Рой нанороботов в теле. Механизм холодной зубной боли. Сравнение мозга приматов. Новости QWERTY №165
Из этого ролика вы узнаете, как ученые увидели распространение роя нано-роботов в живом организме, зачем нужно сравнивать частоты атомных часов, почему мозг человека больше мозга обезьян и какова настоящая причина зубной боли от холода.
[музыка]
Всем привет! Вы смотрите научно-популярный канал QWERTY. Меня зовут Владимир. Но прежде чем мы перейдем к рассказу о самых интересных новостях предыдущей недели, предлагаем вам ознакомиться с самой интересной астрономической новостью из ролика пулковского астронома Кирилла Масленикова, опубликованного в прошлый четверг по самым горячим следам. На случай, если вы еще этого не сделали, вы узнаете о том, как ученые получили первые в мире изображения тени черной дыры в поляризованном свете и как это помогло определить напряженность магнитного поля и параметры плазмы. Невероятно увлекательно!
А я напоминаю вам, что, как всегда, все подробности о новостях из этого ролика будут доступны по ссылкам в описании.
У нас, то есть у людей, мало ли кто еще смотрит QWERTY, достаточно большой мозг. Среди приматов гориллы и шимпанзе отстают по размерам в два-три раза. Но вопрос не только в массе или габаритах. Количество нейронов у только что родившегося человека тоже больше, чем у новорожденного шимпанзе или гориллы в раза в три. Это эволюционное различие приписывалось и социализации человека, и преобладанию в его рационе фруктов, и использованию инструментов.
Но еще интереснее заглянуть в сами механизмы развития мозга. В этом прекрасно помогают церебральные органоиды — мини-мозги, выращенные из стволовых клеток. Ученые взяли нейроны всех упомянутых трех видов приматов, перепрограммировали их в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, то есть поместили их на стадию эмбрионального развития, и начали выращивать. К пятой неделе органоиды человеческого мозга ожидаемо превзошли по размерам собратьев в два раза.
Давайте разберемся, почему. Клетки-предшественники нейронов, характерные для ранних стадий развития эмбриона, изначально имеют цилиндрическую форму. Это очень удобно для деления, ведь их потомки имеют такую же идентичную форму. Чем больше делятся клетки, тем их форма больше напоминает вытянутую конусовидную. У обезьян до приобретения клетками предшественниками нейронов конусовидной формы проходит пять дней, а у человека — 7 дней. То есть у человеческих клеток больше времени для деления, и они еще и делятся чаще.
Получилось объяснить это различие и на генетическом уровне. Анализ экспрессии генов показал, что один из генов ZIP2, отвечающий за форму и активность клеток-предшественников нейронов обезьян, включался раньше, чем у человека. И как только он включается, в эмбрионах замедляется размножение клеток-предшественников нейронов. А это значит, что у обезьян просто вырастает меньше нейронов.
А вот если включить этот ген у обезьян позже, чем положено, то количество нейронов в органоидах начинает догонять человеческое. Разумеется, это всего лишь моделирование, но для объяснения эволюционных процессов и всей линейки планеты обезьян это очень ценное открытие.
Вы наверняка помните, как значение килограмма как единицы массы переопределили через постоянную Планка в 2019 году. А сейчас ученые вплотную подбираются к переопределению секунды, который еще в 1967 году было зафиксировано как время, равное вот такому количеству периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. То есть с этого времени секунду определяли по атомным часам с атомами цезия, которые спускают и поглощают свет определенной частоты.
Но за последнее время в архитектуре атомных часов произошли качественные улучшения, позволяющие определить секунду еще точнее. От широко используемых микроволновых атомных часов, которые могут изменить время в секундах с точностью до 16 знака после запятой, мы переходим к оптическим атомным часам, которые лучше в сто раз, то есть могут дать точность в 18 знаков после запятой. Это происходит за счет возможности измерения частоты в оптическом диапазоне с большей точностью, чем и в микроволновом.
Но для того чтобы внедрить эти улучшения, нужно убедиться, что мы умеем сравнивать между собой частоты разных часов, использующих разные атомы. С одинаковыми атомами ученые уже умеют справляться. Более того, если мы говорим про сравнение частот в оптическом диапазоне, то для этого нужно оптоволокно, а хотелось бы проводить калибровку в беспроводном режиме по воздуху, как сейчас можно делать с микроволновыми часами.
Ученые из коллаборации Бандеровской оптической сети атомных часов решили обе проблемы. Они смогли измерить отношение резонансных частот трех оптических атомных часов, причем часы на основе иттербия-171 и алюминия-27 были в одном институте, а на основе стронция-87 в другом. Их соединили при помощи четырехкилометрового оптоволокна, а часы с иттербием мы с транцем еще и оптической лазерной связью по воздуху на расстоянии в полтора километра.
Вот как выглядит более точно и, конечно же, более понятная схема. Измерение проводили при помощи так называемых оптических частотных гребенок — высокоточных инструментов, работающих с лазером и в волокне, и в воздухе. Их влияние на измерения будет минимальным, но порядок меньше измеряемой частоты. В итоге отношение частот в атомах всех трех часов были измерены с точностью от 6 до 8 на 10 в минус 18 степени, и это на данный момент рекордная величина. Эти исследования могут внести вклад в более точную систему хронометража и, соответственно, геопозиционирование, геодезию и даже неожиданно в поиск отклонений фундаментальных констант, что ведет за пределы стандартной физики в области новой физики.
Эксперимент коллаборации Бейкон как раз наложил ограничения на взаимодействие бозонов темной материи с обычной материей. На этом графике цветом выделены области уточнения физических констант за счет нового эксперимента.
Рой нано-роботов, служащие человечеству, либо выходящий из-под его контроля, часто становится основой сюжета для фантастических произведений. Вспоминается и Майкл Крайтон, его роман "Рой", и Александр Лазаревич, и его повесть "Сеть нанотех", да и даже Станислав Лем, его "Непобедимый". Правда, там рой несколько с другой стороны затронут, но не ждете же вы от меня здесь спойлеров! Вы ждете фактов о здесь и сейчас, и вот вам факт. Рой нано-роботов самоорганизовался в организме мыши.
Пусть на нано-роботы в ближайшей перспективе не сильно впечатляют, они должны лишь перемещаться и переносить грузы вроде лекарств к опухолям или пораженным органам. Не самовоспроизводство, не мысленного управления — но это пока основная проблема с ними сейчас в том, что их очень сложно отслеживать в организме.
Для начала давайте разберемся с перемещением. Нано-роботы, участвующие в новом эксперименте, работают на ферментной тяги. Они используют вещества в организме, например, мочевину, которые взаимодействуют с заложенными в робота ферментами. В случае с мочевиной это уреазы. В результате такой химической реакции возникает реактивный поток ионов карбоната и аммония, позволяющие разогнать робота до скоростей в несколько сантиметров в час. Для того чтобы унести значимое количество лекарства, роботов должно быть много, и ученым важно понять, как распределяется рой внутри организма.
Теперь самое время разобраться с отслеживанием. Проблему визуализации решили с помощью подкаты позитронно-эмиссионной томографии, совмещенной с компьютерной томографией. Маркерами для этого метода служат радиоизотопные метки, которые и нанесли на кремниевые нано-роботы, а точнее пометили ими фермент уреазу в двигателе и золотые наночастицы в багажнике. Если в обычной чашке Петри с нано-роботами присутствуют только вода, то роботы остаются в пределах того объема, который их поместили.
А вот в воде с мочевиной, то есть с топливом, они ведут себя как рыбы в косяке и равномерно распределяются по всей чашке. Более того, нано-роботы успешно преодолевают искусственные препятствия в виде лабиринтов. Но это была лишь пристрелка методики поддержания визуализации движения. Затем нано-роботов внутривенно ввели в организм мыши и стали отслеживать их перемещения.
Вот как это выглядело: яркое пятно — это маркер изотопа И-124, он визуализирует скопление нано-роботов в щитовидке. Остальные точки распределяются по легким, печени и другим органам, и постепенно выводятся с мочой. Приведение в мочевой пузырь, где топлива полно, нано-робота тоже крайне быстро распределяются по всему объему. Побочных эффектов от процедуры не наблюдалось.
То есть представьте, если подобрать нужные ферменты для двигателя, то можно адаптировать нано-роботов к разным ситуациям и, например, разным типам опухолей, а затем контролируемо обрабатывать их, причем наблюдая в режиме реального времени. Звучит, конечно, не мега-фантастично, но весьма хорошо!
А уж какой простор для фантазии о чипировании! Хотя, если вдруг кто-то из вас, дорогие зрители, никогда не испытывал острые челюсти, лобную ни с чем не сравнимую зубную боль от укуса мороженого или холодного напитка, вам искренне завидую. Но все еще впереди!
Причина, по которой "терпи" 5 впивается в нерв на первый взгляд ясна: повреждение верхнего защитного слоя зуба. Но как сигнал передается к нервам оставалось загадкой, и сейчас мы поднимем эту завесу тайны. Спойлер: во всем виноват "терпи" 5.
Так можно говорить при холодной зубной боли. Ой, терпите 5! Около десяти лет назад ученые обнаружили, что клетки, производящие белок "терпи" 75, чувствительны к холоду. Когда становится морозно, в клетках периферической нервной системы этот белок открывает канал, позволяющий ионам преодолевать клеточную мембрану. Фактически, он позволяет передачу нервного импульса.
Эти же ученые спустя 10 лет попробовали разобраться в применимости этого механизма к зубной боли. И давайте же разберемся и мы! Под защитной нечувствительной эмалью в зубе расположен слой дентина, испещренный каналами. Под твердым дентином расположена пульпа, содержащая в себе одонтобластов — клетки, формирующие дентин — и нервы. Кстати, именно нервное сплетение рожкова дарят нам те самые незабываемые ощущения.
Ранее основная теория зубной боли от холода заявляла, что температурные колебания создавали давление на жидкость в каналах дентина, и она уже передавала сигнал в нервы зуба. Логично, но совершенно очевидно, что в этой теории есть пробелы, и я бы даже сказал дырки.
В последовавших экспериментах ученые использовали генетически модифицированных мышей с отключенными ионными каналами "терпи" 5. Они хотели узнать, будут ли их поврежденные зубы также реагировать на холод, как у обычных мышей. И да, все правильно, такие мыши будто не чувствовали боли, как будто сидели на сильных обезболивающих.
Кстати, ученые порылись и в человеческих зубах и обнаружили, что в них тоже существует этот ионный канал. И с чего последовал вывод, что именно он отвечает за появление холодной зубной боли. Остается только понять, в каких же клетках он работает.
Сюрприз заключался в том, что "терпи" 5 активен в одонтобластах — всех клетках, которые производят дентин и не отвечают вообще-то за передачу ощущений. Но что есть, то есть: холод, проникающий по каналам дентина, заставляет одонтобластов открывать ионный канал и передавать сигнал в пучки нервов.
А вас обучать окружающим новыми петитом. Кстати, есть вещество, применяемые в стоматологии и воздействующее на ионный канал "терпи" 5 — это евгена, и она действительно работает. Вообще, как говорят ученые, было бы молекула, а вещество найдется в плане лекарственного вещества. То есть ученые оптимистичны по поводу поиска новых лекарств.
А вот это вот все — лучшая новость прошлого ролика. Это новость про то, как ученые смогли вырастить в ушине эмбрионы в биореакторах до половины срока мышиной беременности. Для этого они сконструировали совершенно новый тип реактора. Увидеть его можно, щелкнув по подсказке по словам профессора, ответственного за эксперимент. Если эмбрион находится в правильных условиях, его генетический код начинает работать как колонна костяшек домино, выстроенных так, чтобы задевать друг друга по очереди.
Основная наша цель — создать такие условия, чтобы наблюдать в реальном времени, как каждая костяшка толкает следующую. В перспективе для своих исследований ученые смогут создавать искусственные эмбрионы и стволовые клетки, и тогда они выяснят, почему не случается так много беременности, почему стволовые клетки теряют свои свойства в процессе дифференциации и какие процессы приводят к нарушениям развития плода.
Ну что ж, а на этом на сегодня все! Большое спасибо вам за просмотр! Вы можете проголосовать за самую интересную новость выпусков в нашем Телеграм-канале. Оставляйте свое мнение в комментариях, ставьте нам лайки, делитесь этим видео со своими друзьями и не забудьте подписаться на QWERTY здесь, на Ютубе, в Инстаграме и Телеграме. И до скорых встреч! Пока!
[музыка]