Post Syndicated from Михаил Ангелов original https://www.toest.bg/nauchni-novini-kometi-mlyako-bez-kravi-i-potomstvo-ot-ednopolovi-roditeli/

Мляко без крави

Млякото е изключително важна (и вкусна) суровина, която към момента може да се добива само от животни. Отглеждането им ще става все по-трудно и по-скъпо заради очакваните климатични промени и намаляващите водни ресурси и затова интересът към създаването на млечни аналози е изключително голям. Засега най-достъпният метод е биотехнологичното производство на отделните компоненти на млякото, които после да бъдат смесени. А ако се цели производство на млечни субпродукти (например суроватъчни протеини), компонентите могат да бъдат директно вложени в тях, като така се премахва нуждата от разделянето им.

Отделните елементи на млякото, засягащи най-вече вкуса, са: мазнини, казеини (протеините, които формират твърда маса при пресичането на млякото и които са необходими за производството на сирене), суроватъчни протеини (те са по-разтворими и остават в суроватката), захари, витамини и микроелементи. 

В последните години няколко компании съобщават, че са решили загадката и имат „биотехнологично мляко“, но за съжаление, никоя от тях не предлага пълна алтернатива. Една от тези компании е Perfect Day (по популярната песен на Lou Reed), основана през 2014 г. Тя работи по B2B модел и предлага своя продукт като суровина на различни компании с цел производство на всякакви хранителни продукти – сладолед, овкусени млека и др.

Зад технологията стои утвърден биотехнологичен модел. Гените за желаните протеини се клонират от първоначалния организъм (в случая крава) в микроорганизъм, който може да се отглежда в биореактори. Perfect Day са избрали за синтез суроватъчния протеин лактоглобулин, а като биологична „фабрика“ – една нишковидна гъба от рода Триходерма. Тези гъби са подходящи за подобен вид производство, тъй като имат свойството да отделят извън клетките си големи количества ензими и с тяхна помощ разграждат целулозата, с която се хранят. Използвайки генетични редакции, учените успяват да ги подлъжат, така че вместо тези хранителни ензими те да синтезират и отделят протеини, чужди за тях.

За съжаление, информацията, която е представена от компанията, може да се окаже не съвсем вярна – това предстои да се установи в дело, заведено преди няколко месеца от две организации – Асоциацията на органичните консуматори (OCA) и GMO/Toxin Free USA.

Perfect Day обявяват съдържание на гъбни протеини от около 7% в своя продукт като следствие от производствения процес. Според ищците независим анализ показва почти обратното – само 13% от продукта представляват рекомбинантен тлактоглобулин, т.е. 87% е съдържанието на гъбни протеини.

Под въпрос е и дали наистина в произведената суровина няма ГМО, тъй като е възможно части от гъбата да не са премахнати при процеса на пречистване. Компанията държи на своя анализ и се позовава на публикувани данни в научна литература, които сочат, че използваната гъба няма известни отрицателни ефекти. Делото ще е интересно, защото може да бъде важно за бъдещето на подобни биотехнологични производства.

Наред със суроватъчните протеини казеините са ключова част от млечните аналози (съставят около 80% от кравето мляко), поради което възможността за техния синтез също представлява голям интерес. В млякото те се намират под формата на агрегати от няколко вида казеин. Важно условие за формирането на тези агрегати е отрицателният заряд на протеините, който те получават чрез фосфорилиране (закрепване на фосфатни групи към тях).

В скорошна публикация са описани два подхода за синтез на фосфорилиран казеин в бактерии. Първият е относително директен – освен гена за казеин от крава се вмъкват и няколко кинази от бактерията Bacillus subtilis. Киназите са ензими, които могат да фосфорилират протеина, закачайки фосфатни групи към него. Второто решение е по-иновативно и се състои в редакция на състава на протеина чрез подмяна на една аминокиселина – серинът се заменя с аспарагинова киселина. Тя има негативен заряд, който ѝ придава свойства, сходни на свойствата на фосфорилирания серин. Екипът нарича този модифициран протеин фосфомиметична версия на казеина, тъй като се държи като него, но няма фосфорилиране.

Според получените резултати от редица тестове, между двата протеина, синтезирани от бактерии, и протеина, извлечен от краве мляко, няма функционална разлика, което звучи обещаващо.

От една страна, е стъпка към чисто практичното приложение на протеина в производство на сирена без използване на животни. Заедно с това показва, че с леки намеси в структурата на протеините може да се получат удачни функционални модификации, чрез които да се опростят подобни производства.

Подобни „прецизни ферментации“ са част от по-общата идея за „клетъчно земеделие“, чиято цел е да се намали използването на животни, като продуктите, традиционно получавани от тях, се заменят с биотехнологични алтернативи. Потенциалът на този нов подход е голям и може да има положително отражение върху много от негативните аспекти на животновъдството – въглеродни емисии, употреба на вода и енергия, заета площ, неетично отглеждане и др. Пълното премахване на животински продукти към момента изглежда много далеч, но на хоризонта се появяват проблясъци като млечните алтернативи или синтетичните месни аналози.

Татко, татко и аз

Размножаването при бозайниците е сравнително праволинейно. Създаването на потомство започва със сливането на две клетки, идващи в общия случай от майката и бащата – процес, който е резултат от милиони години еволюция. Именно поради това намесата в него е изключително трудна и разкриването на всички фини механизми на протичането му е дългогодишна цел на ембриологията. Една от интересните задачи, които са си поставили учените, е да вникнат в процеса на сливане на двете полови клетки и генетичните основи за получаване на новия индивид.

Важен елемент от този процес е епигенетичният феномен „генетичен импринтинг“. След сливането на половите клетки в получената зигота има два набора хромозоми – по един от всеки родител, като всеки се състои от една полова хромозома (X или Y) и няколко автозоми. Тъй като всеки ген е представен от две копия, е нужен прецизен контрол на тяхната активност, за да няма нарушения в развитието на организма. Това е ролята на импринтинга – с помощта на епигенетични механизми някои гени, намиращи се на автозомите, се изключват.

Интересното е, че за разлика от други случаи (например инактивирането на X хромозомите при женските бозайници), в които това се извършва на случаен принцип, при импринтинга има строги правила кои майчини и кои бащини гени ще бъдат изключени. Счита се, че именно поради това няма описани случаи на партеногенеза („непорочно зачатие“) при бозайниците.

Това кара учените да се запитат дали не е възможно изкуствено да се създаде потомство от индивиди от един и същи пол.

Основите на тези опити са поставени през 80-те години на миналия век от английски учени, но резултатите само потвърждават, че наличните към момента технологии не са достатъчни за намеса в специфичния процес на ембриогенеза и в импринтинга. Първият сериозен пробив е направен през 2018 г., когато китайски учени успяват да манипулират ембрионални стволови клетки чрез премахване на няколко ключови гена, които са обект на импринтинг. Най-вероятно поради грубия подход (премахване на цели гени вместо на импринтинга върху тях) от родените 12 мишлета оцеляват само две, при това за по-малко от 48 часа. Въпреки това процедурата е окуражаваща и показва, че с подобни намеси могат да се преодолеят първите критични фази, като образуването на плацентата и началните стадии в развитието на ембриона. В същата публикация е описана сходна технология, чрез която успешно се създават мишки от две майки, даващи нормално потомство след кръстосване с обикновена мишка.

Информация за сходен експеримент бе публикувана и в началото на януари. С помощта на CRISPR/Cas9 китайски учени нарушават функционирането на 20 гена в миши сперматозоиди. Тази намеса е по-успешна – получените мишки оцеляват, но последиците от нея са налице. Животните са по-големи от обикновените, с уголемени органи и по-кратък живот; освен това не са фертилни. Двата експеримента потвърждават сложността на процеса и необходимостта от присъствие на гените.

Промяна на стратегията и сериозна стъпка напред представлява първата яйцеклетка, получена от мъжка стволова клетка.

Разработката, публикувана през 2023 г., е на японски екип, който нарича новата технология „инвитро гаметогенеза“. Процедурата започва със създаване на стволови клетки от възрастни мъжки мишки чрез вземане на материал от опашките им. След това тяхната Y хромозома се премахва и се дублира останалата X, което е една от най-важните стъпки. Така направените XX клетки се имплантират в изкуствено създаден яйчник, където се оформя „мъжката“ яйцеклетка.

След оплождането на тези изкуствени яйцеклетки със сперматозоиди от немодифицирани животни те са имплантирани в сурогатни майки. Получените седем мишки се развиват нормално, без забележими дефекти. Една мъжка и една женска от тях са изпитани за фертилност, като и в двата случая опитите са успешни. Въпреки че само от 1% от имплантираните ембриони се раждат модифицирани мишки, това се оценява като сериозен напредък в полето на репродуктивната генетика.

Разбира се, историята не свършва дотук – в края на миналия месец беше описан нов подход за решаване на тази загадка. Той се базира на модифицирана CRISPR система, редактираща не самия геном, а епигенетичните маркери, които носи ДНК. За получаване на ембрион с генетичен материал от двама бащи се имплантират два сперматозоида в яйцеклетка с премахнато ядро. Така получената „диплоидна“ клетка, която носи два набора хромозоми, се подлага на прецизно насочена редакция, прицелена към алели, които се срещат само на едната хромозома – от единия или от другия татко.

Крайният резултат са две мишлета, които оцеляват и се развиват нормално.

След като достигат полова зрялост, те успяват да създадат потомство с две немодифицирани майки. Този метод изглежда най-щадящ и най-обещаващ, тъй като няма директна намеса в генома, която да бъде предадена на потомството.

Въпреки че може би изглежда малко самоцелно и странно, от манипулирането на половите клетки може да има и преки ползи. Комбинацията от инвитро гаметогенеза и епигенетично редактиране може да бъде важен инструмент за възстановяване на популациите на видове, които са на ръба на изчезването. Макар че най-вероятно няма да може да се пренесе директно от мишки към други видове, натрупаната информация ще помогне за по-бързото и по-лесно разработване на видовоспецифични похвати. Пример са белите носорози, при които инвитро процедурите за оплождане все още не са оптимални.

За добро или лошо, все още сме далеч от прилагането на тези подходи при хора. Дори да приемем, че това би се приело от обществото и се предложи като част от пакетите за репродуктивна помощ, чисто технологично има множество спънки, които трябва да бъдат преодолени. Едната от тях е самото ни познание за гените, подложени на импринтинг – през 2014 г. са били известни около 70, а през 2019 г. броят им надхвърля 200, тоест тепърва се трупат данни. Много е вероятно процедурата да крие рискове, за които все още не подозираме; в повечето публикации полученото потомство не се подлага на тестове за оценка на когнитивните способности. Дискусията доколко етични са подобни технологии, тепърва предстои и няма да бъде лека. 

Далечен гост

В необхватните дебри на Космоса има множество обекти, които не обикалят около конкретна звезда, а се движат самотно в пространството между звездните системи. Въпреки че според математическите изчисления те са изключително голям брой, към момента наблюдаването им е доста рядко явление.

В началото на месеца системата за засичане на обекти, представляващи риск за Земята (ATLAS), регистрира ново тяло при преминаването му покрай орбитата на Юпитер.

Траекторията и скоростта му показваха, че идва от пространство извън Слънчевата система и няма да се задържи дълго в нея. Това е едва третият засечен подобен обект, поради което е наречен 3I/ATLAS. Той е по-голям от предишните два, забелязани през 2017 и 2019 г., но точният му размер не може да се определи, защото е активна комета с ядро, обградено от прах (т.нар. кома). Най-вероятно диаметърът му е около 1–2 км, но може да се окаже и към 10 км.

В момента комата е сравнително компактна и опашката ѝ е къса, но най-вероятно с приближаването към Слънцето ще започне да расте. 3I/ATLAS не представлява опасност за Земята и ще прелети на повече от 200 млн. км от нас, преминавайки през орбитата на Марс, без да го застраши. Според сегашните изчисления перихелият (моментът, когато ще е най-близо до Слънцето) ще е на 29 октомври, след което кометата отново ще се отправи към междузвездното пространство в Млечния път. По това време Земята ще бъде от другата страна на Слънцето и няма да е възможно да се правят наблюдения. Орбитите ще позволят това чак през декември, но все още не е ясно дали тогава 3I/ATLAS ще бъде видим.

Поради редкостта на събитието астрономите се възползват от всички налични инструменти.

Телескопът „Хъбъл“ направи наблюдения на 21 юли, а през ноември с негова помощ ще бъдат проведени спектроскопски измервания в ултравиолетовия спектър, които ще определят съотношението между сяра и кислород в кометата. Обсерваторията „Джеймс Уеб“ ще наблюдава обекта през август и декември, измервайки съдържанието на различни вещества в него (вода, амоняк, въглероден диоксид) чрез спектроскопия в инфрачервения спектър.

Тъй като ще прелети най-близо до Марс, учените предвиждат наблюдения и с помощта на изкуствен спътник (MAVEN) в орбита около Червената планета. Измерванията от тези телескопи ще дадат ценна информация за средата, в която се е формирала кометата, и за компонентите, които са присъствали в този момент. Куриозно и за късмет на астрономите, новата обсерватория „Вера Рубин“ също е заснела обекта по време на предварителните ѝ тестове, давайки допълнителни данни отпреди първоначалното му засичане.

Хипотезата за произхода на подобни обекти е, че те се формират в асоциация с някоя звездна система и се движат по дълги орбити около нейната звезда. Но при разминаването с друга звездна система кометите могат да бъдат „издърпани“, което ги изпраща на пътешествие в празното пространство между звездите. Друга възможност е те просто да се откъснат от звездата майка, когато тя започва да губи от масата си и да загива.

Към момента не е ясно откъде точно идва 3I/ATLAS, но учените подозират, че е изключително стар обект.

Предположенията за възрастта му обхващат голям диапазон: според една статия – от 3 до 11 млрд. години, а според друг екип – между 7,6 и 14 млрд. години. Това е впечатляващо, защото може да се окаже, че 3I/ATLAS се е формирал преди нашата Слънчева система. Една от допълнителните улики за произхода на кометата ще бъде и това колко бързо се върти – ако е бързо, най-вероятно е „издърпана“ от друга звезда, а ако е бавно – по-вероятно е просто да е „отплавала“.

Предстои тепърва да разберем още много за тази странстваща комета, но появата ѝ определено предизвика голям интерес в научните среди, което личи от предварителните статии, публикувани само седмици след откритието. Очаква се, че след като обсерваторията „Вера Рубин“ започне своята работа, подобни обекти ще бъдат засичани по-често. Това обаче няма да намали интереса към тях и те ще продължат да пленяват въображението ни.

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