Ученые создали робота-бактерию

Нанороботы внутри нас: как работают клетки

Встречаются наивные люди, утверждающие, что за миллиарды лет эволюции природа так и не изобрела колесо. Если бы они уменьшились до наноуровня и совершили путешествие внутрь живой клетки, то увидели бы не только колесо, но и электродвигатели, конвейеры, сборочные линии и даже шагающих роботов.

По подсчетам биологов, в живой клетке функционирует около сорока известных науке молекулярных машин. Они возят грузы по молекулярным «рельсам», выступают в качестве «включателей» и «выключателей» химических процессов. Машины из молекул производят энергию для поддержания жизни, сокращают наши мышцы и строят другие молекулярные машины.

А еще они вдохновляют ученых на строительство рукотворных нанороботов, которые в будущем смогут жить и работать во внутриклеточном мире.

Чтобы представить себе, из чего и как ученые-гулливеры будут строить роботов-лилипутов, мы рассмотрели несколько наномашин, созданных самой природой.

Жгутик бактерии

Известный российский биохимик, академик РАН Владимир Скулачёв назвал движение бактерий одним из самых поразительных явлений природы: «Его исследование нанесло сокрушительный удар по нашему высокомерному снобизму вроде того, что биологическая эволюция, имея в своем распоряжении миллиарды лет, так и не смогла изобрести колесо».

Александр Марков, биолог, популяризатор науки, профессор МГУ: «В ходе эволюции очень легко возникают системы, выглядящие на первый взгляд «несократимо сложными». Они состоят из многих частей, которые приносят пользу только все вместе, убери одну — и вся система перестает работать, а каждая отдельная часть сама по себе вроде бы бесполезна.

Это заставляет некоторых ученых поставить под сомнение теорию эволюции в целом. Но стоит начать разбираться, и выясняется, что эти системы на самом деле не являются «несократимо сложными». Удаление некоторых деталей не уничтожает молекулярную машину, а лишь снижает ее эффективность.

Обратите внимание

Значит, в прошлом могла существовать машина без этой детали, а деталь присоединилась позже, что повысило эффективность работы. Но даже если удаление детали делает молекулярную машину нефункциональной, это может быть результатом долгой взаимной «притирки» деталей.

Необходимо также помнить, что организму, не имеющему какой-то молекулярной машины, будет полезен даже очень простой, малоэффективный, едва работающий ее вариант».

Для передвижения в жидкой среде некоторые бактерии используют вращающийся жгутик, который приводится микроскопическим электродвигателем, собранным из нескольких белковых молекул.

Раскручиваясь до 1000 об/мин, жгутик может толкать бактерию вперед с необыкновенно большой скоростью — 100−150 мкм/с. За секунду одноклеточное перемещается на расстояние, превосходящее его длину более чем в 50 раз.

Если это перевести на привычные нам величины, то спортсмен-пловец ростом в 180 см должен был бы переплывать 50-метровый бассейн за полсекунды!

Метаболизм бактерии устроен таким образом, что положительные ионы водорода (протоны) накапливаются между внутренней и внешней мембранами ее клетки. Создается электрохимический потенциал, увлекающий протоны из межмембранного пространства в клетку. Этот поток протонов проходит через «двигатель», приводя его в движение.

Схема «электродвигателя» бактерии гораздо больше напоминает инженерный чертеж, чем изображение живого организма. Главная деталь «мотора» — белок Mot A с ионными каналами, благодаря которым поток протонов заставляет ротор вращаться, как турбина.

Белковую структуру «мотора» называют комплексом Mot, который, в свою очередь, состоит из белков Mot A (статора) и Mot B (ротора). Ионные каналы в них расположены таким образом, что движение протонов заставляет ротор вращаться подобно турбине. Манипулируя структурой белка, некоторые бактерии умеют изменять направление и скорость движения, а иногда даже включать «задний ход».

Важно

Наличие вращающихся частей у живого организма поначалу казалось столь невероятным, что потребовало серьезных экспериментальных подтверждений. Таких подтверждений было получено несколько.

Так, в лаборатории академика Скулачёва бактерию характерной формы (в виде полумесяца, где передняя часть бактерии была вогнутой, задняя — выпуклой) прикрепляли жгутиком к стеклу и наблюдали за ней в микроскоп.

Было хорошо видно, как бактерия вращается, постоянно показывая наблюдателю лишь переднюю часть, свою «впалую грудь», и никогда не поворачиваясь «спиной».

АТФ-синтаза

Протонная АТФ-синтаза — самый маленький в живой природе биологический мотор шириной всего в 10 нм. С его помощью живые организмы вырабатывают аденозинтрифосфат (АТФ) — вещество, которое служит основным источником энергии в клетке.

АТФ состоит из аденозина (соединение хорошо знакомого нам по ДНК азотистого основания аденина и сахара рибозы и трех последовательно подсоединенных к нему фосфатных групп. Химические связи между фосфатными группами очень сильные и содержат много энергии.

Эта консервированная энергия может пригодиться для питания самых разнообразных биохимических реакций. Однако сперва необходимо определенным образом приложить энергию, чтобы упаковать аденозин и фосфатные группы в молекулу АТФ. Этим и занимается АТФ-синтаза.

Как и в случае со жгутиками бактерий, движение ротора АТФ-синтазы было подтверждено экспериментально: прикрепив к вращающемуся участку помеченный флуоресцирующим красителем белок актин, похожий на длинную нить, ученые своими глазами увидели, что он вращается. И это несмотря на то, что соотношение размеров у них такое, как если бы человек размахивал двухкилометровой плетью.

Поступающие в организм жирные кислоты и глюкоза проходят многочисленные циклы, в процессе которых специальные ферменты дыхательной цепи откачивают положительные ионы водорода (протоны) в межмембранное пространство.

Там протоны накапливаются, как войско перед битвой.

Создается потенциал: электрический (положительные заряды снаружи митохондриальной мембраны, отрицательные внутри органеллы) и химический (возникает разница концентраций ионов водорода: внутри митохондрии их меньше, снаружи больше).

Известно, что электрический потенциал на мембране митохондрий, которая служит хорошим диэлектриком, достигает 200 мВ при толщине мембраны всего 10 нм.

Накопившись в межмембранном пространстве, протоны, подобно электрическому току, устремляются назад, в митохондрию. Они проходят по специальным каналам в АТФ-синтазе, которая встроена во внутреннюю сторону мембраны. Поток протонов раскручивает ротор, будто река водяную мельницу.

Ротор вращается со скоростью 300 оборотов в секунду, что сопоставимо с максимальными оборотами двигателя болида «Формулы-1». АТФ-синтазу по форме можно сравнить с грибом, «растущим» на внутренней стороне мембраны митохондрии, при этом описанный выше ротор прячется в «грибнице».

«Ножка гриба» вращается вместе с ротором, и на ее конце (внутри «шляпки») закреплено некое подобие эксцентрика. Неподвижная «шляпка» условно делится на три дольки, каждая из которых деформируется, сжимается при прохождении эксцентрика.

К «долькам» прикрепляются молекулы аденозиндифосфата (АДФ, с двумя фосфатными группами) и остатки фосфорной кислоты. В момент сжатия АДФ и фосфат прижимаются друг к другу достаточно сильно, чтобы образовать химическую связь. За один оборот «эксцентрик» деформирует три «дольки», и образуется три молекулы АТФ.

Совет

Помножив это на количество секунд в сутках и примерное количество АТФ-синтаз в организме, мы получим удивительную цифру: ежедневно в человеческом теле вырабатывается примерно 50 кг АТФ.

Все тонкости этого процесса необычайно сложны и многообразны. За их расшифровку, которая потребовала почти ста лет, были вручены две Нобелевские премии — в 1978 году Питеру Митчеллу и в 1997 году Джону Уокеру и Полю Бойеру.

Кинезин

Кинезин — это линейный молекулярный мотор, передвигающийся по клетке вдоль путепроводов — полимерных нитей. Будто портовый грузчик, он перетаскивает на себе всевозможные грузы (митохондрии, лизосомы), используя в качестве топлива молекулы АТФ.

Внешне кинезин похож на сплетенного из тонких веревок игрушечного «человечка»: он состоит из двух одинаковых полипептидных цепей, верхние концы которых сплетены и соединены вместе, а нижние расставлены в стороны и имеют на концах «ботинки» — глобулярные головки размером 7,5 х 4,5 нм.

При движении эти головки на нижних концах поочередно отрываются от полимерной «тропинки», кинезин поворачивается на 180 градусов вокруг своей оси и переставляет одну из нижних «стоп» вперед. При этом если один его конец при движении тратит энергию (молекулу АТФ), то другой в это время высвобождает компонент для образования энергии, АДФ.

В итоге получается непрерывный цикл подачи и траты энергии для полезной работы.

Как показали исследования, кинезин способен довольно бодро вышагивать по клетке своими «веревочными» ножками: делая шаг длиной всего 8 нм, за секунду он перемещается на гигантское по клеточным меркам расстояние в 800 нм, то есть делает 100 шагов в секунду. Попробуйте представить себе такие скорости в человеческом мире!

Кинезин, шагая по «тропинкам» из микротрубок, переносит различные грузы в клетке.

Искусственные наномашины

Человеком, который подтолкнул научный мир к созданию нанороботов на основе биологических молекулярных устройств, стал выдающийся ученый-физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Его лекцию 1959 года с символичным названием «Там внизу еще много места» биоинженеры всего мира считают отправной точкой в этом нелегком деле.

Прорыв, позволивший перейти от теории к практике, случился в начале 1990-х годов. Тогда английские ученые из Университета Шеффилда, Фрэйзер Стоддарт и Нил Спенсер, и их итальянский коллега Пьер Анелли сделали первый молекулярный челнок — синтетическое устройство, в котором происходит пространственное перемещение молекул.

Для его создания используют ротаксан — искусственное вещество, в котором кольцевая молекула (кольцо) нанизана на линейную молекулу (ось). Отсюда и название вещества: лат. rota — кoлесо и axis — ось. Ось в ротаксане имеет форму гантели, чтобы с помощью объемных групп на концах не позволять кольцу соскальзывать со стержня.

Обратите внимание

«Наномашина», «четырехколесная» молекула, созданная в 2005 году группой под руководством профессора Джеймса Тура (Университет Райса). Собственного мотора у нее нет, однако при нагревании поверхности до порядка 200 °C фуллереновые колеса начинают вращаться и машинка катится.

Челнок на основе ротаксана перемещает кольцевую молекулу вдоль линейной, на которой она держится, с помощью протонов (ослабляя или увеличивая водородные связи, удерживающие по центру кольцевую молекулу) и броуновского движения, толкающего вперед кольцо. Это похоже на брошенный в ручей резиновый мячик, привязанный к веревке: ослабили веревку (водородные связи) и стремительный ручей (броуновское движение) подхватит мяч и увлечет его вперед. Натянули веревку — мяч возвратится назад.

Читайте также:  Искусственный интеллект подсчитает, сколько нефти осталось на планете

Инженерные сооружения наномасштабов подчиняются химическим реакциям в большей степени, нежели законам ньютоновской механики. Многообразие их применений простирается от медицинских роботов до компьютерной памяти.

В 2010 году группа американских биоинженеров, Милан Стоянович и его коллеги, создали молекулярного наноробота, способного перемещаться по ДНК.

В ходе эксперимента ученые смогли проследить, как их наноробот смог самостоятельно сделать 50 шагов и передвинуться на 100 нм. Робот, внешне напоминающий паука, может автономно выполнять несколько команд: «идти», «повернуть», «остановиться».

По мнению авторов, он очень востребован в медицине в качестве доставщика лекарств в клетку.

В 2013 году английские и шотландские биоинженеры под руководством Дэвида Лея смогли создать первый в мире молекулярный наноконвейер: наномашину, способную собирать пептиды, короткие белки. В природе эту задачу выполняют рибосомы — органеллы, находящиеся в наших клетках.

Биоинженеры взяли за основу для своей машины молекулу ротаксана и на ее «стержне» смогли собрать из отдельных аминокислот белок заданного свойства.

Правда, в соревновании с природной сборкой белков в рибосоме искусственная молекулярная машина пока проигрывает: ей понадобилось 12 часов на присоединение каждого аминокислотного остатка, в то время как рибосомы справляются с этой задачей быстрее чем за секунду.

Важно

Несмотря на это, исследователи с оптимизмом рассматривают свою разработку. «Вы получаете машину, которая точно движется, поднимает молекулярные строительные блоки и ставит их вместе. Если природа делает это, почему не можем мы?» — отметил профессор Лей.

Статья «Нанороботы внутри нас» опубликована в журнале «Популярная механика» (№1, Январь 2016).

Источник: https://www.PopMech.ru/science/235122-nanoroboty-vnutri-nas-kak-rabotayut-kletki/

Робота-трансформера научили становиться разными бактериями, чтобы эффективнее пробираться к цели

Британские и швейцарские инженеры, вдохновившись формами бактерий возбудителей язвы, холеры и болезни Лайма, создали гибких роботов, которые способны менять форму тела, плавая в жидкости и адаптируясь к изменению ее вязкости.

Евгения Щербина

21.01.2019, 18:03

Новость

Одно из направлений современной робототехники – создание на основе полимеров с разными характеристиками гибких и мягких микророботов, которые могли бы проникать в организм человека и выполнять там медицинские задачи.

На создание роботов тех или иных форм инженеров часто вдохновляют животные. В этот раз, как пишут инженеры в статье в Science Advances, их вдохновили бактерии: холерный вибрионы V.

cholerae, имеющие форму трубки с винтообразным жгутиком, стебельковые бактерии (популярный модельный организм C. Crescentus) в форме трубки с прямым и плоским жгутиком, возбудители язвы желудка H.

pylori в виде спирали с несколькими жгутиками и возбудители болезни Лайма B. burgdorferi, имеющие форму спирали.

Слева направо и сверху вниз: Холерный вибрион V.cholerae, C. Crescentus, возбудитель язвы желудка H.pylori и возбудитель болезни Лайма B.burgdorferi А.

Лапушко / wikimedia commons / public domain

Из одной гидрогелевой пленки ученые изготовили сотни образцов роботов разной формы и заставили их плавать в средах с разной плотностью и вязкостью, например, в растворе сахарозы, по вязкости близкой к крови.

В такой среде стебельковые роботы двигались лучше других прототипов. Однако, при увеличении вязкости именно эти роботы становились аутсайдерами, так как их «тело» больше не могло двигаться синхронно со жгутиком и только увеличивало сопротивление.

Зато «роботы Лайма» в виде спирали показали себя в более вязкой среде лучше всех. Штопорообразное движение в такой среде оказалось более эффективным.

Совет

Выяснив, что трубчатое тело с плоским хвостом предпочтительнее для плавания при низкой вязкости, а спиральное — при высокой, инженеры создали робота, который мог менять свою конфигурацию в ответ на увеличение концентрации сахарозы в жидкости. Этот робот может менять форму в зависимости от условий, не теряя в скорости маневренности.

Патогенные бактерии так эффективны в своей способности заражать организм не в последнюю очередь благодаря своей форме, позволяющей быстро перемещаться по кровотоку. Позаимствовав у микробов эти формы, ученые создали роботов, которые, возможно, тоже смогут в будущем перемещаться в организме, но уже с благими целями — например, для доставки лекарств или выявления повреждений в организме.

Если создавать плавающих роботов помогают плавающие организмы, то прототипами роботов прыгающих становятся животные, которые умеют это делать лучше всего. Так, живущих на деревьях лесной зверек галаго стал прототипом для робота-прыгуна.<\p>

Робототехника Микробиология

Источник: https://chrdk.ru/news/bacterialike-robot-transformer

Учеными создана бактерия-робот

Mеждународной группой биотехнологов сделано невозможное, впервые они смогли присоединить к бактерии наноустройство и заставили их работать вместе над выполнением заданий.

С помощью неимоверных усилий биотехнологи превратили микроб в некоторое примитивное создание на подобии “киборга”, который теперь способен самостоятельно участвовать в проведении простейших научных исследованиях, сообщается в статье, которую опубликовали ученые в журнале Scientific Reports.

“Нами создан действительно уникальный прибор. Вот посмотрите, мы имеем живые клетки в виде спор. На их поверхности нами собран сенсор , а сами бактерии при этом играют очень важную роль в работе «киборга».

При этом биологический компонент живых клеток является той частью сенсора, которая отвечает за реакцию на воздействие раздражителей и при этом предоставляет информацию исследователям”, – рассказал Викас Берри (Vikas Berry), ученый из чикагского университета распложенного в штате Иллинойс .

Свое изобретение ученые назвали NERD ( “ботаник”), что обозначается еще как нано-электронное робото-устройство.

При конкретном рассмотрении изобретенного устройства можно заметить, что оно представляет из себя некую “спящую” бактерию, которую ученые заставляют выполнять роль сверхчувствительного датчика влажности, используя для этого ряд наноструктур, размещаемых на поверхности бактерии .

Таким образом ученые приклеивают к оболочке споры бактерии некоторый набор состоящий из квантовых точек на базе графена. Затем к каждой стороне микроба присоединяются электроды. «Ботаник» готов к работе, меняем степень влажности в окрестностях бактерии и прибор начинает работать.

Работа такого датчика обусловлена следующим фактором, твердая оболочка бактериальной споры очень чувствительна к присутствию молекул воды, и расширяется очень заметно при увеличении концентрации водяного пара в воздухе в ее окрестностях.

Расширяясь, оболочка бактерии приводит к изменениям электропроводимости нанесенных на ее поверхность полосок графена и электродов, и как следствие квантовые точки , представляющие собой микроскопические источники света, будут светиться заметно ярче .

По словам ученого , их кибер-бактерия показывала реакцию в 10 раз быстрее на малейшее изменение количества влаги в окружающей ее оболочке, чем это могут делать сегодня самые чувствительные датчики изготовленные из полимерных материалов. Подобные бактерии-роботы можно использовать в вакууме, а это в свою очередь позволит применять такие сенсоры для обнаружения утечек воздуха на МКС или космических кораблях.

Источник: https://promvest.info/ru/innovatsii/uchenyimi-sozdana-bakteriya-robot/

Золото и клеточные мембраны стали микророботом для борьбы с бактериями

Berta Esteban-Fernández de Ávila et al.

/ Science Robotics, 2018

Американские исследователи создали медицинского микроробота из золотой частицы, покрытой гибридной мембраной, которая, в свою очередь, сделана из мембран эритроцитов и тромбоцитов.

Робот способен захватывать опасные бактерии и производимые ими токсины, а его движением в организме можно управлять с помощью ультразвука, рассказывают авторы в журнале Science Robotics.

Ученые разрабатывают не только больших роботов, но и микроскопических, предназначенных в том числе для работы внутри организма человека. Они могут решать разные задачи — например, выполнять точечную доставку лекарств или захват отдельных клеток.

Поскольку создавать искусственные двигатели и сенсоры для таких маленьких роботов очень сложно, нередко разработчики оснащают их элементами из живых организмов.

Обратите внимание

К примеру, в прошлом году немецкие исследователи превратили сперматозоид в гибридный доставщик лекарства к раковой опухоли.

Группа ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего под руководством Джозефа Ванга (Joseph Wang) использовала похожий подход и создала микроробота, использующего натуральные клеточные мембраны для захвата бактерий и токсинов.

Авторы решили нацелить робота на грамположительные бактерии, в частности, на золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus).

Эти бактерии выделяют порообразующие токсины, создающие в клеточных мембранах отверстия, которые могут приводить к лизису.

Схема работы робота Berta Esteban-Fernández de Ávila et al. / Science Robotics, 2018Исследователи смогли создать робота, который захватывает как сами бактерии, так и выделяемые ими токсины.

Поскольку в организме грамположительные бактерии зачастую связываются с тромбоцитами, а порообразующие токсины с эритроцитами, ученые решили объединить их свойства, создав гибридную мембрану. Они взяли раствор с эритроцитами и тромбоцитами, и смешали его с помощью ультразвука, создав из них единые везикулы из мембран двух типов.

После того, как этот раствор смешали с вытянутыми золотыми частицами длиной около двух микрометров, мембраны самопроизвольно закреплялись вокруг частиц.Золотистый стафилококк, захваченный роботом Berta Esteban-Fernández de Ávila et al.

Читайте также:  Беспроводная виртуальная реальность

/ Science Robotics, 2018Управлять движением робота можно с помощью ультразвука — он двигается в противоположном от излучателя направлении. Авторы показали эффективность двигающихся роботов, сравнив их со статичными. Ученые поместили роботов в среды, содержащие штамм золотистого стафилококка и одну из групп двигали ультразвуком.

Затем они сравнили количество пойманных бактерий с помощью флуоресцентного маркера и увидели, что в группе двигавшихся частиц интенсивность свечения в 3,5 раза выше.

Важно

Кроме того, исследователи проверили действие роботов на токсины бактерии и выяснили, что присутствие в растворе с эритроцитами таких роботов приводит к заметно меньшему уровню гемолиза — на 5,5 процентов.

Недавно немецкие ученые создали другого робота на основе живых клеток. Они присоединили бактерию кишечной палочки с жгутиками к эритроциту, содержащему лекарство, а также суперпарамагнитные частицы. В результате авторы создали конструкцию, в которой бактерия отвечает за движение вперед, а эритроцит корректирует направление под действием внешнего магнитного поля.

Григорий Копиев

Источник: https://nplus1.ru/news/2018/05/30/dam

Нанотехнологии

  • Главная
  • Статьи
  • Науки о жизни
  • Нанотехнологии

14 Февраля 2019

Имплантируемый под кожу пациента пористый гель снизит риск осложнений при пересадке костного мозга.

читать08 Февраля 2019

Нанокапсула-«шприц» позволяет вводить инсулин и другие нестабильные субстанции в организм через желудок.

читать07 Февраля 2019

Пероральная вакцина с «реактивными двигателями» из магниевых микрочастиц стимулирует иммунный ответ в кишечнике.

читать06 Февраля 2019

Наночастицы способствуют метастазированию, повышая проницаемость сосудов. Но этот механизм можно использовать и с пользой для пациентов.

читать05 Февраля 2019

Специалисты МИФИ совместно с французскими коллегами предложили новый наноматериал для «выжигания» опухолей и их метастазов.

читать31 Января 2019

Разбухающая таблетка может доставлять в желудок различные датчики или мини-камеры, а также помогать желающим похудеть.

читать31 Января 2019

Ученые из Китая успешно протестировали на крысах долгосрочный мужской контрацептив, работающий по принципу слоистого коктейля.

читать24 Января 2019

Наноматериалы меняют наш мир, а у нас до сих пор нет процедур для их проверки на безопасность.

читать22 Января 2019

Гибкие роботы способны менять форму тела, плавая в жидкости и адаптируясь к изменению ее вязкости.

читать18 Января 2019

Различные препараты из нанокапсул в микроиглах будут проникать в организм дозированно в течение заданного времени.

читать16 Января 2019

Простой в использовании инструмент будет особенно востребован в странах третьего мира, уверены ученые.

читать12 Декабря 2018

Эксперимент показал, что препарат останавливает повторный рост раковых клеток, сохранившихся после операции.

читать07 Декабря 2018

Работа над методом еще не закончена, но он обещает значительно упростить обнаружение рака по степени метилирования ДНК.

читать05 Декабря 2018

Нанопинцет может извлекать ДНК и другие отдельные молекулы или органеллы из живой клетки, не убивая ее.

читать30 Ноября 2018

Специалисты MIT разработали наночастицы, способные доставить лекарственный препарат вглубь хрящей и излечить поврежденные ткани.

читать29 Ноября 2018

Пластырь с микроиглами для доставки стволовых клеток в ткань сердца способствует его восстановлению после инфаркта.

читать23 Ноября 2018

Новое соединение имеет более широкие поры, которые позволяют клеткам проникать в рану и участвовать в ее заживлении.

читать23 Ноября 2018

Ученые из Университета ИТМО реализовали способ управления ферментами при помощи радиочастотных излучений.

читать22 Ноября 2018

Фемтосекундный лазер и золотые наночастицы помогут с доставкой генов или лекарств в конкретные области глаза.

читать21 Ноября 2018

Искусственные клетки могут производить белок, общаться с соседями и менять поведение в зависимости от химических сигналов.

читать

Источник: http://www.vechnayamolodost.ru/articles/nanotekhnologii/zolotaya-pulya/

5 фантастических штук, которые учёные научились проделывать с бактериями

Можно ли из бактерий собрать робота, лазер и лекарство от сердечных приступов? Оказывается, что очень даже можно!

Из бактерий сделали «коллективных роботов»

Источник:

Смотреть все фото в галерее

Биологи принудили бактерии к выработке сигнальной молекулы AHL (N-ацил гомосеринлактон), которая позволила координировать поведение бактерий. При помощи AHL учёные создали микроскопических “роботов”.

По словам исследователей, такая система может быть полезной в медицине: с её помощью, находящиеся внутри человеческого организма бактерии начнут вырабатывать необходимые белки.

А в случае превышения необходимого размера популяции микроорганизмов, система сможет снизить их численность.

Физики смогли создать лазер на флуоресцентных белках медуз

Источник:

Команда физиков из Германии и Британии создала поляритонный лазер на основе зеленого флуоресцентного белка, который работает при комнатной температуре. Примечательно, что в устройстве используется белок, синтезируемый модифицированными бактериями кишечной палочки.

Ученые считают, что такой лазер может найти применение в медицине, а также квантовой интерференции.
Высокая эффективность и возможность лазера функционировать при комнатной температуре связана с особой геометрией белковых молекул.

Активные центры в них защищены от внешнего воздействия.

Бактериям нашли работу в криминалистике

Источник:

Ученые из Аргоннской национальной лаборатории, а также Чикагского университета смогли показать, как анализ микрофлоры на поверхности обуви или мобильного телефона может использоваться криминалистике.

Коллектив учёных смог в ходе исследования смог идентифицировать участников эксперимента по так называемым генетическим “следам” бактерий на подошве и поверхности телефонов. При помощи проб также удалось опознать и географическое местоположение, где были взяты пробы.

Считается, что анализ микрофлоры вполне можно использовать для идентификации вещей и точного опознавания их владельцев.

Сердечные приступы будут лечить фотосинтезирующими бактериями

Источник:

Учёные из Стенфордского университета смогли уменьшить сердечную недостаточность у крыс при помощи фотосинтезирующих бактерий, введенных в сердце млекопитающего. При освещении такие бактерии производили кислород, и сердечная деятельность крыс с блокированными сердечными сосудами улучшалась.

Совет

Бактерии Synechococcus elongatus умеют превращать углекислый газ в кислород под действием света, при этом с точки зрения размеров и строения они сами представляют собой своеобразные аналоги хлоропластов.

Поселив их в чашку Петри рядом с сердечными клетками крысы, ученые убедились, что на свету бактерии выделяют кислород, который после используют их соседи. Бактерии способны были жить в физиологических условиях, необходимых сердечным клеткам. После этого Synechococcus elongatus вводили в сердце крысам.

Некоторые сосуды этих крыс искусственно блокировали, вызывая у крыс обыкновенный сердечный приступ. Когда участки миокарда начинали погибать, крыс освещали ярким светом. Бактерии выделяли кислород, который эффективно использовался окружающими тканями.

Уровень кислорода в них повышался аж в 25 раз, и сердечная деятельность крыс стабилизировалась. Такие крысы жили дольше других подопытных, их сердца мощнее сокращались по сравнению с контрольной выборкой, которую держали в темноте.

Дело за малым – подсадить бактерий на сердце человека и постоянно их “подсвечивать”.

Бактерии из кишечника человека помогут при производстве биотоплива

Источник:

Ученые долго искали “идеальную” бактерию, которая могла бы наиболее эффективно разлагать растительное волокно на сахара, которые, в свою очередь, становились основой для создания биотоплива (этанола). Идеальными кандидатами на такую роль подошли микроорганизмы, которые обитают в человеческом кишечнике – Bacteroides intestinalis и Bacteroides ovatus.

Изучив эти бактерии более пристально, ученые обнаружили кое-что странное: на некоторых белках бактерий уживаются сразу два подобных фермента, один из которых предварительно измельчает растительное волокно, чтобы другому ферменту было легче его “переварить”. Этим, видимо, и объясняется сравнительно высокая эффективность Bacteroides intestinalis и Bacteroides ovatus из кишечника человека, которую, как считают ученые, можно использовать при производстве биотоплива.

Источник:

Источник: https://surfingbird.ru/surf/5-fantasticheskih-shtuk-kotorye-uchyonye-nauchilis–6dg-Cb61E

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.

Читайте также:  Робот-помощник будет стоить 35 тысяч долларов

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.

Обратите внимание

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.

Важно

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.

Совет

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. 

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

Ученые превратили бактерию в крошечного робота, обернув ее слоем графена

Обернув живую клетку слоем графена, что является множеством квантовых точек, исследователи из университета Иллинойса в Чикаго (University of Illinois at Chicago, UIC) создали аккумуляторная био-микро-робота (цитобота), что может реагировать электрическим методом на трансформации окружающей его среды. Эта работа может послужить базой для биологических нанороботов, био-микро-механизмов и других маленьких устройств биологической природы, каковые возможно будет применять в самых разных областях науки и техники.

Исследователи из UIC назвали собственный творение NERD (Nano-Electro-Robotic Device). Базой этого цитобота есть бактериальная спора, эндоспора, которая, по сути, есть бездействующей бактерией, пребывающей в «спячке».

Эндоспоры прочны, твёрды и они очень очень сильно реагируют на наличие жидкой воды, что делает их совершенным кандидатом для применения их в микромеханических биосистемах, в которых употребляется последовательность естественных функций микроорганизмов, являющихся их реакцией на трансформацию внешней среды.

«Это — захватывающее устройство» — говорит Викас Бери (Vikas Berry), доктор наук из UIC, — «В нем имеется биологический элемент, что мы снабдили активным датчиком. И затем устройство очень прекрасно реагирует на внешние стимулы, в которых может кодироваться команды управления и передаваемая информация».

Соединение графеновых квантовых точек (graphene quantum dots, GQD) с микробом разрешает совместить кое-какие эффекты квантовой механики, такие, как оптическое мерцание и туннелирование электронов с рядом механических и биологических функций живого микроорганизма.

А в самом первом случае исследователи UIC применяли GQD совместно с трансмембранным гидравлическим «насосом», основанным на способности споры бактерии всецело изгонять из себя влагу.

И в этом случае оказавшееся биоустройство трудилось как сверхчувствительный и точный электро-биомеханический датчик влажности.

«Мы забрали бактерию и поместили на ее поверхность графеновые квантовые точки.

Приложив к поверхности оказавшейся структуры два электрода, мы взяли возможность измерять влажность окружающей спору среды» — говорит Викас Бери, — «В то время, когда при уменьшении влажности спора сжимается, отдавая внутреннюю влагу в вохдух, квантовые точки сближаются, увеличивая электрическую проводимость структуры в целом. Измеряя уровень текущего электрического тока, мы приобретаем весьма чистый сигнал, весьма быстро изменяющийся в ответ на трансформации влажности среды».

Обратите внимание

Исследователи зарегистрировали, что скорость реакции бактерии-датчика минимум на порядок превышает быстродействие самых лучших датчиков влажности, изготовленных на базе синтетических гидро-абсорбирующих полимерных материалов.

И, также, созданное ими электро-биомеханическое устройство имело очень высокую чувствительность в условиях только низкого давления, в условиях низкой влажности и при вторых условиях, каковые не попадают в диапазон рабочих условий классических датчиков влажности.

Технологии, подобные созданной, разрешат людям в собственных целях применять неповторимую биомолекулярную структура разных типов микроорганизмов, каковые смогут выступать в роли биодвигателей для разных механических и электромеханических наноустройств. А это, со своей стороны, возможно применено в регионах диагностики разных болезней, в области химического анализа, микроробототехники и для обнаружения в окружающей среде молекул, атомов и ионов разных химических элементов и соединений.

Источник: dailytechinfo.org

🌍 #5 ЧАСЫ. The Tiny Bang Story. Теория Крошечного Взрыва прохождение — Жестянка

Темы которые будут Вам интересны:

Источник: http://pro-saitik.ru/uchenye-prevratili-bakteriju-v-kroshechnogo-robota/

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector