спектрометъра SAM. Резултатите от анализа може да дадат информация дали въглеродният диоксид и метанът са от геологичен, или биологичен произход, и така да помогнат в търсенето на следи от живот на планетата.

Смята се, че регионът, в който се намира Curiosity, някога е бил голям океан. С помощта на топографска информация, получена от MRO, и подходите на стратиграфията – наука, която изучава отлагането на седименти – са намерени редица доказателства, подкрепящи тази хипотеза. Учените са разгледали над 6500 километра от флувиални натрупвания (предизвикани от движението на вода), които според тях представляват ерозирали корита на реки и делти, очертаващи океански бряг. Седиментният слой е дебел поне 900 метра, което е показател за бързо покачване на водното ниво, причинено от продължителен топъл и влажен климат. Бреговете на водоемите, в които се вливат реки, са едни от най-вероятните места за развитие на живот, тъй като водните потоци могат да бъдат източници на хранителни вещества.

Заглавна снимка: Микроскопска снимка на ДНК © Sangharsh Lohakare / Unsplash

Източник

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://toest.bg/nauchni-novini-nobelovi-nagradi-2022/

Началото на октомври винаги е вълнуващо в научните среди. Нобеловите награди са едно от най-големите постижения за всеки учен и позволяват на широката публика да се запознае с работата на пионерите в съответните сфери. В завещанието си Алфред Нобел описва пет области, които да получат признание в негово име: физика, химия, физиология/медицина, литература и мир. Шестата награда – за икономика – съществува от 1968 г. под патронажа на Шведската централна банка (Sveriges Riksbank) по случай 300-годишнината на институцията, но се администрира от Нобеловата фондация.

Лауреатите на тазгодишните Нобелови награди ще получат своите медали и дипломи в Стокхолм на 10 декември – датата на смъртта на Нобел. Имената им са вече известни и в настоящата статия ще се спрем на отличените в първите три области.

Физика

Наградата за физика е поделена между Ален Аспе, Джон Клаузър и Антон Цайлингер за тяхната работа в полето на квантовата механика и квантовите информационни науки, или по-конкретно – за създаването на нови експерименти за проучване на квантовото заплитане.

Интересно свойство на частиците е, че те могат да предават състоянието си една на друга. Ако две заплетени частици (A и B) бъдат изстреляни в противоположни посоки и едната (A) срещне трета (C) и те се заплетат, то C ще предаде свойствата си на B. Този феномен се нарича квантова телепортация и първият такъв експеримент е проведен през 1997 г. от лауреата Антон Цайлингер и неговите колеги. През следващата година колективът провежда разширен експеримент – предаване на информация между две двойки заплетени частици (A и B, C и D). Така се установява, че при срещата и заплитането между B и C информацията от A се предава на D. Тъй като при измерването на едната частица информацията се губи и в заплетената с нея, това е единственият начин да бъде пренасяна квантова информация на разстояние.

Експериментите на Цайлингер и екипа му дават възможност за пренасянето на заплетени фотони през оптични влакна и така отварят вратите за изграждането на квантови мрежи. Конвенционалните технологии не работят при тях, защото за усилване на сигнала е нужно прочитането и препредаването му, което би унищожило информацията, носена от фотоните.

Изненадващото е, че преносът на информация е мигновен – това означава, че се постига скорост, по-висока от тази на светлината, което нарушава специалната теория на относителността. Десетилетия преди доказването на ефекта от екипа на Цайлингер, в мисловен експеримент Айнщайн проявява скептицизъм и пренебрежително нарича ефекта „призрачно действие на разстояние“, като заедно с Борис Подолски и Нейтън Розен описва парадокса на Айнщайн–Подолски–Розен. Според него или е възможно незабавно отдалечено действие на разстояние върху една частица при наблюдение на другата (като се нарушава специалната теория), или квантовата механика дава непълно описание на света и в частиците има „скрита информация“, която става видима при наблюдението им – тяхното състояние е предрешено още при заплитането им.

Размишлявайки по този въпрос, през 1964 г. физикът Джон Стюарт Бел публикува статия, на базата на която е дефинирана т.нар. теорема на Бел. Според нея съществува експеримент, който може да установи дали присъства подобна скрита информация. Ако това е така, при многократно повторение на експеримента зависимостта между резултатите ще бъде по-малка или равна на определена стойност (неравенство на Бел). Квантовата механика не следва това неравенство и според нея зависимостта ще бъде по-висока, отколкото ако съществува скрита информация.

Осем години след тази публикация Джон Клаузер, с помощта на свои колеги, извършва практически експеримент, с който проверява това предположение. Екипът използва установка за излъчване на два заплетени фотона, за които се знае, че са успоредно поляризирани, но не и в каква посока. На пътя на всяка частица има поляризационен филтър, като ъглите на филтрите се променят така, че понякога да преминават и двете частици, понякога – само едната, а понякога – нито една от двете. След многократни повторения Клаузер и колегите му събират достатъчно данни, с които показват, че неравенството на Бел е нарушено.

Поради някои особености на експерименталната постановка (неефикасност, филтри с фиксиран ъгъл) се повдига въпросът дали това не е проблем и дали е възможно да се засичат само частици със силна взаимна зависимост, което би довело до отхвърляне на резултата. Ален Аспе дава отговор на това, създавайки по-чувствителен и по-бърз метод, при който информацията в кой филтър ще попадне фотонът, не достига до излъчилия го източник. Така съмненията в експеримента на Клаузер отпадат и мистерията е разплетена – няма скрита информация и квантовата механика е валидна.

Въпреки че учените не знаят как работят тези механизми, които пасват добре на крилатата фраза на Артър Кларк, че „всяка достатъчно напреднала технология е неразличима от магия“, от откритията следват много практически приложения в квантовите изчисления, криптография и пренос на данни, които тепърва предстоят. Например изграждането на „квантов интернет“ не само ще осигури мигновено получаване на информацията, без значение какво е разстоянието, но и ще гарантира сигурност, защото данните ще могат да бъдат прочетени само веднъж от определения получател.

Химия

Наградата за химия е присъдена на Каролин Бертоузи, Мортен Мелдaл и Бари Шарплес за разработването на т.нар. клик химия и биоортогонална химия.

В процеса на милиони години еволюция живите организми са развили способността да произвеждат изключително широк набор от вещества. Клетките им са като малки химични фабрики, в които постоянно протичат различни реакции и едни молекули биват разграждани, за да се получат други. Целият метаболизъм на организмите е низ от подобни процеси.

С помощта на химичния синтез учени и технолози могат да пресъздадат това, произвеждайки най-различни молекули, които много често са вдъхновени или директно копирани от природата. Те може да са витамини, антибиотици, пестициди. За съжаление, процесът невинаги е лесен и за синтезирането на по-сложните целеви молекули са нужни множество стъпки, всяка от които има своите особености. Понякога пречките са свързани с по-ниската ефективност на реакцията, друг път – с получаването на допълнителни продукти, които трябва да се премахнат преди продължаване на процеса. Това затруднява и оскъпява производството.

През 2001 г. колектив с участието на Бари Шарплес публикува статия, в която се изказва тезата, че вместо да се концентрира върху създаването на идентични на природните молекули с химични връзки, което се постига трудно, синтезът трябва да бъде насочен към такива молекули, чиито компоненти се свързват бързо и получените продукти са стабилни. Авторите на статията наричат това клик химия – процес, при който съставните части просто „щракват“ една с друга, без усложняващи реакцията фактори.

Скоро след това екипите на Бари Шарплес и Мортен Мелдал, независимо един от друг, откриват практическо приложение на тази идея, което покрива и две от важните ѝ изисквания – да протича при нормална температура и във водна среда. Те показват, че бързо и без странични продукти може да се създаде стабилна връзка между две химични групи (алкини и азиди), като се използва химическият елемент мед за катализатор на реакцията.

Това разкрива много хоризонти, тъй като с добавянето на тези две групи към различни молекули те вече могат да се свързват лесно и ефективно. Често срещана аналогия е със сглобяването на „Лего“ – стига нужните части да са налични, те могат да се комбинират в най-различни вариации, образувайки нови, по-големи молекули. Така се дава възможност за по-бързо и икономически изгодно създаване на нови материали, наноструктури, биологично активни вещества и други. Употребата на клик реакциите вече има практическо приложение в производството на медикаменти.

С това свое постижение Шарплес става пети член на изключителния клуб на двукратните Нобелови лауреати. С първата награда е удостоен през 2001 г. за работата си върху улесняването на реакции за добавяне на кислород към молекули, към които впоследствие може да се прикачат други атоми – стъпка за изграждането на по-сложни продукти.

Каролин Бертоузи, третата носителка на тазгодишната награда, развива и адаптира този метод за приложение в клетъчната биология.

Гликаните са полизахариди, които се срещат често по повърхността на клетките и вземат участие в много биологични процеси – например във взаимодействието между вирусите и клетките. Поради това те са важен, но същевременно сложен обект за изследване в живи организми, защото, за разлика от нуклеиновите киселини и протеините, тяхното изолиране и локализиране е трудно. Идеята на Бертоузи е да бележи тези молекули, но по начин, който не пречи на нормалното функциониране на клетките – подход, който тя нарича биоортогонален.

Основите за това тя полага още преди създаването на термина клик химия, с помощта на вече позната реакция между две химични групи – азидна и фосфорсъдържаща. Целта е да се създаде модифициран въглехидрат с вмъкната азидна група, с който да се захранят клетките, а те от своя страна да го включват в гликаните по повърхността си, без това да наруши тяхното развитие.

След като откритието на Шарплес и Мелдал става известно, Бертоузи осъзнава, че към азидните групи лесно може да бъде прикачено флуоресциращо багрило, което има алкин в структурата си. Пречка за това е използваният катализатор – в по-високи концентрации медта е отровна за живите организми. Преодоляването на тази спънка става благодарение на използването на подход от 1961 г., при който връзката се установява чрез промяна на конформацията на едната група – иначе казано, пространственото разположение на нейните атоми. Тази клик биоортогонална реакция без мед е успешно приложена за визуализация и проследяване на гликани в клетките, което дава възможност за непознат досега поглед върху движенията и взаимодействията им с вируси и други клетки.

Област, в която методът намира пряко приложение, е изследването на туморни клетки. Интересно откритие е, че някои от тях са покрити със специфични гликани, които ги предпазват от имунната система. За да предотвратят това, Бертоузи и екипът ѝ са създали медикамент, който в момента е в процес на клинични изпитвания. С помощта на ензими той разгражда гликаните по повърхността на туморните клетки, давайки възможност на имунната ни система да ги атакува.

Физиология/медицина

В тази категория призът се връчва на Сванте Пеебо за откритията му в областта на човешката еволюция и геномите на изчезнали хоминини.

Произходът ни е въпрос, който от древни времена занимава хора от най-различни области – философи, теолози, естествоизпитатели, биолози. Въпреки близките прилики с другите човекоподобни, какво ни прави уникални в способността да овладеем природата и да я подчиним на волята си? Именно на този въпрос е посветена научната кариера на Пеебо – показвайки как се е оформил съвременният човек (Homo sapiens), какъв път сме извървели до днес и с кого сме се срещнали по него.

Наличната информация сочи, че Европа и Западна Азия преди около 400 000 години са били населени от неандерталците – наш близкородствен вид, който изчезва преди 30 000 години. Homo sapiens се появява преди 300 000 години в Африка, а преди 70 000 години отделни групи се преселват към Близкия изток, откъдето по-късно видът се разпространява по цялата планета. Един от основните начини да разберем как са съжителствали двете групи в продължение на десетки хиляди години, е да вникнем в техните геноми.

Ключов за това е мащабният проект за прочитане на целия човешки геном Human Genome Project, започнал към края на миналия век. В него са инвестирани много ресурси и технологията за секвениране на ДНК бележи изключителен прогрес за много кратко време. Публикуването на целия човешки геном през 2001 г. е едно от особено важните научни постижения. Но за да бъдат сравнени отделните геноми, е нужен и този на неандерталците. И тук изниква сериозна пречка – налага се извличане на ДНК от кости на 40 000 години, което въпреки модерните технологии не е лека задача. С времето генетичният материал деградира и се накъсва, а наред с това се натрупват замърсявания от различни източници – от микроорганизми или от самите изследователи.

Тук се включва Пеебо – след като защитава докторската си дисертация, той започва да разработва методи за изолация на ДНК от такива стари проби. Първоначално работата му се концентрира върху митохондриите – това са клетъчни органели (структури, отговарящи основно за енергийния метаболизъм на клетките), които носят собствен, многократно по-компактен генетичен материал. Поради малкия размер на митохондриалния геном и по-големия брой негови копия (всяка клетка носи само едно ядро, но множество митохондрии) това е добра първа стъпка, която позволява да се усъвършенства процедурата за работа с древна ДНК.

Любопитен факт е, че тъй като митохондриите се наследяват само от майката, информацията в тях може да се използва за генеалогични проучвания и в полето на еволюционната биология за проследяване на наследственост и близкородственост. След като успешно се справят с тази задача, Пеебо и колегите му се фокусират върху основната си цел и през 2010 г., с помощта на разработените от тях методи и съвременните технологии за секвениране, те публикуват неандерталския геном.

Малко преди това, през 2008 г., в Денисовата пещера в Сибир са открити останки, датирани на 40 000 години. Оказва се, че генетичният материал в костите е изключително добре запазен, и използвайки натрупания опит, през 2012 г. колективът на Пеебо публикува генома от тези останки. Откритието от пещерата се оказва сензация, тъй като при сравняване на резултатите учените установяват, че костите са от досега неизвестен родственик на хората – Денисовия човек. Вече са намерени останки и от други индивиди както в същата пещера, така и в пещери в Китай и Лаос.

Тези открития разкриват интересна картина на съвместен живот на три отделни групи – неандерталците, концентрирани в Европа и Западна Азия, денисованците, обитаващи предимно Източна Азия, и съвременния човек, който с времето се разпространява глобално. Геномните изследвания показват, че съжителството е било изключително близко. Останките на един от откритите индивиди са на млада жена, чиято майка е била неандерталка, а бащата – денисованец.

Но тези взаимовръзки не са останали само в миналото. От получените данни вече знаем, че между 1 и 4% от генома на съвременните хора с европейско и азиатско потекло са с неандерталски произход, докато в популациите от Меланезия и части от Югоизточна Азия се откриват до 6% ДНК от Денисовия човек. Тази информация е не само от историческо, но и от медицинско значение. Голям процент от тибетците носят разновидност на гена EPAS1, която подобрява транспорта на кислород в тялото, давайки им предимство във високите планини, където въздухът е по-рядък. Този белег е открит в генома на денисованците и се предполага, че е наследен от тях. От тях и от неандерталците сме получили и гени, участващи в имунната ни система. Наблюдението, че тя е по-активна при хора с африкански произход, като при тях се срещат по-често и автоимунни заболявания, затвърждава нуждата от запознаване с нашите предшественици, за да можем да дадем по-добър шанс на потомците си.

Сванте Пеебо върви по пътя на своя баща Суне Бергстрьом, който преди точно 40 години е удостоен с Нобелова награда в същата категория за открития, свързани с простагландините и техните съединения. Това са физиологично активни липиди, които се срещат в почти всяка тъкан в животинското тяло и имат действие, сходно на хормоните. Основавайки изцяло новото научно поле на палеогеномиката, Пеебо ни позволява да надникнем назад във времето и да разберем повече за своя произход.

Заглавно изображение: Микроскопска снимка на стъбло на едногодишен бор, напречен разрез, 100х увеличение. Източник: BCC Bioscience Image Library, CC0 / Flickr

Източник

Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://toest.bg/science-news-covid19-crispr-ai-cosmos/

COVID-19

Въпреки че най-разпространените в момента варианти на SARS-CoV-2 предизвикват сравнително леки симптоми (особено при ваксинирани), продължават да се натрупват данни за дълготрайни и непредвидени до момента последствия.

В скорошно изследване на екип от Каталуния е констатирано, че една година след преболедуване в над една трета от неваксинираните не може да се засекат антитела, особено в групата на над 60-годишните и на пушачите. Резултатите от проучването потвърждават и че хибридният имунитет е по-силен и по-дълготраен от постинфекциозния, поради което учените препоръчват поставянето на бустерни дози и на вече преболедували. В комбинация с наблюдението, че след поставени две ваксини поне две седмици преди заразяване с вируса вероятността от дълъг ковид намалява почти наполовина, тези данни показват ясната полза от ваксинацията.

В друго изследване е установено, че дори леките случаи на заболяването по време на бременност увреждат способността за имунен отговор на плацентата при последващи инфекции. Според учените това може да се окаже само върхът на айсберга и те смятат, че тези деца ще трябва да се наблюдават в по-продължителен период, за да се проследи здравето им. Препоръката на изследователите към бременните е да се възползват от достъпните за тях ваксини, да носят маска и по възможност да ограничат контактите си, особено с неваксинирани.

Добрата новина е, че при анкетиране на бременни и кърмещи жени съобщените нежелани реакции към трета доза ваксина (бустер) 24 часа след поставянето ѝ са били рядкост. Въпреки че локалните симптоми (болка и зачервяване) са били завишени в сравнение с контролната група, едва 2,4% от бременните са съобщили за реакции, свързани с бременността (основно контракции при жени в трети триместър), а само 3,5% от кърмещите са отбелязали намаляване в количеството кърма.

Нови приложения на CRISPR

През десетте години след публикуването на статията, описваща възможностите на системата CRISPR/Cas9, учените постоянно откриват нови начини за нейното приложение.

Сливането на хромозоми е процес, който се среща в природата – понякога като следствие на еволюцията, друг път в резултат на злокачествени процеси, които водят до редица здравословни проблеми. В статия, публикувана в списание Science, е описано първото успешно подобно сливане в лабораторни условия при бозайници. С помощта на CRISPR/Cas9 учените са слели хромозоми на мишки, които впоследствие могат успешно да се възпроизвеждат с нередактирани партньори. Въпреки някои отчетени проблеми – по-малобройно потомство, симптоми на тревожност и общи поведенчески промени, тази публикация отваря вратите за много бъдещи изследвания. С помощта на този метод могат да бъдат проучени по-основни теми – като еволюцията на хромозомите и разпределението им по време на мейоза (деленето на половите клетки), но и по-практично ориентирани – например развитието на някои видове тумори.

Наборът с инструменти на генетичните инженери се увеличава и с други нови открития. За разлика от Cas9, който модифицира ДНК, Cas13 има способността да реже едноверижна РНК. Както при Cas9, и при него са възможни нежелани редакции на непредвидени места. Поради това учените са създали система за белязване на такива редакции и над 200 модифицирани варианта на протеина и така са успели да открият варианти, които запазват ефективността си, без да променят РНК на непредвидени места. Тъй като РНК молекулите се задържат за сравнително кратко време в клетките и не се интегрират в генома, тази технология дава възможност за временни промени в клетките – подход, който се счита за по-безопасен.

Освен да срязва РНК молекулите на точно специфично място, Cas13 има способността да прави това и с близки РНК молекули. Като се използва тази негова възможност, е създаден бърз и прецизен тест за SARS-CoV-2, който може да се извършва и извън лабораторни условия само със секрет от носа и гърлото на пациента. Тъй като във формата, в която се среща в природата, протеинът не е с достатъчна чувствителност за приложение в диагностиката, екипът го е модифицирал, като е подобрил способността му да се свързва с РНК. Така е постигната възможността за детекция на 12 вирусни копия в един микролитър. Това го прави много по-чувствителен и по-прецизен от познатите бързи антигенни тестове, тъй като взаимодейства директно с генетичния материал на вируса, а не с белтъците от обвивката му. Поради гъвкавостта на системата тестът може да се приложи и за други вирусни заболявания – като зика, денге, ебола.

Изкуственият интелект в полза на медицината

Изкуственият интелект става широкодостъпен и интерактивен – най-вероятно немалка част от интернет потребителите са се забавлявали с изображенията, генерирани от Craiyon, а преди няколко години AlphaGo стана първата компютърна програма, победила човек на играта Go. Поради това не е изненада, че сходни похвати навлизат все повече и в други полета на науката.

Употребата на втора версия на AlphaFold (изкуствен интелект за предсказване на пространствената структура на протеини) става изключително популярна след публикуването и отварянето на кода му през юли 2021 г. Според статистика на списание Nature само два месеца след публикацията вече се подават по над 75 статии на месец. Програмата е създадена от екип на DeepMind, подразделение на Alphabet (компанията майка на Google).

Сега учените правят следващата стъпка с използването на изкуствен интелект за дизайн на нови протеини, като резултатите им са публикувани в три статии в списание Science. Първата е за създаване на нова структура с помощта на един от двата подхода – „халюцинация“, който работи на сходен принцип като при създаването на изображения от зададен текст в Crayion, или „запълване“, при който се използват похватите на автоматичното допълване (autofill) при текстово търсене по ключова дума. Така може да се зададат желани региони в протеина, които да имат конкретна активност или структура. Следва генериране на аминокиселинната последователност с помощта на новосъздаден инструмент (ProteinMPNN), който значително ускорява тази стъпка. Финално последователностите се анализират с помощта на AlphaFold, за да се потвърди, че ще бъде получена желаната пространствена структура. Някои от тези протеини са изпитани и в лабораторни условия, където е потвърдено, че кристалната им структура отговаря на структурата, създадена от алгоритмите.

Защо това е революционна технология ли? Защото с нея може да се създадат напълно нови протеини без аналози в природата. Едно от приложенията, посочени от авторите на изследването, е проектирането и изработването на биоматериали и все по-сложни компоненти за наномашини – малки „роботи“, които могат например да навлизат в човешките артерии и да разбиват плака или пък да внасят лекарства само в определени тъкани. Но това е само малка част от хоризонтите, които методът разкрива – приложението му може да намери място в най-различни биотехнологични процеси, като създаване на ваксини и различни терапевтични средства, устойчиво производство на биомаса и биогорива и др.

Изкуственият интелект се използва успешно и при създаването на нови медикаменти. Ключова стъпка в този процес е откриването на подходящо взаимодействие между целевата молекула в тялото на пациента и тази на лекарството, но поради големия брой потенциални взаимодействия задачата не е лесна. Прилагането на машинно самообучение помага значително.

Нов модел (AttentionSiteDTI), базиран на т.нар. обработка на естествен език (NLP), е описан от авторите му като голяма стъпка напред. Основните предимства на този подход са улесненото въвеждане на данни, който позволява използването на метода за по-широк набор от взаимодействия, и по-високата му скорост, за разлика от методите, базирани на други алгоритми. Ефективността му е потвърдена успешно в лабораторно изпитване на способността за свързване на седем молекули със спайкпротеина на SARS-CoV-2 (или ACE-2 рецепторите на човешки клетки), при което пет от тях са показали очаквания от модела резултат. Авторите смятат, че благодарение на гъвкавостта и високата си възпроизводимост, този метод може да бъде ключов в процеса на въвеждане на нови лекарства на пазара.

Алгоритми се използват и за проверка на това дали новосъздадените медикаменти могат да проявят токсичност към организма. За съжаление, тези алгоритми имат и своята тъмна страна. Само с промяна на условието – да се търсят токсични вместо нетоксични молекули – за по-малко от 6 часа са генерирани 40 000 химични структури на отровни вещества. Част от тях са вече познати химически оръжия, включително изключително опасният нервнопаралитичен агент VX, но има и нови, някои от които са със значително по-висока средна летална доза спрямо VX. Както авторите отбелязват, „духът вече е излязъл от бутилката“ и предстои много сериозна дискусия относно бъдещото развитие на тези технологии и създаването на механизми за ограничаване на възможността за използването им със зъл умисъл.

Повече по темата можете да чуете в епизода 40,000 Recipes for Murder на подкаста Radiolab.

Необятният Космос

Наблюдаването на астрономически събития, като слънчевите затъмнения, може да окаже сплотяващ и помиряващ ефект върху обществата, възприемано като изживяване на колективно чудо и източник на вдъхновение и възхищение. До този извод са достигнали авторите на проучване, в което са анализирани реакциите на почти 3 млн. потребители на социалната мрежа Twitter, за да се изследва социалното въздействие на пълното слънчево затъмнение през 2017 г. Според резултатите от изследването вероятността потребителите, попаднали в зоната на пълното затъмнение, да използват думи на благоговение е била над два пъти по-висока от тези извън него. Над 1,5 пъти по-вероятно е било да използват думи, свързани с общност и принадлежност (например „ние“). Увеличили са се и позитивните емоции.

Изводите от това изследване ще можете да изпитате и сами – макар че от територията на България няма да може да бъде наблюдавано като пълно, на 25 октомври около 12:30 ч. ще започне слънчево затъмнение. Максимумът му ще настъпи около час след това, като колкото по̀ на изток се намирате, толкова по-голяма част от слънчевия диск ще бъде закрита. Ако възнамерявате да наблюдавате явлението, използвайте подходящи защитни очила или филтри.

Системата от пръстени на Сатурн е най-разпознаваемата в нашата Слънчева система поради възможността за наблюдението ѝ със сравнително малко увеличение. Нов модел предлага обяснение за тяхното образуване, както и за наклона на оста на планетата спрямо орбиталната равнина. Според хипотезата преди около 160 млн. години орбитата на една от луните му (наречена от екипа Chrysalis, „какавида“) се е дестабилизирала и вследствие на приливните сили Chrysalis е била разкъсана на парчета, които с времето са оформили системата от пръстени на планетата (преди около 100 млн. години). Това е нарушило и баланса между Сатурн и Нептун, променяйки наклона на оста му. Предполага се, че най-вероятната причина е „побутване“ от Титан (най-голямата от 83-те луни на Сатурн), като това би обяснило и по-ексцентричната му орбита.

Но пръстени имат и четирите гиганта в нашата Слънчева система. С помощта на детектора за близка инфрачервена светлина на телескопа „Джеймс Уеб“ са направени най-ясните снимки на пръстените на Нептун след получените от космическата сонда „Вояджър 2“ при прелитането ѝ покрай планетата през 1989 г. Заради използването на този детектор планетата няма характерния си син цвят и изглежда сравнително бледа – и двата ефекта са вследствие на наличието на метан в атмосферата ѝ. Видими са и облаци от метан, които са високо в атмосферата и успяват да отразят повече от слънчевата светлина. На снимката се виждат и 7 от 14-те известни луни на Нептун, като най-впечатляващ е Тритон, който с покривката си от замръзнал азот отразява около 70% от попадналата върху него слънчева светлина. Това затвърждава успешното въвеждане в експлоатация на телескопа „Джеймс Уеб“ като едно от най-значимите събития в астрономията през последните години.

Заглавно изображение: Микроскопска снимка на стъбло на петгодишен бор, напречен разрез, 40х увеличение. Източник: BCC Bioscience Image Library, CC0 / Flickr

Източник