Бактерии могут быть запрограммированы на создание структур из золотых частиц

Бактерий научили собирать 3D-структуры из нанозолота

Американские биохимики встроили в цепь ДНК бактерий синтетический код, превратив клетки микробов в миниатюрные фабрики по производству трехмерных структур из наночастиц золота.

Многие макроорганизмы и одноклеточные создают материалы из органических и минеральных компонентов. Например, раковины моллюсков состоят из слоев неорганического карбоната кальция, чередующегося с небольшим количеством органических веществ — остатков клеток организма.

Исследователи в области синтетической биологии за последние годы создали методики, позволяющие выращивать с помощью бактерий пленки с вкраплениями неорганических наноструктур.

Обратите внимание

Синтезируемые биопленки могут проводить электрический ток, но методы синтеза сужали возможность менять их свойства и ограничивались только 2D-структурой.

Биохимики из Университета Дьюка (Северная Каролина, США), в отличие от предыдущих подобных работ, впервые создали продуктивную биологическую систему, вся информация для которой вносится с помощью фрагмента ДНК подобно диску для установки программы на компьютер.

Биохимики программировали молекулы ДНК бактерий, зашивая в структуру генного материала синтетический фрагмент — специальную плазмиду. Этот фрагмент отвечает за создание клеткой молекулы ацил-гомосеринлактона (AHL), которая покидает клетку в процессе жизни.

По мере того как бактерии размножаются и растут, концентрация молекул AHL достигает критического значения, вызывая в клетках образование белка, к которому «прилипают» неорганические соединения.

Экспериментаторы добавляют в систему раствор с наночастицами золота, которые закрепляются на биологической мембране, созданной бактериями. Поскольку в процессе роста колония приобрела форму полушария, в итоге получился купол из золота диаметром несколько миллиметров.

Химики могут варьировать подачу питательной среды, задавая размер и форму структуры.

Созданный каркас из золота может найти применение в высокоточных датчиках давления или для катализаторов расщепления воды, что продвинет развитие водородной энергетики. По словам авторов исследования, подбором встраиваемых генов и условий роста химики в будущем смогут синтезировать материалы не только из золота, но и из наночастиц других металлов.

Кроме того, синтез с помощью самоорганизующихся живых систем намного эффективнее расходует сырье и энергию. Традиционные методы синтеза зачастую дороги, требуют точного подбора большого количества параметров, а побочные продукты могут быть токсичными.

Работа опубликована в журнале Nature Biotechnology.

Важно

Поведение бактерий, позволяющее им создавать биопленки, довольно сложное. Подробнее читайте об этом на «Чердаке».<\p>

Источник: https://chrdk.ru/news/3d-struktury-iz-nanozolota

Бактерии создают микродатчики

Чёрные точки на микрофотографии — золотые наночастицы, которые захватывает белок на поверхности бактерии.

Исследователи из Университета Дьюка (Duke University, США) запрограммировали бактерии таким образом, что те построили полезное устройство — датчик давления.

Когда бактериальная колония вырастает, принимая форму полусферы, синтетическая биологическая цепь запускает производство белка определённого типа во всей колонии.

Бактерии получают возможность включать в свои структуры неорганические материалы, в данном случае использовались наночастицы золота.

В результате вокруг бактериальной колонии образуется токопроводящая оболочка, размер и форму которой можно регулировать, выращивая бактерии в различных условиях.

Результат проведения эксперимента — устройство, которое может быть использовано как датчик давления. Это показывает, что с помощью данного процесса можно создавать работающие устройства.

Ранее уже проводились эксперименты, в ходе которых с помощью бактериальных процессов успешно создавались различные материалы. Но все они проходили в условиях жёсткого контроля роста бактерий.

Работа же учёных Университета Дьюка продемонстрировала производство композитной структуры через программирование самих клеток и контроль доступа бактерий к питательным веществам, но без физического ограничения возможности роста колонии в трёх измерениях.

Совет

Результаты исследования опубликованы 9 октября в журнале Nature Biotechnology.

Природа полна примеров, когда организмы сочетают органические и неорганические вещества, чтобы получить максимально качественные материалы. Моллюски выращивают раковины, состоящие из карбоната кальция и небольшого количества органических компонентов.

В результате организации микроструктуры раковина получается в три раза жёстче, чем можно было бы достичь изготовлением её только из карбоната кальция.

За примерами не обязательно идти на берег моря — наши собственные кости представляют собой смесь коллагена (органика) и неорганических минералов.

Использование способностей бактерий к строительству может быть намного эффективнее применяемых в настоящее время производственных процессов. В природе организмы часто используют сырьё и энергию крайне экономно.

В подобной искусственной системе создание «инструкций» по выращиванию различных фигур и моделей может оказаться гораздо дешевле и быстрее, чем изготовление новых штампов и пресс-форм, необходимых в традиционном производстве.

Синтетическая биологическая цепь — пакет генетических инструкций, который исследователи встроили в ДНК бактерии. Сначала бактерии производят белок T7RNAP, который затем активирует его собственное производство (начинает работать положительная обратная связь). Также бактерия производит небольшие сигнальные AHL-молекулы.

В ходе процесса роста и размножения клеток концентрация AHL-молекул достигает критического порога концентрации, при котором запускается производство ещё двух белков — лизоцима T7 и амилоидного белка поверхности микроорганизмов — curli. Первый подавляет выработку T7RNAP, а ко второму могут прикрепляться неорганические соединения.

Обратите внимание

Динамичное взаимодействие петель обратной связи заставляет бактериальную колонию образовывать куполообразную фигуру, растущую, пока не кончится еда. На внешней стороне купола вырабатывается биологическая «липучка», захватывающая золотые наночастицы.

Исследователи научились изменять размер и форму получаемого купола, контролируя свойства пористой мембраны, на которую высаживались бактерии. Изменялся размер пор или водоотталкивающие свойства мембраны — это влияет на то, как много и как быстро клетки получат питательные вещества.

Чтобы показать, как описанная система может быть использована для изготовления работающих устройств, исследователи использовали полученные гибридные структуры в качестве датчиков давления.

Одинаковые бактериальные купола были выращены на двух субстратных поверхностях. Затем два субстрата были сложены так, чтобы каждый купол был расположен напротив своего аналога.

Затем каждый купол был подключён к светодиодам через медную проволоку. Если сжимать получившуюся конструкцию, купола давят друг на друга, происходит деформация, приводящая к увеличению проводимости. Это можно видеть по изменению яркости свечения светодиодов.

По словам исследователей, подобная технология может найти множество применений. Задача учёных — научиться программировать клетки так, чтобы они формировали сложные и заранее предсказанные структуры.

Источник: https://22century.ru/nano/56776

Создан язык программирования для проектирования схем ДНК

Инженеры-биологи из MIT создали язык программирования, который позволяет им быстро разрабатывать сложные закодированные по принципу ДНК схемы, наделяющие живые клетки новыми функциями.

Используя этот язык, любой желающий может написать программу для любой функции живой клетки, например, функции обнаружения и реагирования на определенные условия окружающей среды. Затем язык может сгенерировать последовательность ДНК, которая будет служить заданной цели.

«Это буквально язык программирования для бактерий», — рассказывает Кристофер Фойгт, профессор Массачусетского технологического института биологической инженерии.

«Вы можете использовать этот текстовый язык так же, как при программировании компьютера. Затем вы берете этот текст, компилируете его и превращаете в ДНК-последовательность.

Последовательность вживляется внутрь клетки, и схема начинает работать».

Фойгт и его коллеги из Бостонского университета и Национального института стандартов и технологий использовали этот язык, чтобы строить схемы, которые могут иметь до трех входов и реагируют по-разному.

Важно

Будущие приложения для такого рода программ включают в себя проектирование бактериальных клеток, которые могут производить лекарство от рака, обнаружив опухоль, или создание дрожжевых клеток, которые могут остановить свой собственный процесс брожения, если токсичных побочных продуктов станет слишком много.

За последние 15 лет биологи и инженеры разработали множество генетических частей, таких как датчики, переключатели памяти и биологические часы, которые могут быть объединены, чтобы изменить существующие клеточные функции и добавлять новые.

Тем не менее, проектирование каждой цепи представляет собой трудоемкий процесс, который требует большого опыта и основан на методе проб и ошибок. «Чтобы понять, как все эти части будут работать вместе, вам нужно иметь очень глубокие познания», — говорит Фойгт.

Однако пользователям нового языка не понадобится глубоких знаний в генной инженерии.

«Любой, даже школьник, может зайти на веб-сервер и напечатать программу, которая вернет последовательность ДНК».

Язык основан на Verilog, который обычно используется как язык описания аппаратуры (HDL).

Чтобы создать версию языка, которая будет работать для клеток, исследователи разработали вычислительные элементы, такие как логические элементы и датчики, которые могут быть закодированы в ДНК бактериальной клетки.

Датчики могут обнаруживать различные соединения, такие как кислород или глюкоза, а также детектировать свет, температуру, кислотность и другие условия окружающей среды. Пользователи также могут добавлять свои собственные датчики. «Язык тонко настраивается», — замечает Фойгт.

Самой большой проблемой, по словам ученого, было проектирование 14 логических элементов, используемых в схемах, таким образом, чтобы они не мешали друг другу, оказавшись в сложной среде живой клетки.

Совет

В текущей версии языка программирования эти генетические части оптимизированы для кишечной палочки, но исследователи работают над расширением языка для других штаммов бактерий, включая Bacteroides, обычно встречаются в кишечнике человека, а также Pseudomonas, которые часто живет в корнях растений, а также дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Это позволит пользователям записывать одну программу, а затем компилировать его для различных организмов, чтобы получить правильную последовательность ДНК для каждого из них.

Используя этот язык, исследователи запрограммировали 60 схем с различными функциями. Из них 45 заработали правильно на первом же испытании.

Многие из схем были разработаны для измерения одного или более условий окружающей среды, например, уровеня кислорода или концентрации глюкозы, и должныв были реагировать на них соответствующим образом.

Еще одна схема имела три различных входа, а затем реагировала на основе приоритета каждого из них.

Одна из новых схем – крупнейшая биологическая цепь, когда-либо создававшаяся: она содержит 6 логических вентилей и окло 12000 пар ДНК.

Еще одним преимуществом этого метода является его скорость. Раньше «вам потребовались бы годы, чтобы построить эти схемы. Теперь вы можете просто нажать кнопку и сразу же получить последовательность ДНК», — говорит Фойгт.

Его команда планирует разработать несколько приложений, использующих этот подход: бактерии, способные помочь в переваривании лактозы, бактерии, которые могут жить на корнях растений и производят инсектицид, если чувствуют, что растение находится под атакой, и дрожжи, которые могут выключаться, когда в процессе ферментации производится слишком много токсичных побочных продуктов.

Источник: MIT News

Источник: https://tproger.ru/news/programming-language-for-living-cells/

Новая ГМО-бактерия генетически запрограммирована на сборку тачпада

10 Окт 2017
Чёрные точки — это наночастицы золота, притянутые к чувствительным к давлению куполам, которые построены генетически модифицированными бактериями

В природе нередко встречаются микроструктурированные материалы, созданные с нуля.

Они сочетают органику и неорганику, при этом обладают улучшенными физическими качествами. Например, раковины моллюсков представляют собой многослойные микроструктуры из карбоната кальция с небольшим количеством органики.

Этот материал примерно в 1000 раз прочнее, чем обычный карбонат кальция. Наши собственные кости тоже представляют собой смесь органического коллагена и неорганических минералов.

Обратите внимание

В отличие от обычных методов физического и химического производства, биологическая сборка экологична и полагается на самосборные составные блоки.

Современные достижения в синтетической биологии и производстве биоматериалов уже позволяют программировать самосборку протеинов, пептидов и цепочек ДНК. Теперь дошла очередь до электроники.

Учёные сконструировали ГМО-бактерии, колонии которых формируют электронный сенсор давления (тачпад).

Один из способов создания материала, который сочетает органику и неорганику, — генетическая модификация бактерии, чтобы она управляла созданием биоплёнки, на которой происходит сборка неорганических компонентов.

Читайте также:  Японскими учёными созданы роботы для медицинских учреждений

В 2014 году был проведён по самосборке амилоидных фибрилл из клеток бактерий E. coli, в результате чего получалась токопроводящая биоплёнка с электродом, который управлялся извне как электронный переключатель.

Но у того метода были недостатки, например, колонию бактерий приходилось предварительно выращивать на специально структурированной 2D-поверхности. Сейчас биоинженеры из Университета Дьюка (США) использовали предыдущие наработки 2014 года и предложили новый метод, лишённых этих недостатков.

Они говорят, что для выращивания устройства достаточно одной клетки, то есть единственной бактерии.

После размножения и получения соответствующей команды колония бактерий самостоятельно формирует необходимые 3D-структуры, которые притянут к себе частицы золота в нужных местах — и окончательно сформируют устройство заданной функциональности (в данном случае это сенсор давления).

Производство программируемого материала с использованием ГМО-бактерии, формирующей шаблон. (a) Генная схема состоит из мутированной полимеразной РНК T7 (T7RNAP), которая активирует собственную экспрессию, а также экспрессию белков LuxR и LuxI.

Белок LuxI является посредником при синтезе AHL, который способствует экспрессии T7 лизоцима, белка CsgA и флюорофора mCherry через активацию LuxR. Схема активируется путём экзогенного добавления IPTG.

(b) Бактерии с curli-ворсинками могут формировать самоорганизующиеся curli-шаблоны в каждой колонии, которые служат каркасом для сборки неорганических материалов. (с) Тачпад, который регистрирует и преобразует локальные изменения давления.

Важно

Форма купола представляет собой микроструктурированный материал, созданный колонией бактерий. Оранжевые линии соответствуют электропроводящим проводам, а две синие плоскости — поддерживающим поверхностям.

Как показано на схеме вверху, бактерии выполняют заложенные инструкции (программу), в результате чего создаётся куполообразная структура. Размер купола можно контролировать, изменяя размер колонии. Купол притягивает к себе наночастицу золота. Из них формируется электропроводная оболочка — контакт тачпада.

Надёжная обработка сигнала бактериологическими сенсорами давления. Показана интенсивность яркости светодиода, который светится в зависимости от силы давления на сенсор

Работоспособность тачпада проверена в лаборатории. Он нормально регистрирует не только факт давления, но и силу давления.

«Эта технология позволяет нам выращивать функциональное устройство из одной клетки, — говорит Линчон Ю (Lingchong You), адъюнкт-профессор инженерии в Университете Дьюка. — Фундаментально это не отличается от программирования клетки вырасти в дерево».

К словам профессора можно добавить, что некоторые живые клетки запрограммированы вырасти в человека, так что путём генной модификации можно создавать из одной клетки самые разнообразные системы, если правильно запрограммировать клетку и оставить её размножаться в питательной среде.

Демонстрация работы тачпада, собранного ГМО-бактериями:

Научная статья опубликована 9 октября 2017 года в журнале Nature Biotechnology (doi:10.1038/nbt.3978, pdf).

 
Источник

Источник: https://se7en.ws/novaya-gmo-bakteriya-geneticheski-zaprogrammirovana-na-sborku-tachpada/

Из программируемых бактерий сделали тачпад

Yangxiaolu Cao et al / Nature Biotechnology 2017

Инженеры сконструировали сенсор давления на основе бактериальных колоний, покрытых золотом. Слой проводника на поверхности колоний регулируется веществом-индуктором, которое заставляет бактерий синтезировать поверхностный белок, способный связывать золотые наночастицы. Работа опубликована в журнале Nature Biotechnology.

Направление науки, известное под названием синтетическая биология, среди прочего занимается созданием программируемых организмов (обычно это бывают бактерии), в которых нужное свойство можно включать и выключать. Примером таких организмов могут быть бактерии-сенсоры, которые начинают светиться в ответ на обнаружение какого-либо вещества, например, тротила.

В новой работе синтетические биологи из университета Дьюка в сотрудничестве с инженерами использовали таких программируемых бактерий для создания сенсора давления.

Совет

Бактериальные колонии обладают свойством вязкоупругости, а значит, хорошо подходят в качестве «наполнителя» для сенсора. Если покрыть колонии проводящим материалом и к проводящему слою подсоединить электроды, из колоний получатся контакты, при замыкании которых вся конструкция будет проводить ток.

Принципиальная схема работы сенсора, в котором в качестве “контактов” используются бактериальные колонии, покрытые золотом Yangxiaolu Cao et al / Nature Biotechnology 2017Для реализации этого принципа биологам нужно было придумать, как покрыть колонии проводником.

Задача была решена с использованием генномодифицированных бактерий, которые под действием индуктора начинали синтезировать амилоидный белок, представленный на поверхности, с довеском, позволяющим «зацепиться» на нем золотым наночастицам. В зависимости от концентрации индуктора плотность проводящего слоя можно было изменять.

Бактериальные колонии нужной куполообразной формы выращивали на пористой мембране на поверхности питательной среды и покрывали золотом. К бактериальным «контактам» подсоединяли электроды, которые медными проводками были соединены со станцией, генерирующей постоянное напряжение.

Две таких мембраны складывали «лицом» друг к другу и прокладывали тонким слоем силикона. Эта конструкция и представляла собой сенсор. При надавливании контакты соединялись и проводили электричество.

Исследователи показали, что показания амперметра согласуются с силой надавливания, значит конструкция является достаточно чувствительной. Сенсор также использовали в простейшем устройстве, где сила надавливания коррелировала с яркостью лампочки.

Схема сборки сенсора, описанная в тексте Yangxiaolu Cao et al / Nature Biotechnology 2017Конечно, хранится и работает бактериальный тачпад недолго, но ученым было важно показать реализуемость принципа на практике.

Авторы работы отмечают, что подобные устройства и гибридные материалы с использованием бактерий могут найти применение в медицине и биотехнологии.

Ранее мы рассказывали про сенсорный дисплей, реагирующий на влажность и про проводящую краску, позволяющую превращать любые поверхности в сенсорные.

Дарья Спасская

Источник: https://nplus1.ru/news/2017/10/11/bacterial-touchpad

Генная инженерия

  • Главная
  • Статьи
  • Науки о жизни
  • Генная инженерия

25 Февраля 2019

Ученые создали червей, дети которых получают гены только от отцов. От матерей им доставалась только митохондриальная ДНК.

читать22 Февраля 2019

Ученые связали ген, который отредактировал в своих экспериментах китайский ученый, со здоровьем мозга и интеллектуальными способностями.

читать22 Февраля 2019

Мыши, получившие новый вид генной терапии, развили способность слышать почти на том же уровне, что и здоровые.

читать20 Февраля 2019

Новая технология позволяет наделать много бед, но может и принести пользу.

читать19 Февраля 2019

Молекулярные ножницы продлили жизнь быстро стареющих животных на 25%.

читать19 Февраля 2019

«Отремонтированные» в двухдневном возрасте грызуны прожили уже год, и наблюдения за ними продолжаются.

читать19 Февраля 2019

Генетики из Калифорнии создали генную терапию, которая делает стволовые клетки «невидимыми» для иммунитета человека.

читать06 Февраля 2019

Маленький, неиммуногенный и эффективный CasX может составить серьезную конкуренцию известным редакторам генов Cas9 и Cas12.

читать05 Февраля 2019

Экспериментальная генная терапия предотвращает разрушение нервных волокон при их повреждениях различного генеза.

читать05 Февраля 2019

Ученые из Колумбийского университета не позволяют «отредактированным» эмбрионам развиваться дольше одного дня.

читать01 Февраля 2019

Противораковая эффективность разработанного японскими учеными вируса оказалась выше, чем у всех существующих.

читать01 Февраля 2019

До сих пор генотерапия в борьбе с раком не давала хороших результатов. Новый метод, возможно, во многом решит эту проблему.

читать29 Января 2019

Предложенная авторами простая система позволяет получать большие количества терапевтических белков из куриных яиц.

читать25 Января 2019

Белок Cas12b работает намного избирательнее Cas9. Он может стать основой для новых методов генной терапии.

читать24 Января 2019

У второго поколения клонов обезьян отключен ген, отвечающий за регуляцию циркадного ритма.

читать23 Января 2019

Ученые из шотландского Рослинского института планируют отредактировать геном курицы так, чтобы птица была неуязвима для гриппа.

читать22 Января 2019

Хирургия и генотерапия позволила стимулировать выживание нейронов и регенерацию нервных волокон на больших расстояниях.

читать21 Января 2019

Исследователи научили бактерии перерабатывать больше аммиака, чтобы купировать последствия неправильного обмена веществ.

читать17 Января 2019

Если географическое происхождение митохондрий отличается от происхождения клеток, в которых они живут, то функции митохондрий нарушаются.

читать17 Января 2019

Отключение одного из белков в иммунных клетках остановило отторжение трансплантата, сохранив способность бороться с инфекциями.

читать

Источник: http://www.vechnayamolodost.ru/articles/gennaya-inzheneriya/programmirovanie-dnk-kak-i-zachem/

Канадские химики научились превращать воду в золото | Взгляд за Грань

Группа исследователей из Канады раскрыла секрет кристаллизации золота в воде. Ученые обнаружили бактерию Delfitia, благодаря которой в воде с растворенным золотом происходит реакция и образуется драгоценный металл.

Ученые сообщают, что микроорганизм, чтобы выжить (золото в растворенном состоянии чрезвычайно токсично), защищает себя особой молекулой, которую сам же и выделяет. Кроме того, что эта молекула расщепляет ядовитые ионы, она еще и выполняет главную функцию – кристаллизацию золота.

Молекула получила название delftibactin A. Для того, чтобы она успешно вступала в реакцию с золотом, необходимо учесть два условия: обычная вода (ph-нейтральная) и комнатная температура, — передает Russia Today.

Обратите внимание

Впрочем, это не значит, что ученые изобрели жидкий «философский камень». Один из авторов исследования, Натан Марагвей подчеркнул, что эксперимент не гарантирует ученым возможность «выращивания» золота в пробирке. Впрочем, он добавил, что это «теоретически возможно».

В любой воде содержится незначительное количество ионов золота, которые в теории можно было бы выделить и собрать в более-менее полноценный слиток. Сделать это очень сложно. Однако бактерия, которую изучают микробиологи Канады, знает один природный трюк, позволяющий ей буквально жить на кусках драгоценного металла.

Ионы золота присутствуют в морской и водопроводной, канализационной воде, в отходах горнодобывающей промышленности. Их всего-то несколько частиц на триллион. Они легко реагируют с различными химическими веществами, из-за чего их достаточно сложно перевести в стабильную форму, характерную для отливающим красивым жёлтым светом слитков.

Впрочем, бактерия Delftia acidovorans знает, как превратить отдельные ионы в самородки. Для этого микроорганизм использует делфтибактин (delftibactin) – вещество, заставляющее золото осаждаться из раствора. Бактерии таким образом создают себе безопасные условия жизни (ионы больше не угрожают их клеткам) и приятный золотой дом, о котором многие могли бы только мечтать.

В статье, вышедшей в журнале Nature Chemical Biology, учёные из университета Макмастера (McMaster University) сообщают, что им удалось определить, какие гены отвечают за процессы производства золота и впервые выделить так называемый делфтибактин. Если исследователи получат это вещество в достаточном количестве, то им, возможно, удастся осуществить мечту многих алхимиков древности − превратить воду в золото.

Тут, правда, стоит заметить, что воды понадобится очень много. Кроме того, вещество, создаваемое бактериями, с не меньшей охотой вытягивает из воды ионы железа. А это означает, что биологи на выходе могут получить самородки железа с примесью золота.

Как бы то ни было, достижение учёных Канады можно будет использовать для очистки сточных вод, которые, как известно, содержат чуть ли не всю таблицу Менделеева, и для выделения золота из отходов горнодобывающей промышленности. Делфтибактин также может пригодиться для создания катализаторов в виде золотых частиц, которые необходимы для ускорения многих химических реакций.

Добавим, что в выделении золота из воды подозревают ещё один вид бактерий, ныне исследуемый микробиологами из университета Аделаиды (University of Adelaide).

Представителей вида Cupriavidus metallidurans учёные обнаружили в биоплёнках на самородках золота, которые были найдены на расстоянии нескольких тысяч километров друг от друга.

Важно

Эти микроорганизмы накапливают инертные наночастицы золота внутри своих клеток, также избавляя себя от опасного, растворённого в окружающей воде золота.

Источник: http://www.vesti.ru

Источник: http://vzglyadzagran.ru/news/kanadskie-ximiki-nauchilis-prevrashhat-vodu-v-zoloto.html

Антибактериальные поверхности и наночастицы

Бактерии широко распространены в природе, быстро адаптируются к новым условиям, заселяют новые ниши, в том числе и такие, которые появились благодаря человеческой деятельности. Вырастая на поверхности тех или иных материалов, бактерии могут вызвать их коррозию.

Читайте также:  Умный чемодан для продвинутых туристов

Растущие на поверхностях бактерии образуют особые сообщества – биоплёнки. В состав биоплёнок входят полисахариды, ДНК и ферменты. Биоплёнки устойчивы к химическому повреждению, радиации, ультрафиолетовому излучению, антибиотикам, механическому воздействию.

Таким образом, проще предотвратить формирование биоплёнок, чем бороться с ними, когда они уже образовались, но для этого нужны материалы, препятствующие адгезии бактерий. Особенно опасно заселение поверхностей бактериями, если это поверхности медицинского оборудования, такого, как различные катетеры.

Немного о разработках материалов, которые не заселялись бы бактериями и обладали бы бактерицидными свойствами рассказано ниже.

 Помимо химических свойств (присутствие в составе бактерицидных веществ), возможность адгезии определяется ещё и физическими особенностями поверхности.

Например, поверхности, обладающие отрицательным зарядом, будут антибактериальными из-за затруднения взаимодействия с бактериальными клетками, поверхность которых тоже заряжена отрицательно.

Влияет на возможность заселения и структура поверхности – наноструктурированная поверхность (имеющая наноразмерные выступы и углубления) не достаточно плотно контактирует с поверхностью микроорганизма и сигнальные пути, ведущие к активации адгезии, не запускаются.

Совет

Помимо этого, наноструктурированная поверхность имеет существенно большую площадь, поэтому, материал способен выделять ионы, обладающие бактерицидными свойствами, после наноструктурирования это процесс значительно усилится и сможет оказать значимый бактерицидный эффект, что не происходит на обычной поверхности из-за низкой концентрации выделяемых бактерицидных ионов.

Некоторые вещества обладают бактерицидными свойствами сами по себе, другие становятся такими только в форме наночастиц.  Причины этого могут быть различны, поскольку разные механизмы лежат в основе бактерицидных свойств наночастиц из того или иного вещества. Химический состав, размер, изгиб и дзета-потенциал больше всего влияют на антибактериальный эффект частиц.

Частицы меньшего размера и положительно заряженные частицы имеют более выраженный бактерицидный эффект.

Дзета-потенциал, электрический потенциал, возникающий при движении частиц между адсорбционным слоем ионов, располагающимся на поверхности частиц, и диффузионным слоем ионов среды, окружающим частицу, определяет взаимодействие наночастицы с мембраной бактериальной клетки, повреждение мембраны и бактерицидный эффект.

Например, хитозановые наночастицы, и хитозановые наночастицы, содержащие ионы меди ингибируют рост бактерий. Токсичесий эффект выражается в нарушении структуры мембран и агрегации клеток. Агрегация бактерий происходит и в присутствии наночастиц хитозана с положительным дзета-потенциалом, но в отсутствии меди.

В случае таких веществ, которые сами по себе обладают бактерицидным эффектом, в частности серебра или цинка, существенную роль играет увеличение поверхности, когда вещества представлены в виде наночастицам. Наночастицы меди также более активно выделяют ионы, чем обычная поверхность. Но это не исключает и другие механизмы воздействия.

Наночастицы серебра проникают в клетки, взаимодействуют с белками, особенно – с содержащими серу, и ДНК, блокируя процесс деления и вызывая гибель клеток. В то же время под воздействием ионов серебра происходит повреждение мембран. Выделяющиеся под их действием свободные радикалы могут повреждать ДНК.

Антибактериальный эффект ZnO связан также с выделением перекиси водорода и повреждением мембран, и это – основная причина их токсичности. Для серебряных наночастиц основной механизм воздействия – повреждение ДНК. В обоих случаях, наночастицы нарушают структуру мембраны путём физического взаимодействия.

Обратите внимание

ZnO ингибирует рост бактерий, прежде всего, Грам-положительных. Напротив, наночастицы из серебра более активны против Грам-отрицательных.

Оксид железа сам по себе не токсичен для бактерий. Наночастицы оксида железа способны проникать в клетку и вызывать образование активных форм кислорода, поэтому они могут приводить к гибели бактерий.

В случае наночастиц из оксида железа, для борьбы с микроорганизмами можно использовать не только их антибактериальные свойства, но и возможность воздействовать на их передвижение в организме, благодаря их заряду.

С ними частицами могут быть связаны антимикробные агенты, а основной функцией наночастиц в этом случае будет их доставка.

Наночастицы более сложного состава могут иметь более выраженный эффект за счёт сочетания физико-химических свойств разных веществ.

Например, наноразмерные силикатные пластинки сами по себе не являются бактерицидными, хотя взаимодействие с ними может вести к обратимым изменениям мембраны клетки.

В то же время, они обеспечивают более интенсивное взаимодействие наночастиц серебра, если связать их друг с другом,  с поверхностью бактериальных клеток, чем это происходило бы, если бы наночастицы серебра находились бы во взвешенном состоянии.

В концентрации, приводящей к гибели бактерий, наночастицы могут не влиять на эукариотические клетки, однако прежде чем использовать их для лечения, нужно убедиться в отсутствии токсических свойств для каждого отдельного случая. Наночастицы сохраняют ряд своих свойств и будучи связаны с носителем.

Важно

Покрытие катетера наночастицами серебра обеспечивает антибактериальную активность его поверхности и защищает его от колонизации. Поверхности из полиуретана, связанные с серебряными наночастицами, также обладают бактерицидным эффектом. Для лечения раневой инфекции применяются пластыри с серебряными наночастицами.

Чтобы какой-либо носитель, используемый в медицинских целях, лучше переносился организмом предпочтительно использовать биосовместимые материалы, то есть созданные на основе веществ, встречающихся в живом организме или мимкрирующих под компоненты тканей.

Задачей, требующей решения, является связывание таких носителей с наночастицами. 

Источник: http://lsciinprogress.blogspot.com/2014/02/blog-post_15.html

Ученые создали полусинтетическую бактерию. Зачем? — Meduza

Профессор Флойд Ромсберг (справа) и аспирант Йорк ДжангФото: Madeline McCurry-Schmidt / The Scripps Research Institute

Международная группа ученых создала полусинтетическую бактерию — с искусственными элементами ДНК, которых нет в других живых организмах.

Это не первая подобная работа, но лишь сейчас ученым удалось добиться того, чтобы эти элементы не пропадали при нескольких делениях клетки.

«Медуза» попросила доктора биологических наук и профессора Сколковского института науки и технологий Константина Северинова рассказать о том, почему это важно.

ДНК всех живых организмов состоит из четырех оснований. Это не очень сложные химические соединения, сокращенно они называются просто A, G, C и T. Есть правило: в знаменитой двойной спирали ДНК напротив A всегда стоит T и наоборот, а напротив G — C и наоборот.

То есть информация, записанная в виде произвольной последовательности оснований-букв в одной цепи ДНК, полностью содержится и в другой цепи. На этом основана репликация ДНК, процесс передачи генетической информации в поколениях.

Когда наши клетки делятся, гены (они находятся в ДНК) передаются в каждую дочернюю клетку поровну: цепи ДНК расходятся, а потом по каждой цепочке строится недостающая. Информация, последовательность букв, при этом сохраняется, а из одной молекулы ДНК получается две.

Сами молекулы ДНК могут быть очень длинными, например геном человека содержится в 23 цепочках ДНК общей длиной более трех миллиардов букв.

ДНК кодирует белки. У всего живого белки состоят из последовательностей, составленных из 20 строительных блoков-аминокислот — и именно белки определяют большинство наших свойств. Три буквы ДНК вместе кодируют одну определенную аминокислоту согласно правилу, которое называется «генетический код». Этот код общий для всего живого на Земле.

Совет

Соответственно, те белки, которые клетки могут сделать или которые могут сделать генные инженеры, ограничены четырехбуквенным алфавитом ДНК, 20-ти буквенным аминокислотным алфавитом и универсальными правилами генетического кода.

Точно так же, как в русском языке: есть 33 буквы и нельзя сделать слова, которые содержат букву, несуществующую в нашем языке, например, эстонскую «ö».

Можно ли это изменить?

Люди, которые называют себя синтетическими биологами, изучают, в частности, возможности расширения алфавитов ДНК и белков и создания новых возможностей генетического кода. Есть ведь и другие аминокислоты, никто не сказал, что не может быть других белков — просто жизнь не умеет их кодировать, вот она их и не использует.

И один из способов увеличить так называемую кодирующую способность клеток, это придумать, найти или создать новые дополнительные буквы ДНК, которые вели бы себя по правилам стандартных букв. Ранее авторы этой работы придумали дополнительную пару букв.

Буквы новой пары по размерам подходят для стандартной двойной спирали ДНК, кроме того соблюдается правило отражения — X стоит напротив Y и наоборот. Раз в ДНК стало больше букв, то, значит, потенциально стало больше аминокислот в белках, потому что тройки, содержащие новые буквы, можно в принципе «научить» кодировать новые аминокислоты.

Так как аминокислоты в белках определяют их биохимические и физиологические свойства, то, возможно, удастся получить совершенно необычные белки.

Что сделали ученые?

В своей предыдущей работе эта группа ученых продемонстрировала принципиальную возможность расширения генетического кода. Они подобрали новые буквы X и Y, которые вели себя, как выбранные природой A, G, C и T.

Они показали, что в бактерии (кишечной палочке) молекулы ДНК, содержащие одну единственную пару Х-Y среди нескольких тысяч стандартных пар, в принципе могут существовать какое-то время и передаваться от одной бактерии другой.

Так как клетки сами не умеют делать буквы X и Y, ученые должны были эти буквы синтезировать химическими методами, а потом наливать в питательную среду, чтобы клетки их поглощали. Но поглощали они эти соединения очень неохотно.

Обратите внимание

Им от этих X и Y было не очень хорошо, а сама необычная пара оснований в итоге из ДНК терялась, все приходило «в норму». Это обычная ситуация: клетки — хитрые бестии и все время норовят вернуться в свое нормальное, естественное состояние.

Таким образом, предыдущая работа показала принципиальную возможность расширения биологического алфавита, но невозможно было сделать его стабильно наследуемым и поддерживаемым долгое время.

Что ученые сделали теперь?

В новой работе систему улучшили, что позволило добиться надежного наследования ДНК с неприродными буквами. Во-первых, чтобы клетки лучше получали из среды буквы X и Y, ученые создали модифицированный вариант кишечной палочки. В мембране этих клеток появился белок-насос, который активно затаскивает буквы X и Y внутрь клетки.

Тем самым вопрос доступности этих необычных соединений решился. Во-вторых, ученые смогли сделать так, чтобы молекулы ДНК, содержащие X-Y пары оставались в клетке и после многих делений. Ученые воспользовались системой геномного редактирования CRISPR-Cas, которая сейчас крайне популярна для различных генноинженерных приложений.

CRISPR-Cas редактор может узнавать определенные последовательности ДНК, раскусывать их и тем самым уничтожать. Авторы ввели в свои клетки CRISPR-Cas редактор, который был запрограммирован расщеплять те последовательности ДНК, которые теряют неестественную X-Y пару. Клетки, в которых «сработал» редактор, погибали.

Молекулы ДНК, которые сохраняли X-Y пару, редактором не узнавались. В итоге выживали только те клетки, которые содержали ДНК с измененным генетическим алфавитом.

Зачем это нужно?

Прямо сейчас это ни за чем не нужно. Это концепция, идея, демонстрация наших возможностей без гарантии применения в ближайшем будущем. Созданная авторами система может рассматриваться как автономный модуль, часть генетического конструктора, который может быть вложен в любой организм, не только кишечную палочку, и будет там работать.

При желании его можно вставить и в человека, и в слона. Другой вопрос — зачем. Может быть, действительно когда-нибудь получится создавать новые белки, которых нет в природе и которые будут делать что-то действительно уникальное: улучшенные антитела для лечения рака, белки, убивающие определенные бактерии и т. д.

 Конечно же, авторы пишут, что это пригодится в разработке лекарств, но надо понимать, что им тоже нужны деньги, гранты. Проблема на самом деле в том, что в общем случае никто не знает, как путем вставления аминокислот — природных или не природных, не важно — получать белки с заданными свойствами.

Важно

В действительности такие работы делаются не для сиюминутной пользы, они делаются для того, чтобы показать наши возможности. Только представьте себе: Земля существует 4,5 миллиарда лет, жизнь на Земле — 3,5 миллиарда лет и все это время она использует один единственный код, основанный на четырехбуквенном алфавите ДНК.

Современный человек существует около 50 тысяч лет, цивилизация — менее 10 тысяч лет, 60 лет назад мы открыли ДНК, поняли, как она работает, а сейчас люди взяли и изменили код! Вот что впечатляет. А то, что это потом можно в каком-то виде кому-нибудь продать — ежу понятно. 

Читайте также:  Ученый хочет загрузить свой интеллект в компьютер, чтобы получить шанс на бессмертие

Источник: https://meduza.io/feature/2017/01/25/uchenye-sozdali-polusinteticheskuyu-bakteriyu-zachem

Какими будут молекулярные машины будущего?

Молекулярные машины — это наноразмерные сборщики (наноассемблеры), которые выстраивают себя и свое окружение в более сложные структуры. Входя в разряд нанотехнологий в умах простых обывателей, эти устройства очень многообещающие — но на их счет часто заблуждаются. Давайте отделим научные факты от научной фантастики.

Понятия, которые лежат в основе этой формы нанотехнологий, существуют уже достаточно долго, чтобы просочиться в современную науку. Первым о идее «синтеза через прямую манипуляцию атомами» заговорил Ричард Фейнман.

С тех пор ученые очень много размышляли о том, как сложить атомы и молекулы в нечто большее, чем простые строительные кирпичики.

Самым известным считается подход к производству снизу-вверх Эрика Дрекслера, изложенный в его книге «Машины творения» 1986 года.

В книге он изложил идею наноразмерного «ассемблера», который мог бы создавать копии себя или других молекулярных объектов с атомным управлением; он также мог бы создавать более крупные и сложные структуры.

Такая себе микроскопическая сборочная линия, стройматериалы из самых простейших ингредиентов. К моменту появления первых нанотехнологий в середине восьмидесятых они казались сошедшими со страниц научной фантастики.

Утопая в «серой слизи»

Тогда даже Дрекслер признал, что за наностроительной площадкой нужен строгий надзор.

Эта безжалостная эффективность, утверждает Дрекслер, сделает некоторых нанороботов существенно превосходящими природные органические существа, по крайней мере в эволюционном смысле. Всеядные бактерии будут существенно превосходить настоящих, перерабатывая биосферу на пыль — или «серую слизь» — всего за несколько дней.

Совет

Гипотетический сценарий конца света, когда наноботы захватывают мир и превращают нас в аморфную слизь, скептики выдвигают в противовес заманчивым обещаниям нанотехнологов.

Впрочем, прошло тридцать лет, а мы все еще здесь, и хотя у некоторых из нас могли появиться серые пятна на лице, мы пока не стали побочным продуктом развития молекулярных машин.

Строительные блоки

Правда в том, что последние тридцать лет ученые старательно пытались создать структуры молекулярных размеров, которые могут управлять собой и собирать сами себя, двигаться и даже работать совместно.

Это не так-то просто, разумеется, — строительство на таком молекулярном уровне требует атомарной точности — но, к счастью, физика и химия продвинули это до точки, когда такой фокус стал возможным.

И есть богатый пул молекулярных машин, некоторые из которых были созданы под вдохновением от природы, а некоторые по принципам механической инженерии, но которые демонстрируют это.

Большая часть успеха была достигнута с применением молекул ДНК. В этом случае ДНК используется не для передачи генетической информации, а является строительным материалом сама по себе. Ее четыре основания — аденин, цитозин, гуанин и тимин — связываются сильнее или слабее в зависимости от того, как устроены пары в двойной спирали ДНК, что позволяет ученым тонко настраивать совместные связи.

Основные строительные блоки жизни уже обладают функциями, необходимыми для сложения, объединения, роста и строительства — и они идеально подходят для строительства объектов в наномасштабах.

Создавая цепи ДНК с тщательным контролем последовательностей оснований, можно связывать индивидуальные цепи и создавать экзотические структуры.

Геометрия сначала выстраивается на компьютерах, чтобы понять, какие требуются молекулы, а затем синтезируется нужная ДНК — как набор Lego.

Нет необходимости в сборке

В отличие от Lego, при соединении в растворе ДНК может образовывать структуры без вмешательства.

Взаимодействия между цепочками контролируются последовательностью оснований: некоторые места связываются приоритетно, некоторые нет, и в результате получается пресловутая самосборка.

Если предположения об ассемблерах Дрекслера в 80-х годах казались фантастикой, сегодня нельзя отрицать факт, что молекулы, которые могут самостоятельно собираться в новые комплексные структуры, по сути воплощают это.

Обратите внимание

Лаборатория Симана имеет богатую историю создания самособирающихся сложных объектов: например, кристаллов, из простой лужи молекул ДНК. Его лаборатория создала двухмерные и трехмерные кристаллы, а также широкое разнообразие геометрических форм с использованием этих техник.

Есть и много других ученых, работающих в этой области. Профессор Эндрю Терберфильд из Оксфордского университета, к примеру, использует молекулы ДНК для создания отдельных тетраэдров.

Смешивая четыре разных типа ДНК, каждый из которых настроен для соединения заранее обозначенными способами, его ученые смогли создать тетраэдр с 7-нанометровыми гранями.

Их можно использовать, чтобы блокировать белки внутри структуры, а затем выпускать в нужных местах в процессе лечения пациента — своего рода самособирающаяся и самоактивирующаяся система доставки на молекулярном уровне.

Твой ход, молекула

Забавные наноинженерные молекулы не только собираются сами — они еще и двигаются. Ряд научно-исследовательских групп создали молекулы, которые могут ходить, подобно людям или животным.

Синтезируемые из ДНК, они могут двигаться прямо вдоль дорожки, правда, до недавнего времени было трудно понять, «прыгают» или «плывут» путешественники в новое место — потому что шаги в нанометр длиной сложно зарегистрировать, используя обычные методы.

К счастью, ученые из Отделения химии Оксфордского университета пропитали ходоков мышьяком и смогли проследить движение по тонкому следу — раз и навсегда доказав, что ходоки делают то, что и должны были делать.

Механическая инженерия имеет большое влияние на наностроительство — отсюда и название «молекулярные машины». Двигатели, к примеру, которые в реальной жизни кажутся нам громоздкими и шумными, тоже получили молекулярное воплощение.

Первый молекулярный двигатель был создан в 2012 году; самый быстрый из серии появился в прошлом году. Самый маленький просто крутит атом серы на поверхности чистой меди, разгоняясь до 7200 оборотов в минуту.

Самый быстрый, сделанный из трех молекулярных компонентов, может разгоняться до 18 000 оборотов в минуту — почти как реактивный двигатель.

Возможно, наиболее полным примером молекулярной машины пока можно назвать наномашину, разработанную командой голландских исследователей.

Важно

Собранная из длинного центрального тела с поворотными лопастями на каждом из четырех углов, машина разгоняется импульсом электронов, которые крутят лопасти, поворачивается на четверть и таким образом продвигается.

Поворот нарушает положение молекул, поэтому всей конструкции нужно повернуться в другую сторону, тоже на четверть, чтобы достичь баланса. Машина движется при импульсе электронов каждые полповорота. Необходимо 10 импульсов, чтобы транспорт проехал 6 нанометров, но это молекулярный автомобиль, дайте ему отдохнуть.

Альтернативная энергетика

Все это поднимает легко забываемую проблему: на чем будут работать эти молекулярные машины? Основная задача на сегодняшний день в этой сфере — создание синтетических нанодвигателей, говорит доктор Вэй Гао из Отделения электротехники и компьютерных наук в Калифорнийском университете в Беркли. «Новые нанодвигатели, которые могли бы двигаться внутри живых существ, особенно в кровотоке, остаются на повестке дня».

Двигатели и автомобили, описанные выше, обычно используют поток электронов для питания — который поставляется туннельным электронным микроскопом.

Но это не самый лучший источник энергии для применения за пределами лаборатории и, конечно, не внутри человеческого тела, поэтому Гао и ему подобные ученые разрабатывают альтернативу. Не так давно они создали новый тип полимерной трубки в 20 микрометров длиной, покрытой цинком.

Когда она оказывается в кислотной среде, например в желудке, цинк реагирует с ней, образуя пузырьки водорода, что в свою очередь толкает транспорт вперед вместе с его полезным грузом в виде лекарств.

Это довольно грубая и не особо качественная форма движения, никто не спорит, но она доказывает, что молекулярные структуры могут использовать свое окружение для создания энергии, необходимой для их питания. «Синтетические нанодвигатели требуют внешних источников химического топлива, что может значительно помешать их практическому применению», — объясняет Гао.

— «Цинковые нанодвигатели — это первый пример нанодвигателей, которые могут использовать естественную среду в качестве источника питания. В дополнение к этому мы разработали биоразлагаемые магнезиевые нанодвигатели, которые могут использовать в качестве топлива воду в присутствии ионов хлора.

Возможно, нанодвигатели будущего будут двигаться самостоятельно, используя биологические жидкости вроде крови».

Сведите все до кучи

Очевидно, в наномасштабах таким технологиям нет равных.

У нас есть самособирающиеся структуры, складывающиеся формы, которые могут собирать и выпускать груз, хитрые ходоки, молекулярные двигатели, транспорт, который их использует, и даже, может быть, топливо для всего этого.

Вы также можете добавить им немного мозгов — вроде светодиодов в одну молекулу и простых компьютеров на основе ДНК — и в один прекрасный день они станут больше, чем просто механическими системами.

Какой прогноз ожидает наноразмерная сборочная линия Дрекслера? «Мы уже показали это», — объясняет Симан, и в этом не получится усомниться. Несколько лет назад Симан в лаборатории показал первую молекулярную сборочную линию.

Совет

Четыре наноробота из ДНК шли по специально подготовленной поверхности, поднимая частицы золота и взаимодействия с ними, собираясь по мере движения в один из восьми конечных разных продуктов.

Правда, конечным результатом была связка одной из восьми разных сочетаний ДНК и золотых частиц, но для доказательства концепции вполне сгодится.

Прогресс с тех пор не сбавляет темпы.

Другие сборочные линии были созданы, но вместо того, чтобы пересобирать ДНК, они собирают воедино мелкие молекулы в более крупные и сложные структуры, которым можно найти новые применения.

Молекулярные машины используются в лабораториях по всему миру, собирая и настраивая другие молекулы, создавая более мощные структуры, которые можно использовать для других целей.

От вымысла к реальности

Подводя итоги, можно отметить, что мы уже почти на месте. Но вместо того, чтобы получить безымянный рой наноботов, собирающих «серую слизь», в реальности молекулярное строительство более тонкое, структурированное и скромное. Потому, возможно, нет ничего удивительного в том, что сам Дрекслер немного поправил собственную гипотезу о будущем нанотехнологий.

В книге 2013 года «Полное изобилие» он пишет о «микроблоках». Они, по его мнению, будут такими матрешками в мире молекулярной сборки, когда каскад тысяч крошечных роботизированных клеток будет создавать объекты на молекулярном уровне, пока не вырастет полноразмерный робот.

Первые намеки на это мы наблюдаем на примере работы 3D-принтеров, которые, по сути, собирают объекты на молекулярном уровне.

Конечно, у этой растущей сложности появятся и свои проблемы — но, учитывая расстояние, которое мы прошли, эти препятствия не должны рассматриваться как непреодолимые.

«Сама жизнь была бы невозможна без множества молекулярных машин в наших телах, которые работают в сложных условиях и с крайне небольшим количеством энергии, но выполняют сложнейшие задачи, борются с вирусами, движут мышцами, — объясняет профессор Чарльз Сайкс из Отделения химии Университета Тафтса.

— Многие удивительные вещи возможны, это доказала природа. Единственное ограничение, как всегда, — это деньги». И с ним соглашаются все академики.

Источник: https://Hi-News.ru/research-development/kakimi-budut-molekulyarnye-mashiny-budushhego.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector