«Мы с тобой одной крови?» (Р. Киплинг, «Маугли»)

Ключевая особенность человека — жажда творить. На протяжении веков лучшие умы создавали нечто новое, меняя жизнь к лучшему, — когда плавно, когда кардинально. Изобретения, в свое время сотрясшие мир, казались несбыточной реальностью. Электричество, всемирная информационная сеть Интернет — теперь это наша обыденность, привычная и скучная. Уклад двадцать первого века схож с волшебством, фантастикой для предыдущих поколений. Возможно, и мы с таким же изумлением будем созерцать инновационные технологии, которые у наших внуков не будут вызывать и капли удивления. Бегут столетия, мир постоянно меняется, трансформируется. Только желание ученых постичь и создать нечто новое не ослабевает. Благодаря их стараниям то, что фигурирует в фильмах о будущем, скоро станет реальностью. Телепортация, полеты в космос сродни поездкам на автобусе — список можно продолжать бесконечно, пока не истощится воображение. Однако в этот раз мы поговорим о другом. О биороботах.

«Нет ничего более изобретательного, чем природа»

Трудно создать биологическую систему более совершенную, чем та, что уже существует в природе. В ней нет ничего лишнего, эволюция сделала все за человека — и ученым достаточно лишь внести свои коррективы в отлаженный временем механизм. Лаборатория iBionicS Университета Северной Каролины в 2012 году представила радиоуправляемого таракана (рис. 1). Принцип его действия заключается в воздействии на нервную систему через сенсоры-усики.

Рисунок 1. Сопоставление размеров модифицированного насекомого с монетой США номиналом 25 центов (диаметр — 2,4 см). Рисунок с сайта www.slate.com.

На спине насекомого закрепляли чип, подающий сигналы на антенны таракана и таким образом корректирующий траекторию его движения (видео 1). Перед учеными встала непростая дилемма: для успешной работы чипа требовались батарейки, которые значительно утяжеляли таракана. Было найдено изящное решение, которое можно назвать демонстрацией слаженной работы научных отраслей: с помощью физики удалось отыскать новое применение естественным биологическим процессам в организме таракана. При переваривании пищи таракан выделяет сахар трегалозу. На одном из электродов трегалоза раскладывается на две молекулы глюкозы. С помощью фермента гексокиназы происходит реакция фосфорилирования глюкозы и образуется глюкозофосфат. Эта реакция сопровождается выделением электронов, которые движутся ко второму электроду, то есть создают электрический ток. Ученым удалось добиться того, что таракан своей жизнедеятельностью сам и обеспечивает успешную работу чипа. Внедренные технологии удачно вписались в отлаженные эволюцией механизмы.

Видео 1. Движение радиоуправляемого таракана

В марте 2016 года было опубликовано другое исследование, также связанное с управлением насекомыми, но основанное на ином принципе. Группа ученых Наньянского университета работала с жуками Mecynorhina torquata [1]. Воздействие производили на группы мышц жуков, ответственные за движение лапок (рис. 2). То есть стимулировали опорно-двигательный аппарат, а не нервную систему.

Рисунок 2. Анатомия передней ноги жука. а — Мышцы верхней стороны тела жука. б — Мышцы с нижней стороны. Крестиками помечены группы мышц, стимулируемые электрическими импульсами. Рисунок из [1].

Меняли очередность воздействия и его силу — таким образом регулировали скорость передвижения жука (рис. 3).

Рисунок 3. Отслеживание ширины шага и скорости перемещения жука. Красные кресты указывают координаты передней ноги и рога жука, по которым высчитывалась ширина шага, калибруемая по обычной линейке. Рисунок из [1].

Его перемещения отслеживались с помощью технологии захвата движения. Три специальные камеры отслеживали движения жука и представляли их в виде передвижений упрощенной трехмерной модели насекомого. Биология, физика и информатика внесли свой неоценимый вклад в конечный результат — рисунок 4.

Рисунок 4. Установка для захвата движения насекомого и компьютерная модель. а — Компьютерная система захвата движений. б — К передним ногам и спине жука прикрепляли светоотражающие маркеры для отслеживания движений. в — Собранные 3D-данные о движении преобразовывали и показывали в виде трех независимых графических сегментов. Рисунок из [1].

Модифицированные насекомые давно будоражат людское воображение. Они обладают отличной проходимостью, которая может пригодиться в шпионской деятельности. Подобное применение освещалось в кинематографе и имеет неоспоримые преимущества (видео 2).

Видео 2. Отрывок из фильма «Пятый элемент» (режиссер Л. Бессон)

Однако насекомые-киборги пригодятся и в более мирных целях. Например, в поиске пострадавших под завалами.

Создавая новое

Но вместе с тем ученые ставят перед собой и более амбициозные задачи. Как насчет того, чтобы создать нечто новое? В 2012 году сотрудники Гарвардского университета и Калифорнийского технологического института продемонстрировали созданную ими искусственную медузу (рис. 5) [2]. «Медузоид» — это первый в мире искусственный мускул, состоящий из смеси специальных полимеров и мышечных волокон крысы.

 

Рисунок 5. Конструкция из силикона и клеток сердца крыс, повторяющая настоящую медузу. Рисунок с сайта www.mk.ru.

 

Мышечные волокна, взятые из клеток сердечной ткани мышей, выращены на полимерной матрице. В качестве материала для нее использовали полидиметилсилоксан, который по свойствам близок к соединительной ткани медуз — мезоглее. Необходимой формы добивались с помощью нанесения рисунка из протеинового раствора.

Ориентируясь на строение медузы ушастой аурелии (Aurelia aurita), ученые добились такого же принципа перемещения для биобота. Он двигается за счет выталкивания жидкости, для чего необходимо сокращение мышц. Для обеспечения этого «медузоид» был помещен в электропроводящий соляной раствор. Под воздействием электрических импульсов происходит сокращение мышечных клеток, и биоробот осуществляет движение. Пока не удается достичь полного контроля траектории его движения, но данное направление является весьма перспективным. Работа ведется активно и вдохновляет ученых на новые свершения.

Данное исследование дало толчок следующему. В 2016 году группа ученых из Гарварда представила мировой общественности разработку — «золотого» ската* (рис. 6) [3, 4].

* — Подробнее об искусственном скате можно прочитать на «биомолекуле»: «Мечтают ли батоиды об электрокрысах?» [5]. — Ред.

 

Рисунок 6. Глаз и скат. Сейчас мы наблюдаем за скатом, а потом он поможет нам наблюдать за другими организмами. Рисунок из [4].

 

Это система по принципу строения во многом напоминает ската природного (рис. 7).

 

Рисунок 7. Особенности строения искусственного ската. а — Живой скат. б — Строение плавника живого ската. в — Четыре слоя тела искусственного ската: слой 1 — корпус из полидиметилсилоксана (силикона, применяемого в медицине, косметологии и даже пищевой промышленности); слой 2 — золотой скелет; слой 3 — снова тонкий слой полидиметилсилоксана, на котором расположены мышечные клетки (слой 4). г — Концепт. д — Обхождение препятствий в зависимости от интенсивности подаваемого сигнала. Рисунок из [3].

 

Немаловажную роль в исследовании сыграли химия и оптогенетика*. Благодаря химическим свойствам золота, а именно нереагентности в нормальных условиях, его и выбрали в качестве материала для скелета. Оптогенетика позволила разработать технологию контроля движения ската. Предварительно в мышечных клетках был изменен геном: ученые внедрили ген, отвечающий за выработку в клетке светочувствительного белка KR2. Под воздействием световых импульсов он становится переносчиком ионов натрия, создает электрический потенциал, вследствие чего клетки сокращаются и скат движется (видео 3).

* — Очень доступно о том, как хитроумно работает оптогенетика рассказано в статье «Светлая голова» [6]. А как оптогенетика может заставить видеть даже в случае тотального повреждения фоторецепторных клеток сетчатки, описано в статье «Оптогенетика + голография = прозрение?» [7]. — Ред.

 

Видео 3. Как с помощью живых мышечных клеток и импульсов света удается успешно управлять созданным в лаборатории биоботом

 

Приведенные выше исследования доказывают: наука вышла на достаточно высокий уровень, чтобы создавать квазиорганизмы искусственным путем, ориентируясь на природные подобия. Пока предприняты лишь первые шаги, которые открывают дорогу более продвинутым исследованиям. Возможно, в скором будущем ученым удастся создать биороботов, более сложных в строении и менее ограниченных в плане среды и условий существования.

 

Полет фантазии

 

В результате эволюции организмы, ныне живущие на Земле, достигли совершенства. Все процессы для их успешной жизнедеятельности отлажены и дополняют друг друга. Казалось, не нужно ничего более. Однако не существует границ для человеческой фантазии. Если наличествует должный научный аппарат, почему бы не создать нечто новое, не имеющее аналога в природе? Группа ученых из Университета Иллинойса сделала первые шаги в этом направлении. В 2012 году был показан биобот, приводимый в действие клетками сердечной ткани мышей [8, 9]. Он представлял собой 3D-напечатанный каркас из гидрогеля* с высеянными на его поверхность кардиомиоцитами (рис. 8). Клетки сокращаются и расслабляются самостоятельно при соблюдении определенных внешних условий, и биобот размером не более 1 см двигается.

* — Некоторое время назад «биомолекула» писала о полумягком роботе-прыгуне, тоже созданном посредством 3D-печати: «3D-принтер произвел на свет полумягкого робота-прыгуна» [10]. — Ред.

 

Рисунок 8. Движения биобота на клетках сердечной мышцы. Рисунок с сайта news.nationalgeographic.com.

 

Однако контролировать сокращение сердечных клеток — непростая задача, и в 2014 году та же группа ученых представила модернизированную версию биоробота: уже с использованием клеток скелетных мышц мышей (рис. 9). Под воздействием электрических импульсов, подаваемых с внешнего электронного устройства, они сокращаются, вследствие чего биобот передвигается.

 

Рисунок 9. Строение биобота: гидрогелевый каркас и скелетная мышечная ткань. Рисунок с сайта www.dailymail.co.uk.

 

Скорость движения регулируется частотой подаваемого поля — это было установлено экспериментально (видео 4).

 

Видео 4. Напечатанные на 3D-принтере биоботы, приводимые в движение мышечными клетками и управляемые электическими импульсами

 

Разработанная технология позволяет использовать гидрогелевые каркасы различных форм и дает достаточно свободы для дальнейших изысканий. Уже достигнутый контроль над движением биоробота планируется улучшить. Ученые собираются внедрить в мускульные ткани нейронные сети. Это усложнит алгоритмы движения, но позволит подключить иные способы управления, например, светом или химическим составом среды.

 

Большие надежды

 

Двадцать первый век — время, когда достижения науки позволяют претворять давние мечты в жизнь. Описанные типы биороботов могут найти применение во многих сферах жизни человека. Насекомые-киборги пригодятся в шпионаже и операциях МЧС, оптогенетика позволит создать дронов, держащихся в воздухе за счет сокращения мышечных колец. Военную отрасль будут ждать кардинальные перемены. Биороботы, аналоги природных созданий, пока ограничены средой, однако в будущем эти рамки будут преодолены. Станет возможным создание биороботов более сложной структуры, которые превзойдут живые оригиналы. Появится новое направление в биологии — разве могли предыдущие поколения даже мечтать о подобном?

Фантастика становится реальностью. Ученым двадцать первого века выпал счастливый шанс не только наблюдать, но и принять участие в этом увлекательном процессе.

 

20.09.2016 Источник: biomolecula.ru

Ученые из Университета Висконсин-Мэдисон обнаружили переключатель, который перенаправляет вспомогательные клетки в периферическую нервную систему в режим «ремонта» и помогает восстанавливать поврежденные аксоны.

Аксоны — это длинные волокна нейронов, которые передают нервные импульсы. Периферическая нервная система, сигнальная сеть за пределами головного и спинного мозга, имеет некоторую способность восстанавливать поврежденные аксоны, но этот ремонт проходит медленно и зачастую безрезультатно.

Новое исследование предлагает тактику, которая могла бы запустить или ускорить этот естественный механизм восстановления и помочь, например, в лечении после физических травм, говорит Джон Сварен, профессор компаративных бионаук в Школе ветеринарной медицины Университета Висконсин-Мэдисон. Эти результаты могут быть также полезны для лечения генетических аномалий вроде болезни Шарко-Мари-Тута или повреждений нерва от диабета.

Шванновские клетки (леммоциты) создают изолирующую миелиновую оболочку, которая ускоряет передачу нервных импульсов. В режиме восстановления леммоциты создают «ремонтную бригаду», которая добавляет стимуляцию отрастания нерва к обычной работе изоляции. Сварен, старший автор работы, опубликованной 30 августа в Journal of Neuroscience, изучал, как леммоциты, обнимающие аксоны в периферической нервной системе, преобразуются и начинают играть более активную и «умную» роль после повреждения.

Сварен и его аспирант Джозеф Ма сравнили активацию генов в шванновских клетках у мышей с неповрежденными или вырезанными аксонами. «Мы увидели набор скрытых генов, которые становятся активны, но только после травмы», говорит Сварен, «и они начинают программу, которая помещает леммоциты в режим восстановления, в котором они выполняют несколько видов работы, необходимых для отрастания аксона».

В этом режиме починке, но не в обычном, шванновские клетки начинают убираться по дому, помогая растворять миелин, который необходим для правильного функционирования, но по иронии судьбы мешает регенерации после травмы. «Если вы пригласите шванновские клетки на вечеринку, — говорит Сварен, — они начнут убирать бутылки и мыть посуду, пока все не уйдут».

Эта зачистка должна происходить в течение нескольких дней после повреждения, говорит Сварен. Шванновские клетки также выделяют сигналы, которые призывают кровяные клетки к помощи в очистке, намечают путь отращивания для аксона. Наконец, они возвращаются к роли изолятора, выращивая замену миелиновой оболочки на регенерированном аксоне.

Неожиданно было обнаружено, что переход леммоцитов в ремонтную форму не включал возврат к более примитивной форме, а скорее был основан на изменении в регуляции его генов.

«Почти все другие реакции нервной системы на травму, особенно в мозге, нуждаются в стволовых клетках, чтобы повторно отрастить клетки, но здесь нет никаких стволовых клеток», говорит Сварен. «Шванновские клетки перепрограммируют себя, чтобы запустить программу по ремонту травмы. Мы увидели в них активных игроков с двойной роль по защите и регенерации аксона, и мы исследуем, какие факторы определяют начало и эффективность программы».

После того, как человеческий геном был расшифрован, эпигенетика — изучение регуляции генов — переместилась на передний план. Мы поняли, что гены не имеют особого значения, если их не включить, и эти генетические переключатели играют важнейшую роль в том, почему клетки кожи не похожи на клетки нервов, а нервные клетки работают не так, как клетки крови.

В эпигенетике, как и в остальной биологии, процессы зачастую регулируются балансом между сигналами «стоять» и «идти». В случае с переходом шванновских клеток, Сварен и Ма идентифицировали систему под названием PRC2, которая по сути заглушает ремонтную программу. «Этот путь сводится к переключателю «вкл/выкл», который обычно выключен», говорит Сварен, «и мы хотим узнать, как включить его, чтобы начать процесс восстановления».

Природа системы глушителей генов высшего уровня предложил препараты, которые могли бы убрать метку заглушки с интересующих генов; Сварен говорит, что определил фермент, который может «убрать с тормоза» и намеренно активировать программу ремонта в случае необходимости ответа на травму.

Даже если испытания лекарств будут проходить успешно, потребуются годы экспериментов, прежде чем эту систему испытают на людях. Кроме того, до конца непонятно, насколько хорошо может регенерировать аксон. Едва ли эта одна дорожка приведет к панацее, но они надеются, что она станет важной.

В конечном счете это исследование могло бы открыть новую дверь к регенерации хотя бы одного ключевого сектора нервной системы.

18.09.2016 Источник: hi-news.ru

Ученые под руководством специалистов из Университета Брауна (США) предложили новую теорию старения организма.

Они провели эксперимент, который показал, что старение связано с миграцией транспозонов (участков ДНК, свободно перемещающихся внутри генома) из одной хромосомы в другие. Оказалось также, что эту миграцию, а значит и само старение, можно замедлить – с помощью голодания и активации работы определенных генов.

В настоящее время существует несколько теорий старения. Считается, что организм стареет из-за многих факторов. Например, с возрастом начинает портиться работа белков, митохондрий, накапливаются генетические повреждения, ломается механизм регуляции генов, портятся белки-гистоны, в которые «упакована» ДНК. Две самые популярные теория старения – это накопление в клетках активных форм кислорода и укорачивание длины теломер (повторов коротких последовательностей нуклеотидов на концах хромосом).

Похоже, что к этому списку добавилась еще одна теория – транспозонная теория старения.

Транспозоны – это участки ДНК, которые могут перемещаться внутри генома. Наподобие вирусов они внедряются в хозяйский геном и размножают себя в виде множества копий. Некоторые из них впоследствии начинают влиять на работу генов и иногда оказываются очень полезны. Но, если транпозоны покидают «свою» хромосому, это приводит к сбою работы клетки.

Известно, что по мере старения организма, транспозоны прорывают оболочку хроматина и выходят «блуждать» на свободу.

В своем нынешнем эксперименте на мушках дрозофилах ученые решили выяснить, как именно это происходит.

Под микроскопом они наблюдали за поведением транспозонов и увидели, как эти участки ДНК начинают «вытекать» из хроматина по мере старения дрозофил. Интересно, что скорость такого «вытекания» не была равномерной. «Дрозофилы достигали определенного возраста, а затем транспозоны начинали выходить из хроматина. Дальше скорость, с которой они покидали хромосомы, увеличивалась по экспоненте», - говорит ведущий автор исследования Джейсон Вуд (Jason Wood).

Интересными оказались результаты и второго эксперимента, когда с помощью генетических манипуляций удалось приостановить процесс старения, замедлив «вытекание» транспозонов из хромосомы.

Например, активация гена Su(var)3-9, который отвечает за упаковку хроматина (этот ген есть не только у дрозофил, но и у млекопитающих), приводила к тому, что у мушек увеличивалась продолжительность жизни на 20 дней (с 60 до 80).

Привела к успеху и другая манипуляция: активация гена Dicer-2, который способен ингибировать активность транспозонов и препятствует их свободному перемещению, также приводила к увеличению продолжительности жизни дрозофил.

Интересно, что, когда насекомых ограничивали в пище, это тоже приводило к увеличению продолжительности их жизни.

Конечно, добавляют авторы, вопросов здесь остается еще очень много.

«Существует множество механизмов, которые отвечают за старение. Мы будем работать над тем, чтобы понять полную картину этого процесса», - говорит Вуд.

Ученые уже получили грант в размере 9,5 миллионов $ для дальнейших исследований.

О результатах своей работы они сообщают в свежем выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.

13.09.2016 Источник: infox.ru

Таблетки плацебо, которые используются в качестве контроля при проведении испытаний

Американские власти ужесточили требования к обнародованию результатов клинических испытаний медикаментов. Соответствующий окончательный регламент выпустили совместно Минздрав США и Национальные институты здоровья (NIH). Пояснительная статья к ней опубликована в JAMA.

Клинические испытания лекарств, биомедицинской продукции и медтехники служат основанием для их последующего внедрения в клиническую практику. Они также являются тем этапом исследований, на котором экспериментальные медицинские технологии впервые применяются к людям. При этом исследователи зачастую не публикуют отрицательные или сомнительные результаты испытаний или не включают в отчет полную информацию о побочных эффектах. Согласно статистике, менее половины клинических испытаний, профинансированных NIH (основным их спонсором в США), публикуются в рецензируемых журналах в течение 30 месяцев после окончания. Около трети подобных исследований не имеют публикаций и через четыре года.

Согласно новому регламенту, все клинические испытания должны быть зарегистрированы в общедоступной официальной базе данных ClinicalTrials.gov не позже 21 дня с момента включения в них первого добровольца. Окончательные результаты требуется опубликовать в течение года после завершения исследования. Эти требования относятся к испытаниям лекарств (включая биопрепараты), медицинской техники и поведенческой терапии, в том числе к их первой фазе (в ней изучают переносимость терапии на небольшом числе добровольцев, чаще всего здоровых).

Помимо сроков регистрации и публикации регламент требует обнародовать полную информацию об этнической принадлежности участников и всех зарегистрированных побочных эффектах. На NIH возлагается задача не допускать проведения клинических испытаний, которые имеют сомнительный дизайн, дублируют предыдущие исследования, слишком сложны, включают недостаточное число участников или неоправданно дороги.

Также документ содержит требование о том, чтобы все исследователи, проводящие испытания, а также сотрудники NIH, одобряющие их проведение и оценивающие результаты, предварительно проходили обучение стандартам Надлежащей клинической практики (Good Clinical Practice, GCP). Рецензию каждого раздела итоговой публикации должны проводить соответствующие эксперты (клинические исследователи, фармакологи, медицинские статистики и другие). При проведении мультицентровых испытаний их суммарные результаты теперь обязан оценивать единый совет рецензентов (в настоящее время результаты каждой клиники может оценивать свой совет, что часто приводит к конфликтующим заключениям и замедляет процесс рецензирования).

Регламент также подразумевает создание единой электронной базы данных клинических испытаний, которая призвана облегчить и унифицировать контроль их проведения и публикации результатов.

Новые требования вступают в силу 18 января 2017 года. Их нарушителям грозят крупные штрафы.

Подобные нововведения могут увеличить стоимость проведения клинических исследований, которые и так весьма затратны. Только NIH ежегодно вкладывает в них более трех миллиардов долларов, финансирование поступает и от других государственных организаций и частных компаний. При этом на рынок в итоге поступает не более 10 процентов лекарств, для которых проводились клинические испытания.

17.09.2016 Источник: nplus1.ruОлег Лищук