Scientific Problems
Биологи Калифорнийского университета в
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
«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,
«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
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
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.
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
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
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.
Источник: http://postnauka.ru/tv/19249