Научные проблемы

Биологи Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили, что бактерии — часто рассматриваемые как скромные, простые существа — на самом деле устроены очень непросто. Для социального взаимодействия и общения друг с другом они используют аналогичные нейронным электрические сигнальные механизмы.

В исследовании, опубликованном в Nature, ученые детально описали способы, с помощью которых микроорганизмы Bacillius subtilis (сенные палочки), живущие в сообществах, общаются друг с другом посредством ионных каналов. Оказалось, что бактерии коммуницируют друг с другом, посылая электрические импульсы, подобно нейронам в головном мозге. Возглавил исследовательский проект Гюрол Сюель, профессор молекулярной биологии в Калифорнийском университете в Сан-Диего.

«Наше открытие меняет не только представление о бактериях, но и о мозге. Все наши чувства, поведенческие инстинкты и интеллект возникают с помощью электрических контактов между нейронами, которые соединены ионными каналами. Нам удалось обнаружить, что бактерии используют аналогичные ионные каналы для общения и устранения метаболического стресса. Эксперимент демонстрирует то, что неврологические расстройства, которые вызваны метаболическим стрессом, могут иметь древнее бактериальное происхождение. Таким образом, обнаруживается новый подход к лечению подобных расстройств», — прокомментировал свою работу Гюрол Сюель.

В своей работе Сюель и его коллеги изучали удаленные связи в пределах биопленки, которая представляет собой организованные сообщества, содержащие миллионы плотно упакованных бактериальных клеток. Эти сообщества бактерий могут образовывать тонкие поверхностные структуры, обладающие высокой устойчивостью к химикатам и антибиотикам. Примером такой структуры может служить хорошо известный многим чайный гриб.

Что было ранее?

Интерес ученых к изучению радиолокационных бактериальных сигналов дальнего действия «вырос» из предыдущего исследования. В июле этого года в том же Nature опубликовали результаты эксперимента, в ходе которого ученые установили, что биопленки способны урегулировать «социальные конфликты» в сообществах бактериальных клеток так же, как в человеческом обществе. Когда биопленки, состоящие из сотен тысяч бактериальных клеток сенных палочек, вырастали до определенного размера, то исследователи видели, что защитный наружный край пленки с неограниченным доступом к ней питательных веществ периодически переставал расти, чтобы позволить этим питательным веществам, в частности, глутамату, попасть в защищенный пленочный центр. Таким образом, центральные бактерии оставались в живых и могли устоять под воздействием химикатов и антибиотиков. Поняв, что для таких колебаний между бактериями на периферии и в центре требуется координация на расстоянии, исследователи пришли к пониманию, какой формы электрохимическая коммуникация требуется для этого. Хорошо известно, что глутамат — один из самых распространенных нейромедиаторов возбуждения. Поэтому ученые разработали специальный эксперимент, чтобы проверить свою гипотезу.

В чем заключался эксперимент?

Исследователи наблюдали осцилляции (колебания) мембранного потенциала, соответствующие колебаниям роста биопленки, и обнаружили, что ответственны за эти изменения мембранного потенциала именно ионные каналы. Дальнейшие эксперименты показали, что колебания передаются на расстоянии с помощью электрических сигналов через волны концентраций заряженных ионов калия в межклеточном бактериальном пространстве. Эти волны регулировали метаболическую активность бактерий как во внутренних, так и в наружных областях пленки. Когда ионные каналы, позволяющие калию перемещаться в клетку и из клетки, удалялись, биопленка теряла свою способность к проведению электрических импульсов. Бактерии или «микробный мозг»?

«Мы обнаружили, что бактерии используют ионные каналы, чтобы общаться друг с другом посредством электрических сигналов, как и нейроны в нашем мозге», — говорит Сюель. «Таким образом, сообщество бактерий внутри биопленок, по-видимому, функционирует во многом как «микробный мозг». Сюель добавил, что также механизм общения бактерий друг с другом очень похож на процесс в человеческом мозге, известный, как распространение кортикальной депрессии — один из механизмов развития мигрени и судорог.

«Что интересно, и мигрени у человека, и обнаруженные нами электрические коммуникации в бактериях, запускаются метаболическим стрессом», — замечает ученый. — «Это говорит о том, что многие лекарства, изначально разработанные для того, чтобы бороться с эпилепсией и мигренью, также могут быть эффективны для борьбы с бактериальной биопленкой, которая стала распространенной проблемой в здравоохранении всего мира в силу ее устойчивости к антибиотикам».

Источник: http://www.neurotechnologies.ru/articles?id=31

Биолог Антон Буздин о сигнальных путях, выборе методов лечения рака и выводе технологий на медицинский рынок

В проекте ScienceHub ученые в своих лабораториях рассказывают о текущих исследованиях, новых технологиях и перспективных направлениях развития науки. В этом выпуске мы побеседовали с заведующим лабораторией биоинформатики Центра детской гематологии, онкологии и иммунологии им. Дмитрия Рогачева, доктором биологических наук Антоном Буздиным о биомедицинских задачах биоинформатики, выборе правильного метода лечения рака и роли сигнальных путей в клетке человека.

Биоинформатика — это метод, инструмент, который можно применить для решения совершенно разных задач. Можно исследовать разнообразие видов лишайников, а можно моделировать развитие болезни у человека, или разрабатывать новое лекарство, или моделировать фундаментальные процессы, связанные с жизнью бактерий. Все, что исследует биология, можно исследовать при помощи биоинформатики. Насущная необходимость в биоинформатике появляется, как только объем получаемых данных становится большим. Настолько большим, что вручную его обработать нельзя. Тут очень важно, чтобы было понимание задачи. Задачи, как правило, биологические или биомедицинские, как в нашем центре. Мы занимаемся 95% времени раковыми опухолями человека, преимущественно детскими.

Важнейшие процессы внутри клетки организованы из блоков, которые можно дробить на более мелкие части, во взаимодействии между генными продуктами в клетке можно опускаться на сколь угодно низкий уровень. Но, к сожалению, на уровне сегодняшних технологий исследования на очень детальном уровне не позволяют ответить фактически ни на один вопрос функциональной генетики. Делать выводы можно, исходя из поведения не единичных генных продуктов, а их конгломератов. Конгломераты могут быть самыми разными. На уровне регуляции важнейших клеточных процессов это так называемые сигнальные пути. Сигнальный путь — это совокупность узлов внутри клетки, по которым передается информация, ведущая к активизации какого-то процесса. Узлы — это продукты генов, это, как правило, белки, которые передают информацию от узла к узлу. И акт передачи этой информации — единица активации сигнального пути.

Для рака молочной железы сегодня существует множество альтернативных методов лечения. При морфологическом сходстве опухолей, когда они выглядят одинаково на гистологических аппаратах у разных пациентов, эффективность лечения получается совершенно разная. Наша задача была понять, какие на молекулярном уровне факторы отвечают за то, что опухоли по-разному лечатся, разными курсами терапии. Проведя сложный анализ как баз данных, так и собственных экспериментальных образцов, мы определили сигнальные пути, которые являются маркерами, предикторами, предсказателями поведения опухолевой ткани с точки зрения ответа на тот или иной вид терапии. Комбинация таких сигнальных путей позволила нам сделать диагностическую систему, которая позволяет эффективно предсказать ответ пациента на 15 из 24 возможных одобренных видов лечения.

Источник: http://postnauka.ru/tv/36563

Физик Дмитрий Паращук об органических солнечных батареях, одноразовой электронике и распределенных источниках света

В проекте ScienceHub ученые в своих лабораториях рассказывают о текущих исследованиях, новых технологиях и перспективных направлениях развития науки. В этом выпуске мы побеседовали с заведующим лабораторией органической электроники МГУ им. М. В. Ломоносова, доктором физико-математических наук Дмитрием Паращуком о загадках сверхпроводимости органических материалов, перспективах светоизлучающих устройств из органических материалов и задачах фотовольтаики.

Органическая электроника — это сравнительно молодое направление научных исследований и разработок, возникшее около 15–20 лет назад. Цель этого направления — разработка электронных устройств на органических материалах. Органические материалы обладают рядом преимуществ по сравнению с неорганическими. Например, основной материал электроники сегодня — это кремний. А органические материалы могут быть легкими, тонкими, гибкими, полупрозрачными, могут иметь привлекательные свойства полимеров. Сегодня полимеры уже прочно вошли в нашу жизнь. И мы используем прежде всего их механические свойства, но никак не электронные. Идея органической электроники — построить электронику на полупроводниковых органических материалах. Много лет назад было сложно поверить, что полимерная пленка может быть полупроводником.

Основные направления органической электроники — это создание органических солнечных батарей. Батареи на кремнии хорошие, долговечные, эффективные, но у них есть одна проблема — высокая стоимость, которая не позволяет реализовать возможности солнечной энергетики в полной мере, то есть покрывать большие площади и вносить весомый вклад в энергетический баланс на Земле. И если получить дешевый материал, который производился бы в виде тонких пленок по технологии roll-to-roll (рулонной технологии), и если бы эта пленка обладала электронными свойствами, например работающая солнечная батарея, то это способствовало бы развитию фотовольтаики.

В истории органической электроники можно выделить три узловые точки, которые связаны с демонстрацией органических приборов или устройств. Первый тип устройств — это солнечные батареи на органических пленках. Второй тип — светоизлучающие устройства. Это в некотором смысле обратные устройства. В солнечных батареях из света получают электричество. В светоизлучающем устройстве, например светодиоде, наоборот, из электричества получают свет. И третий тип, это ключевое устройство для электроники — транзистор. В данном случае речь идет об органическом полевом транзисторе.

Источник: http://postnauka.ru/tv/36934

Нейрофизиолог Михаил Бурцев о нейрональных культурах, их обучении и создании искусственного интеллекта

В проекте ScienceHub главный редактор проекта ПостНаука Ивар Максутов беседует с учеными в их лабораториях о новых технологиях, перспективах исследований и новых профессиях, которые появятся благодаря научным открытиям.

ПостНаука побывала в лаборатории нейроинтеллекта и нейроморфных систем НИЦ «Курчатовский Институт» и побеседовала с ее заведующим Михаилом Бурцевым, чтобы разобраться, что такое нейроинтеллектуальные системы, как научить клетки управлять реальным роботом и какие специалисты в будущем будут исследовать человеческий мозг.

Наша лаборатория занимается построением нейроинтеллектуальных систем. Это направление возникло внутри исследований по созданию искусственного интеллекта. Оно связано с тем, что в исследованиях искусственного интеллекта существует два альтернативных подхода к тому, как этот искусственный интеллект создавать. Один подход идет от психологии и нашего представления о том, как человек рассуждает и думает. Мы пытаемся в компьютерной программе воспроизвести те интеллектуальные способности человека, которые мы извлекаем из психологии. Второй подход идет снизу. Так как понятно, что наш интеллект основан на взаимодействии и совместной работе многих миллиардов и миллионов клеток в головном мозге, то мы можем попытаться моделировать эти нервные клетки и строить из них искусственные нейронные сети, которые будут выполнять интеллектуальные задачи.

Очевидно, если мы хотим строить интеллектуальную систему и понять, как она решает какую-то задачу, то мы ничего не добьемся, просто посадив клетки в чашку. Там есть какая-то активность, не более того. Это очень интересно. Если посмотреть в микроскоп на высаженные в чашку клетки, они все лежат сначала отдельными кружочками. Это диссоциированные культуры. Культуры бывают двух видов: органотипические и диссоциированные. Органотипические — когда мы у взрослого животного вырезаем кусочек мозга, кладем, и клетки сохраняют свою привязку друг к другу.

Первым приложением исследования нейроинтеллектуальных систем являются фармакология и медицина. Второе приложение — это попытка построения интеллектуальных систем. Это основное направление деятельности нашей лаборатории. Первый слой этого направления деятельности связан с тем, чтобы научить клетки управлять реальным роботом. Мы будем запускать робота под воду, в вулкан или мусор собирать с улицы, решим миграционную проблему. Но пока непонятно, как это реализовать с точки зрения технологий. Во-первых, нам нужно все время поддерживать стерильные условия. Во-вторых, постоянно менять питательные вещества. В-третьих, предотвратить тряску и стуки. В-четвертых, то, чему мы сейчас можем научить культуру, — это очень ограниченные вещи. Мы не знаем, насколько мы можем дальше продвинуться.

Источник: http://postnauka.ru/tv/19249