«Квантовые» мутации. Перенос генов. Жидкий углерод. Сердечный органоид. Новости QWERTY №214
Из этого ролика вы узнаете, как бьется сердечный органоид, почему квантовая физика поощряет мутации, кто переносит гены от змей к лягушкам и как получить жидкий углерод. [музыка] Всем привет! Вы смотрите научно-популярный канал QWERTY. Меня зовут Владимир. На днях для российских научных организаций и учебных заведений стала недоступна, и вы знаете почему.
Поисковая интернет-платформа, крупнейшая база научных статей и цитирований научных работ Web of Science, в ней порядок 160 миллионов статей и под 2 миллиарда ссылок. Кроме поиска по базе данных, она позволяет вести наука метрические подсчеты и вычислять индексы значимости журналов или авторов, индексы цитирования. Еще в марте российское правительство приостановило учета индексации публикации российских ученых Web of Science и Scopus в качестве требования при реализации ряда проектов.
Scopus, однако, крупнейшая база данных научной информации, впрочем, остается доступна. Российский фонд фундаментальных исследований, а он является оператором российской подписки на услуги, выпускается, ищет способы сохранить к ней доступ, не иначе как при помощи параллельной подписки. Ну а свежий выпуск самых интересных новостей науки за предыдущую неделю доступен для всех безо всяких подписок, хотя мы, конечно, будем очень признательны, если вы подпишетесь на наш канал.
Ну и к большому сожалению, все ссылки на источники и подробности, которые мы всегда оставляем в описании, не смогут заменить такую махину, как выпав сайт. Обычно простые вещества, состоящие из атомов одного химического элемента, обладают тремя агрегатами состояния: сильно охлаждаем – получаем твердое вещество, сильно нагреваем – получаем газ. Ну а где-то между плещется жидкость. Вот только как ни бились ученые, несколько химических элементов получить в виде жидкости никак не удавалось, и один из этих элементов – это углерод.
И это при том, что аллотропных модификаций углерода в твердой фазе больше десяти, но ни одна из них не желает становиться жидкостью. Одна из проблем получения жидкого углерода – еще высокая температура плавления. Вряд ли мы сможем найти материал для котла, который бы не расплавился при температуре под 7000 градусов. Самый тугоплавкий материал плавится в промежутке между 4000 и 5000 градусов. Нет, но на доли секунды углерод все же можно расплавить, например, там электрической дугой, удерживая его в магнитных ловушках. Можно даже в таком аки, наверное, его подбрасывать.
Но все эти методы явно не упрощают процесс изучения свойств жидкого углерода. Как обычно в таких ситуациях, на помощь приходит компьютерное моделирование. Основная задача построения модели в том, чтобы убедиться, что она будет корректно отражать реальность, а если мы работаем не с отдельными атомами, а с веществом, в котором атомов много, то возникает еще и вопрос достаточной компьютерной мощности. Она, как известно, ограничена. Поэтому на помощь приходит машинное обучение, цель которого – настолько упростить сложнейшие формулы взаимодействия между частицами, чтобы они дали достаточно приближение к реальности, не потеряв при этом в реалистичности.
Это и сделали ученые из МВТ и Бауманки, соединив методы классической молекулярной динамики и машинного обучения. Вот так выглядит жидкий углерод на молекулярном уровне. Модель показала, что в жидком состоянии углерод образует цепочки толщиной в один атом, похожие на молекулы корбина. Это одна из форм углерода, тоже нестабильное и сложное для изучения. Такие цепочки в жидкости стали неожиданностью. Их стабильность обычно достигается в очень специфических условиях, например, внутри нанотрубок.
В общем, эти расчеты интересны не только с теоретической точки зрения, например, для астрофизиков, постоянно сталкивающихся с огромными температурами в звездах, но и для практического подхода к углеродным наночастицам и их синтезу. Как и многие другие органы, сердце нельзя просто так вытащить, посмотреть на него и вставить назад. Стенки или толщины стенки сузились ли артерии, не пропускает ли клапаны?
С другой стороны, для лабораторного изучения в последнее время ученые создают миниатюрные имитации органов. Например, нейро органоиды имитируют развитие мозга. На них можно испытывать лекарства, изучать со всех сторон. Есть и другие типы органоидов, но одним из немногих органов, успешно сопротивляющихся организации, является сердце. При всех попытках создать органоид кардиомиоциты просто формировали шевелящийся бесформенный комок.
Тем интереснее посмотреть на результаты очередной работы, которые обходят этот негласный сердечный запрет. Вот это миниатюрная копия сердечного желудочка, ее называют Mini Pump. Это миниатюрный сердечный высокоточный однонаправленный микро-жидкостный насос. Объем три квадратных сантиметра, имеет камеру и акриловые клапаны, чтобы создавать однонаправленное течение жидкости, как в обычном сердце.
Ну а, соответственно, и систему трубок, клетки из которых он построен – это человеческие кардиомиоциты, полученные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, ре-программированных из обычных клеток кожи. Новшеством тут явился каркас, на который эти клетки посадили. Он напечатан на 3D-принтере при помощи двухфотонной прямой лазерной записи и представляет собой серию концентрических акриловых спиралей толщиной с человеческий волос, соединенных горизонтальными кольцами.
Он придает структуру всей конструкции и сокращается вместе с кардиомиоцитами. Заодно он дает нагрузку, крепко необходимую для их правильного развития. Что такое Mini Pump создает? Во-первых, это возможность взять клетку из вашей кожи, вырастить из нее такую органоид и проверить, как на него воздействует те или иные лекарства – это персонализированная медицина. Во-вторых, можно в принципе испытывать лекарства на доклинических стадиях на таком органоиде без всяких животных и людей.
В-третьих, можно изучать сердце в лаборатории. Открытым остается только один вопрос: а заставит ли беспокоиться сердце из акрила? Как можно поделиться своими генами? Можно передать их по наследству своему потомству, и достаточно легко. А вот можно ли передать свои гены соседу или какой-нибудь животине, там козе или кошке? И пока вы думаете, что общее такое несу и зачем это нужно, напомним, чтобы бактерии это делают постоянно.
Они обмениваются генами между особями, причем между разными их видами. Так они достигают генетического разнообразия, раз уж половое размножение им не доступно. На заре становления земной жизни это вообще был запутанный или распространенный процесс, но могут ли это делать многоклеточные организмы? Как оказалось, до 2010 года был выявлен горизонтальный перенос генов от кровососущих клапан к обезьянам и опоссумам. Так передавался один из транспозонов – это мобильный, то есть перемещающийся по геному фрагменты ДНК.
Про транспозоны и их разновидность, ретро-транспозоны, к учению рассказывать не будем, но заметим, что у крупного рогатого скота периодически обнаруживались фрагменты ДНК змей, а конкретно ретро-транспозоны Bovin B, характерного как раз для змей и лягушек. Но способ передачи генетического материала между видами был неясен.
Сейчас я расскажу вам историю про жаб и гадюк. И нет, это не про наше телевидение. Это про то, что ученые собрали ДНК 100 змей и 150 лягушек со всего мира и проверили их на наличие участков Bovin B. При составлении карты переносов между разными видами на протяжении последних 100 миллионов лет выяснили, что Bovin B переходил со змей на лягушек не менее 54 раз. В промежутке от 84 до полутора миллионов лет назад происходило это по всему миру, но чаще всего на изолированном Мадагаскаре.
То есть в какой-то момент времени ретро-транспозоны горизонтально переносились у змей к лягушкам, а затем передавались уже вертикально по наследству. Хорошо, факт переноса зафиксирован, но что с механизмом? Это пригодились исследования паразитов. Вместе со змеями и лягушками ученые исследовали ДНК амфибийных и рептильных паразитов – это внутрикожные клещи, пиявки и черви, комары.
В некоторых членистоногих и нематодов были обнаружены действующие ретро-транспозоны Bovin B. Где-то на путях передачи от змей к лягушкам, конечно, происходили изменения в генетическом материале в пределах нескольких процентов, а где-то идентичность была полная. Поэтому в целом можно заявить, что клещи и нематоды являются потенциальными переносчиками генетического фрагмента Bovin B между змеями и лягушками. А если это работает по амфибиям и рептилиям, то, наверное, требуется исследование и для млекопитающих.
А у меня появилась очередная маленькая размером с человеческих паразитов и всяких там клещей фобия. А сейчас смешаем генетику с квантовой физикой. Начнем с ДНК. Это основа жизни. Это молекула, которая при помощи репликационных механизмов копируется с высокой точностью, но все же иногда во время этого процесса происходят ошибки.
И среди всех причин мутации выделим еще одно – это квантовая физика. Две спирали ДНК соединяются между собой при помощи ядер водорода, протонов, точнее, при помощи водородных связей, соединяющих азотистые основания аденин, гуанин, тимин и цитозин. Это перекладины спирали. Обычно основания соединяются по строгим правилам: аденин только с тимином, а цитозин с гуанином из-за особой формы молекул, подходящих друг другу, как кусочки пазла.
Но если с водородной связью что-то происходит, то правила нарушаются. Основания начинают соединяться некорректно, происходят мутации. Причины возникновения мутации были предсказаны Криком и Уотсоном, первооткрывателями ДНК, лет пятьдесят назад, но только сейчас компьютерное моделирование смогло показать и объяснить этот процесс. Итак, водородные связи могут быть нарушены следующим образом: ядро водорода, протон, постоянно переходит через энергетический барьер благодаря квантовому туннелированию.
Этот процесс характерен только для частиц и не встречается в макромире. Ближайшая аналогия: как если бы мяч прокатился по оврагу и выскочил выше точки, с которой его сбросили. А вот протон может исчезнуть с одной стороны водородной связи и как бы телепортироваться на другую сторону. До 1944 года считалось, что в теплом, влажном, сложном живом организме квантовые экзерсисы не очень-то распространены, но затем Эпстейн в своей книге показал, что это не так.
Ну а новая научная работа добавила к этому мнению и свои аргументы. Клеточная среда все же способствует термической активации протонов и преодолению ими энергетических барьеров. По факту протоны так и так-то на лиру и туда и обратно между двумя спиралями вдоль водородных связей. Но предположим, что начался процесс репликации ДНК и копирование. На первой стадии спирали, как бы, раз сплетаются, расходятся.
И если в момент разрыва цепочки, то на лирующие протоны оказываются на неправильной стороне. То это может вызвать ошибку. Ошибка может быть передана системой репликации дальше и привести к мутации. Вывод статьи таков, что вклад квантовых процессов в образовании мутации достаточно высок, выше, чем могли предполагать ранее, и вероятно, это отныне изменит подход к моделированию генетических мутаций.
Лучшей новостью предыдущего выпуска вы признали новость про то, что ученые создали микро-дрон, оснащенный оптическими моторами, которые можно приводить в движение светом с определенной длиной волны. Микро-дрон с четырьмя плазмонными нанона средствами имеет три степени свободы и может быть использован для сборки наноструктур для анализа поверхности с нано-метровой точностью или, например, в репродуктивной медицине.
Сами наноантенны имеют размеры меньше волны света и предназначены для приема поляризованного света. Поэтому совершенно не важно, как расположен дрон: мотор в любом случае будет испускать свет в верном направлении, а отдача двигать дрон в нужную сторону. Ну что ж, а на этом на сегодня все. Большое спасибо вам за просмотр! Как обычно, вы можете проголосовать за самую интересную новость выпусков в нашем телеграм-канале, а заодно там же и обсудить их.
Подписывайтесь на QWERTY, ставьте лайк этому видео, если оно вам понравилось, делитесь им со своими друзьями и до скорых встреч! Пока. [музыка]