1 2 n

Физики подтвердили наличие аномалии в электромагнитном отклике протона

Если я верно улавливаю суть то это довольно крутое открытие которое подтверждает возможность квантовых энергетических уровней в протоне (раньше про квантовые уровни энергии/орбитали говорили для электронов, теперь официально и для протонов), перспективы этого открытия лично мне представить пока сложновато (протонный лазер?,  холодный термоядерный синтез?, просто узнаем что у протона внутри?) но очень интересно.

Большая группа физиков уточнила зависимость электрической и магнитной поляризуемости протона от квадрата переданного 4-импульса. Для этого они исследовали виртуальное комптоновского рассеяние, обстреливая электронами мишень из жидкого водорода. Результаты эксперимента позволили подтвердить существование аномалии в окрестности 0,33 квадратных гигаэлектронвольта, что противоречит существующим теориям ядерных взаимодействий. Исследование опубликовано в Nature.

Протон имеет положительный заряд, равный элементарному, однако, в отличие от электрона, этот заряд складывается из зарядов частиц, входящих в его состав (партонов). Среди них могут быть и отрицательно заряженные партоны: валентный d-кварк, а также бесчисленные отрицательные морские кварки, рождающиеся в парах частица-античастица. Это означает, что внешнее электрическое поле должно смещать части протона относительно друг друга, что физики характеризуют с помощью электрической поляризуемости (также еще бывает и магнитная поляризуемость).

Величина этого параметра напрямую зависит от жесткости протона, а потому несет важную информацию о взаимодействиях внутри него. В экспериментах по рассеянию электронов на протонах поляризуемости дают различный вклад в его исход в зависимости от квадрата переданного от частицы системе 4-импульса. Измеряя эту зависимость, Роше с коллегами еще в 2000 году обнаружили аномальный пик при 0,33 квадратных гигаэлектронвольта, который противоречит теоретическим соображениям, предсказывающим монотонный спад к этой области, хотя точность эксперимента было не очень большой. Проблема усугубляется тем, что такие переданные импульсы — это область, в которой плохо работают приближенные методы квантовой хромодинамики — теории кварк-глюонных взаимодействий. По этой причине крайне важно иметь высокоточные данные об аномалии, чтобы улучшить протонные модели.

Ценную работу в этом направлении проделала большая группа физиков из Армении, Индии, Канады и США под руководством Николаоса Спарвериса (Nikolaos Sparveris) из Университета Темпл. Они провели измерение сечение виртуального комптоновского рассеяния, обстреливая протоны электронами в зале C лаборатории Джефферсона. За счет нескольких технических улучшений, ученые смогли добиться большей точности, нежели была у их предшественников. В результате группа подтвердила существование аномалии.

Поляризуемость атомов и молекул физики умеют измерять сравнительно легко. Тот же параметр для протонов измерять гораздо сложнее в силу иных физических масштабов. Некоторые выводы об электрической и магнитной поляризуемости можно сделать, облучая протоны электромагнитным излучением. В этом случае наблюдается реальное рассеяние Комптона, которое сопровождается изменение частоты фотона. Скалярные компоненты нужных величин (то есть поляризуемости при нулевом квадрате переданного 4-импульса) появляются во вкладах второго порядка в соответствующий гамильтониан взаимодействия.

Для исследования же зависимости поляризуемостей от различных переданных 4-импульсов, физикам нужны процессы с нарушением связи энергия-импульс, то есть вне массовой поверхности. Такое происходит при взаимодействии с виртуальными частицами. Поэтому полностью поляризуемости проявляют себя при измерении виртуального комптоновского рассеяния, в котором падающий фотон рождается в акте взаимодействия электрона с протоном как частица-переносчик.

Для исследования такого рассеяния физики направляли пучок электронов с энергией 4,56 гигаэлектронвольт на мишень из жидкого водорода толщиной 10 сантиметров. Спектрометры в экспериментальной камере фиксировали энергии и импульсы рассеявшихся электронов и протонов отдачи. По совпадениям от них можно было восстановить всю кинематику рассеяния. Особенностью проделанного эксперимента стало то, что его авторы проводили измерения вблизи нуклонного резонанса, где поляризуемости проявляются сильнее. Кроме того, физики концентрировались на азимутально-симметричных рассеяниях фотона, сравнения которых позволили исключить ряд систематических факторов.

Физики обработали данные для трех переданных 4-импульсов: 0,28, 0,33 и 0,40 квадратных гигаэлектронвольта. Они подгоняли измеренные сечения под модель на основе дисперсионных соотношений, куда электрическая и магнитная поляризуемости входят в качестве свободных параметров, в то время как протонные электромагнитные форм-факторы считались известными и брались учеными из литературы. Строя зависимость поляризуемостей от переданных 4-импульсов, авторы подтвердили, что для ее электрической части на 0,33 квадратных гигаэлектронвольта присутствует пик, который, однако, примерно в два раза меньше, чем тот, что наблюдался ранее.

Исходя из модели, авторы оценили средний квадрат радиуса электрически поляризованного протона, который оказался равен 1,36 ± 0,29 квадратных фемтометра. Это почти в два раза больше, чем средний квадрат радиуса неполяризованного протона, равный примерно 0,7 квадратных фемтометра. Физики связывают такое изменение главным образом с деформацией мезонного облака в протоне. Средний квадрат радиуса магнитно поляризованного протона оказался равен 0,63 ± 0,31 квадратных фемтометра, что свидетельствует о компенсации диа- и парамагнитных вкладов в протоне.

полностью на n+1

Уже не те. Почему помидоры потеряли вкус и как его вернуть

Интересная обзорная статья про помидорчики на n+1

ссылка на гифку

«Помидоры у нас круглый год пластиковые на вкус», — сетует обитательница женского форума. Активная участница форума агрономов-любителей жалуется на голландский сорт томатов «Лоджейн»: «Кирпич, а не помидор». Авторитетного консенсуса, какие же томаты выискивать на рынках и прилавках магазинов или какие сорта сажать на своих участках, будто бы нет. В редакции N + 1 тоже считают, что купить сочный, вкусный и ароматный помидор — небывалая удача. Разбираемся с потерей помидорного запаха и вкуса, читая научную периодику. 

Негодование потребителей не спишешь ни на какие психологические эффекты и когнитивные искажения из серии «раньше было лучше»: ученые подтверждают, что томаты уже не те, что были раньше.

В конце 90-х норвежские маркетологи отобрали все найденные ими в супермаркетах сорта и разновидности томатов, а затем с помощью добровольцев-дегустаторов оценили их вкусовые качества (такие исследования носят звучное имя sensory studies). Потребителям понравились те сорта, что содержали много сахаров. На следующем этапе ученые проанализировали спрос и выяснили, что люди отдают предпочтение твердым плодам — вкус которых далеко от того, который выбирали дегустаторы в первом исследовании. Такие плоды хорошо годятся для фаршировки, засола и прочей обработки.

Затем исследователи предложили производителям томатов и торговым сетям маркировать свой товар, чтобы покупатели понимали, твердые или сахаристые покупают. В результате этого эксперимента потребление томатов в Норвегии увеличилось с примерно пяти до 15-20 килограммов на душу населения в год — оказывается, потребители просто не могли разобраться, какие плоды вкусные.

***

Томат родом из Латинской Америки. В Европу его привезли испанцы в XVI веке. Слово же «томат» происходит от «томатль», которым астеки обозначали и растение, и его плоды.

Происхождение же русского слова «помидор» имеет несколько версий. По одной из них, это название восходит к итальянскому «pomo d’oro», что означает «золотое яблоко». По другой — к французскому «pomme d’amour» (яблоко любви), которое ссылается на репутацию помидоров, как афродизиаков, в эпоху барокко. В России до XVIII века к помидорам относились настороженно: слишком уж их листья похожи на ядовитую беладонну, европейскую представительницу того же семейства пасленовых, которую в народе называли сонной одурью.

***

Изображение томата Solanum lycopersicum из ботанического труда начала XIX века J.T. Descourtilz

Но пример норвежской реформы не отвечает на вопрос, почему помидоры лишились вкуса. Этим в середине 2010-х занялся крупный международный коллектив, куда вошли научные группы из Китая, США, Испании и Израиля. Дизайн их исследования напоминал сценарий телепередачи «Контрольная закупка»: народная дегустация, лабораторные тесты, сведение данных.

Исследователи выбрали 160 распространенных сортов — как старых сортов, так и недавно выведенных селекционерами — и предоставили их на дегустацию 101 испытуемому. Затем расширили число анализируемых сортов до 398, взяв данные предыдущих исследований. В финальную выборку вошли «реликтовые» помидоры (так называемые heirloom plants: овощи и фрукты, которые выращиваются традиционным, а не промышленным способом, размножаются опылением и так далее — прим. N + 1), а также дикие томаты и их ближайшие некультивируемые родственники.

Другая часть команды в это время занималась химическим анализом плодов. Они выявили более 400 органических соединений, входящих в их состав и измерили концентрации каждого из них в каждом исследуемом сорте.

Дальше они стали искать корреляции между концентрациями соединений в томатах и тем, как их вкус оценили дегустаторы. Выяснилось, что 33 молекулы связаны с оценками вкусовых качеств томатов, 37 — аромата, а еще 28 веществ ассоциированы одновременно со вкусом и запахом. В число особо значимых веществ попали глюкоза, фруктоза, компоненты растворимой клетчатки, лимонная и яблочная кислоты, геранилацетат, сулкатон (6-метил-5-гептен-2-он) и гваякол (ароматическое вещество из класса фенолов с «дымным» запахом; им пахнет, например, пряный ром). Причем их концентрации в старых коллекционных сортах оказалось существенно выше, чем в современных.

***

***

На следующем этапе ученые стали искать гены, ответственные за выработку вкусных и пахучих молекул. Сначала они провели полногеномное секвенирование сортов — то есть считали всю генетическую информацию. Затем с помощью полногеномного поиска ассоциаций выявили конкретные генетические последовательности, связанные этими молекулами, и их положение в геноме.Оказалось, что гены 13-ти искомых веществ попросту отсутствовали в тех современных сортах, качества которых дегустаторы оценили невысоко. Часть других важных для вкуса и запаха генов в них все же присутствовала, но не в тех локусах (не на тех же местах), что в более привлекательных коллекционных сортах. То есть на вкусовых качествах сказывается не только наличие генов, но и их положение в геноме.

Как так получилось

«Помидоры пластиковые из-за генной модификации», — пишет обитатель форума айтишников под ником Курцвейл. Он отчасти прав: авторы вышеописанного исследования подчеркивают, что вкуса томаты лишились не случайно, а из-за селекции, что, по сути, тоже генная модификация. Только безо всяких манипуляций с геномом при помощи молекулярных инструментов, которые мы освоили к началу XXI века.

Селекционеры, естественно, не ставили перед собой цели получить невкусные помидоры. Просто у них были другие приоритеты: высокая урожайность, устойчивость к холодам и засухам. Или вообще логистические «добродетели»: долгий срок хранения и плоды, которые легче переносят транспортировку.

«После Второй мировой войны компании-производители семян просто беспокоились о том, как накормить как можно больше людей», — отмечает один из авторов статьи, профессор Института молекулярной и клеточной биологии Валенсии Антонио Гранелл в комментарии для The Guardian.

Ко второй половине XX века аграрии поняли, что на коммерческий успех овощей и фруктов влияет их красота — и вплотную занялись тем, чтобы те выглядели симметрично, привлекательно и хорошо сохраняли свою форму. Но при этом им также нужно было сохранить их «транспортабельность», которая намного выше у неспелых плодов. Таким образом, аромат и вкус помидоры потеряли просто потому, что выпали из внимания компаний-производителей. Супермаркеты заполнились сортами, которые хорошо переносят длительную транспортировку и при этом вкусно выглядят. Иными словами, селекция была направлена на то, чтобы плоды становились красными раньше, чем по-настоящему созреют.

Так, например, китайские и испанские биологи выявили молекулярный механизм созревания плодов. Оказалось, что все вкусные и пахучие вещества, равно как и красные пигменты, образуются в результате каскада биохимических реакций в пластидах клеток плода. Этот каскад называется хлоропласт-ассоциированной протеолитической деградацией (chloroplast-associated protein degradation, CHLORAD). Одна из ключевых реакций этого каскада — убиквитинирование белков хлоро- и хромопластов и белков протеосом с помощью фермента убиквитинлигазы Е3 (вариант SP1 или его гомолога SPL2).

***

Зачем плодам вызревать

Все крупные и мясистые плоды рассчитаны на то, что их съест какое-нибудь животное. За время переваривания это животное уйдет, убежит или вовсе улетит куда-нибудь далеко от материнского растения, а потом с экскрементами освободит семена на волю. Пока плод незрел, семена не готовы еще не готовы к такому приключению: у них могли не сформироваться подобающе прочные покровы, достаточный для старта запас питательный веществ или не до конца развиться зародыш. Поэтому незрелые плоды невкусные, невзрачные или даже ядовитые. Когда семена готовы, растение всячески привлекает к себе внимание потенциальных союзников: ярким ли цветом, вкусным ли ароматом, сочной и вкусной ли плотью — или всем и сразу.

Когда помидоры созревают, их маленькие зеленые плоды краснеют и увеличиваются, становятся сочными, сладкими, ароматными — и при этом мягкими. Включение «генов созревания» и выключение генов «незрелости» в томатах, как и у большинства других растений, в основном вызывает этилен (поэтому иногда перед тем, как выложить еще не созревшие на самом деле томаты на прилавок, их поливают этиленом, чтобы те подрумянились). Гены синтеза этилена (например, ACO1, ACS2, ACS4, NR) активируются, опять же, в плодах при созревании, а этилен затем действует как транскрипционный фактор других генов «созревания», и вся система раскручивается, как маховик.Убиквитинлигазы Е3 контролируют эти процессы. Они связываются с белками хлоропластов (с которыми связана зеленая окраска плодов), ускоряя их трансформацию в хромопласты (с увеличением числа которых плод «наливается» цветом). Лигазы способствуют преобразованию клеточных стенок и запускают экспрессию генов, «спавших» в зеленых плодах. Они же и раскручивают маховик синтеза этилена. Таким образом, эти ферменты прямо или косвенно регулируют все аспекты созревания плода: покраснение, умягчение, появление привлекательного вкуса и аромата. Поэтому если заставить ген, кодирующий лигазу SP1, считываться чаще, это приведет к увеличению числа этих ферментов — и заставит плод стремительнее созревать. Подавление же генов синтеза SP1 и SPL2 растягивает во времени процесс созревания. Хотя при этом сам плод во вкусе, запахе и цвете зрелых плодов не потеряет — а значит, можно будет отправить еще не созревший плод в долгую дорогу, чтобы он «дошел» как раз к моменту, как окажется на прилавке.

Это значит, что если контролировать эти молекулярные механизмы, можно получить томаты, которые будут одновременно и удобными для тех, кто ими торгует, и вкусными — то есть привлекательными для покупателей.

Сравнение того, как вызревают: (WT) контрольные томаты, (slSP1-KD) томаты с выключенным геном синтеза убиквитинлигазы Е3 SP1, (slSP1-OX) томаты с увеличенной транскрипцией Е3 SP1, (slSPL2-KD) выключенным геном синтеза варианта SPL2. Выключение генов убиквитинлигаз растягивает все аспекты созревания плодов, а их оверэкспрессия — ускоряет / Qihua Ling et al. / Nature Plants, 2021

Два года назад другая же международная команда, куда вошли некоторые авторы исследования связи вкуса томатов с концентрацией в них специфических соединений, сфокусировалась больше на генах, нежели каскадах биохимических реакций. На основе данных о генетических последовательностях 725 разных сортов и ближайших родственников томата они собрали референсный «пангеном», включающий все возможные кодирующие последовательности.

С помощью алгоритма вычисления присутствующих и отсутствующих вариаций (presence-absence variation analysis) ученые выяснили, что современные томаты в ходе одомашнивания и селекции потеряли 4873 гена. Это позволило им прижиться в разном климате и стать устойчивее к вредителям и болезням — но вместе с тем не всегда позитивно повлияло и на их вкус.

Изменение числа вариантов генов в «пангеноме» по мере увеличения числа исследованных сортов. Зеленая кривая отображает, сколько новых вариантов в «пангеном» дает каждый новый проаналированный генетический вариант. На графике видно, что обогащение «пангенома» нелинейно зависит от увеличения выборки, и что выборка более чем достаточна, ибо кривые вышли на плато / Lei Gao et al. / Nature Genetics, 2019

Продолжив эксперименты, ученые получили трансгенные томаты-черри с вкусными и ароматными плодами. Правда, в чисто научных целях. Но авторы работают утверждают, что их результаты могут взять на вооружение производители семян.

С помидорами работали и другие генные инженеры. Например, одна научная группа внедрила в них гены черники — и получила плоды фиолетово-черного цвета. Ещё одна команда исследователей создала другие помидоры с запахом, напоминающим корицу. Его обуславливает наличие фенилпропаноидов. Эти вещества более знамениты свойством снижать риск развития болезни Альцгеймера. Третьи нашли гены, работая с повторностью которых, можно удлинять или укорачивать плоды томата.

Долгие века селекции подарили нам огромное разнообразие помидоров. Одни — мясистые, сладкие и ароматные, но хранятся не дольше недели и не выносят длительной транспортировки. Другие вызревают на вечной мерзлоте, но жестки и безвкусны. Есть третьи, четвертые, пятые, десятые — и все со своими «но». Генная инженерия способна обратить эти «но» в «а еще и». Правда, их создание, выращивание, применение и продажа в большинстве стран строго регламентированы и ограничены. Так что томаты пока ждут своей очереди вместе с картофелем и хлебом.

Российский производитель майонеза испытал аэротакси собственной разработки

ссылка на гифку

Компания «Эфко», известная майонезом, подсолнечным маслом и кетчупом «Слобода», показала испытания прототипа аэротакси Hi-Fly Taxi в беспилотном режиме. В конце следующего года Hi-Fly Taxi будет летать по выделенным маршрутам в Белгородской области.

Аэротакси — это собирательный термин для небольших электрических летательных аппаратов с вертикальным взлетом и посадкой, способных перевозить несколько человек. Их разработкой сегодня занимается целый ряд компаний от стартапов, как Vertical Aerospace, до авиастроительных концернов, как Airbus.

Инновационный центр «Бирюч» компании «Эфко» занимается разработкой Hi-Fly Taxi с прошлого декабря. Аэротакси представляет собой мультикоптер с 16 электрическими двигателями, расположенными в двух плоскостях. Разработчики говорят, что такая конструкция позволяет достичь оптимального соотношения между маневренностью и устойчивостью.

Hi-Fly Taxi семь метров в длину и два — в высоту. Дальность полета аэротакси оценивается в 150 километров, скорость — в 150 километров в час, а грузоподъемность — в 200 килограмм.

«Эфко» 10 декабря показала летные испытания прототипа Hi-Fly Taxi. Первый успешный полет аппарата прошел в октябре 2021 года в беспилотном режиме. До этого он уже поднимался в воздух, но в ручном режиме и не всегда удачно. Например, в сентябре во время тестирования без противопереворотной системы у аэротакси отказал компас и произошла небольшая авария.

Пока прототип Hi-Fly Taxi может пролетать до 15 километров и перевозить грузы до 120 килограмм. Он оснащен литий-ионными аккумуляторами. Разработчики планируют, что в следующем году аэротакси начнет летать по выделенным маршрутам в Белгородской области на расстояние до 50 километров.

Кроме аэротакси «Эфко» создает грузовой беспилотник Hi-Fly Cargo и планирует запустить их в серийное производство к 2024 году. Предполагается, что к этому моменту Hi-Fly Cargo сможет летать на расстояния до 600 километров со скоростью до 300 километров в час, перевозить до 220 килограмм. Продолжительность полета беспилотника должна составить 180 минут. Первый перелет Hi-Fly Cargo из Алексеевки в Белгород запланирован на 2028 год.

Hi-Fly Taxi — не первый российский проект аэротакси. Ранее мы писали про прототип аэротакси компании «Бартини», который во время испытаний замерз и упал в сугроб.

Терапия зла. Как технологии лечения митохондриальных болезней 24 года идут к легализации.

Torsten Wittmann, University of California, San Francisco / NIH / flickr CC BY-NC 2.0

Некоторые генетические болезни мы могли бы лечить еще 20 лет назад — методом пересадки митохондрий. Но реальные попытки его применить закончились обвинениями ученых в евгенике, скандалами и запретами, а митохондриальные болезни так и остались неизлечимыми. С тех пор биотехнология шагнула вперед, у нас появились системы редактирования генома и первые пациенты, чьи гены удалось переписать. Время совершить очередной подход к митохондриальным генам. Сможем ли мы на этот раз обойтись без скандалов?

Первые шаги

Когда в августе 1996 года врачи из клиники в Нью-Джерси ввели сперматозоиды мистера Отта в 14 яйцеклеток миссис Отт, никто еще не знал, какая из них превратится в маленькую Эмму и чем закончится эта история для пациентов с митохондриальными болезнями. Тогда супружеская пара Оттов готова была на любые риски после 6,5 лет тщетных попыток зачать ребенка, а доктор Жак Коэн надеялся на успех своей новой методики. Суть ее была проста: в процессе искусственного оплодотворения в яйцеклетку матери врачи ввели не только сперматозоид отца, но и десятую часть цитоплазмы из яйцеклетки молодой женщины-донора.

Из 14 яйцеклеток, оплодотворенных таким образом, шесть начали развиваться нормально, четыре подсадили в организм матери, одна прижилась, выросла в Эмму Отт и родилась в срок без осложнений. Коэн с коллегами отчитались в журнале The Lancet о том, что им успешно удалось восстановить фертильность 39-летней женщины, предыдущие зародыши которой развивались неправильно. Нью-Йоркские газеты вовсю рекламировали их успехи. Десятки бесплодных супружеских пар обращались в клинику за помощью, и за следующие четыре года на свет появились еще 16 подтверждений того, что методика работает.

А потом грянул гром.

Коэн и коллеги продолжали совершенствовать свою методику и следить за результатами. В 2000 году они обнаружили, что в разных зародышевых тканях и клетках новорожденных, которые появились на свет в результате пересадки цитоплазмы, остались следы донорских генов.

Эмбрионы на третий день после оплодотворения. (a) яйцеклетка матери + сперматозоид отца; (b) яйцеклетка матери + сперматозоид донора; (c) яйцеклетка донора + сперматозоид отца, (d) яйцеклетка матери + сперматозоид отца и инъекция ооплазмы донора

Carol Brenner et al. / Fertility and Sterility, 2000

Возможно, это наблюдение и прошло бы незаметно, если бы в 2001 году они не опубликовали еще один короткий отчет, посвященный долгосрочным наблюдениям за детьми. На этот раз они нашли следы донорских генов в крови и слизистой щеки у двух годовалых младенцев и честно объявили: «это первый случай наследуемой генетической модификации» — чем и загубили все дело.

Фраза продолжалась словами «... которая привела к рождению нормальных здоровых детей», но это уже никого не волновало.

СМИ бросились обсуждать «первых в мире ГМ-детей» и говорить о возвращении евгеники. FDA, американский аналог Росздравнадзора, потребовало от репродуктивных клиник считать использование донорских яйцеклеток экспериментальной процедурой и получать на них специальное разрешение. Возведя «бумажную стену», бюрократия обуздала технологию и фактически похоронила спорный метод.

Чужой внутри

Сам же Коэн не ставил своей целью создание генетически модифицированных людей и даже не признавал свой метод модификацией — все гены ребенка остались на месте и никак не изменились. Он просто считал, что причина бесплодия кроется в постаревших яйцеклетках женщин и искал способ их омолодить. Более того, врачи из его команды специально следили, чтобы в микрокапилляр (с помощью которого в яйцеклетку вводили сперматозоид и донорскую цитоплазму) не попали чужие хромосомы — от донора им нужна была только цитоплазма, и ее забирали с той стороны яйцеклетки, где не было генетического материала. С этой частью процедуры они справились успешно: в крови детей никаких чужеродных ядерных генов впоследствии не обнаружили.

Инъекция сперматозоида в яйцеклетку

СС0

Однако вместе с донорской цитоплазмой в зародыш могли попасть и другие части яйцеклетки, в том числе, митохондрии. Сами по себе они могут быть даже полезны: добавочные митохондрии могут снабдить развивающуюся яйцеклетку дополнительной энергией.

У митохондрий внутри есть собственный геном. Именно его и нашел Коэн в клетках детей, что побудило его использовать столь напугавшее приличную общественность словосочетание «генетическая модификация».

Гетероплазмия — соседство нескольких типов митохондрий в одной клетке — сама по себе не влияет на внутриклеточную жизнь. Более того, она естественным образом появляется в стареющих клетках человека, по мере того как митохондрии накапливают мутации. Поэтому нет никаких причин думать, что чужая митохондриальная ДНК могла повлиять на судьбу и развитие детей. В 2016 году Коэн и коллеги отчитались о здоровье уже выросших «экспериментов»: никаких серьезных аномалий развития, никаких тяжелых болезней, хорошие оценки в школе.

(a) Яйцеклетки через 10 минут после инъекции донорской ооплазмы (красная) (b) Трипронуклеарные зиготы через 24 часа после инъекции донорской ооплазмы. По мнению ученых, красные точки это именно митохондрии

Jason A. Barritt et al. / Human Reproduction, 2001

Но научное сообщество волновало не только здоровье детей. Гораздо более важным аргументом стал тот факт, что часть этих детей — в том числе и «первенец» Коэна Эмма Отт — девочки, а значит, могут передать свой необычный митохондриальный состав по наследству, положив начало клану «неестественно» гетероплазмичных людей.

С тех пор появились свидетельства того, что гетероплазмия в клеточных культурах бывает обратимой, и пришлые митохондрии на чужбине постепенно вымирают. Но многие участники исследований Коэна отказались проверять кровь своих взрослых детей на гетероплазмию, и мы едва ли теперь узнаем, насколько состоятельны были опасения FDA. Запрет регулятора остается в силе по сей день, и ученым пришлось искать обходные пути к лечению бесплодия.

Вторая мать

Коэн так и не смог сказать наверняка, какая именно часть донорской цитоплазмы если не омолодила яйцеклетки, то хотя бы помогла женщинам забеременеть. Это могли быть не только органеллы, но и какие-нибудь отдельные молекулы из молодой цитоплазмы, например, белки или информационные РНК. Тем не менее, работа ученого создала важный прецедент: для создания ребенка можно использовать донорский материал третьего человека. И как только его эксперименты заглохли под пристальным взглядом FDA, дальнейший прогресс переехал в Китай.

Вскоре после того, как FDA изменили правила игры, конкуренты Коэна перенесли свои эксперименты из Нью-Йорка в Гуанчжоу, где никаких запретов еще не существовало. Там молодому эмбриологу Джону Чжану пришло в голову сделать все наоборот: если можно пересадить участок цитоплазмы из молодой яйцеклетки в старую, то почему бы не попробовать сделать наоборот — пересадить ядро старой яйцеклетки в молодую? Технологию переноса ядер (позже ее назвали переносом пронуклеусов) он опробовал в 2003-м: оплодотворил старую (материнскую) и молодую (донорскую) яйцеклетки, затем из второй удалил ядро и пересадил туда ядро первой.

(a) Перенос веретена (мексиканский эксперимент Чжана) (b) Перенос пронуклеусов (китайский эксперимент Чжана))

Steve Connor / Nature, 2017

Насколько эксперимент оказался успешным, сказать сложно. В культуре начали развиваться сразу пять эмбрионов, которые и перенесли пациентке. Из них прижились сразу три. Ученые решили, что это опасно, и вызвали аборт одного из зародышей, а остальные два позже погибли сами. Поэтому Чжан, в отличие от Коэна, не смог доказать, что его методика безопасна. Эксперименты снова запретили — на этот раз уже китайские регуляторные органы, мотивируя это подозрительной близостью исследований к попыткам клонировать человека (а вот оно в Китае запрещено).

Но история, естественно, на этом не закончилась: эту спорную терапию бесплодия (перенос пронуклеусов) продолжают использовать и сейчас. В 2016 году ее начали применять в Украине, в 2019 первый такой ребенок появился в Греции.

Смена курса

Те же, кто не верил в то, что митохондрии могут «омолодить» яйцеклетку, наметили еще один потенциальный выхлоп из этого метода. Перенос пронуклеусов мог бы стать избавлением от мутаций в митохондриальных генах. Довольно часто такие мутации делают своих носителей инвалидами в раннем возрасте: поскольку митохондрии поставляют в клетки энергию, страдают чаще всего главные ее потребители — мышцы и нервы. Носительница таких мутаций не может зачать здоровых детей естественным путем, так как с митохондриями отец помочь никак не может: их ребенок наследует строго от матери.

Таким образом, перенос пронуклеусов можно было использовать как терапию митохондриальных болезней. На это обратили внимание сразу несколько исследовательских групп. Американский биолог русского происхождения Шухрат Миталипов, известный как пионер редактирования генома человека, еще в 2013 году основал компанию Mitogenome therapeutics и начал проверять методику на макаках. Профессор Мэри Герберт из британского Ньюкасла добилась разрешения провести первую такую процедуру в 2017 году. Но Джон Чжан, потерпев фиаско в Китае с починкой бесплодия, все-таки успел быстрее всех.

Джон Чжан с первым ребенком от трех родителей

New Hope Fertility Center

Первый «его» ребенок появился на свет в Мексике в 2016 году, где власти регулированием деторождения не столь озабочены. Родители мальчика были мусульманами, и классический метод переноса пронуклеусов для них был невозможен — для этого пришлось бы разрушить оплодотворенную яйцеклетку донора, то есть убить зародыш, что религиозные нормы родителей не позволяли. Поэтому Чжан использовал альтернативный метод — перенос веретена, то есть сначала пересадил генетический материал матери в донорскую яйцеклетку (без ядра), а затем устроил ей «свидание» со сперматозоидом отца. Но и такой трюк не пришелся мировой общественности по вкусу. Родившегося мальчика окрестили «ребенком от трех родителей», и начался новый скандал.

Двери закрываются

Одни ученые обвинили Чжана в экспериментах на живых людях, другие предложили проводить подобные испытания только на эмбрионах мужского пола, которые заведомо не передадут «результат» эксперимента потомству. Третьи задались вопросом: есть ли у Чжана доказательства того, что у ребенка не возникнет гетероплазмии или даже отката к изначальному состоянию? Доказательств у Чжана не было: родители забрали ребенка и отказались от долгосрочного наблюдения.

Итог скандала был предсказуем: FDA укрепило возведенную прежде «бумажную стену» и запретило любые манипуляции по замещению митохондрий. Великобритания осталась единственной страной, где они сейчас официально одобрены — в редких случаях и после долгих обсуждений наверху, в кабинетах Управления по оплодотворению человека и эмбриологии. Всем остальным желающим экспериментировать с яйцеклетками и их митохондриями приходится искать себе страну, где законодательство никак эту методику не регулирует, и не слишком сильно афишировать свои исследования.

Митохондриальные болезни могли бы стать первыми генетическими болезнями, которые люди научились лечить массово — но не стали. К методике митохондриального переноса прочно приклеилось название «ребенок от трех родителей», и несмотря на то, что сами исследователи считают его некорректным — донорских генов всего 37, а от отца и матери их по 20 тысяч — оно теперь устойчиво ассоциируется с нарушением этических норм. Поэтому, чтобы решить проблему бесплодия или избавить своего ребенка от риска стать обладателем целого букета неизлечимых болезней, родителям приходится отправляться в «эмбриологические турне», иногда на другой край света.

ЭМ-снимок митохондрии. Черные точки близко к поверхности мембраны — это мтДНК, помеченная частицами золота

Francisco J Iborra et al. / BMC Biology, 2004 / CC BY 2.0

А потом появился способ вылечить генетические болезни, скрытые уже не в органеллах клетки, а прямо в ее ядре. Несмотря на то, что люди, которые первыми придумали применять CRISPR/Cas9 к человеческим генам, заранее предупреждали, что система к этому еще не готова, история повторилась. Воспользовавшись тем, что китайское законодательство закрыло калитку для манипуляций митохондриями, но ничего не сказало о редактировании генов, очередной первопроходец Цзянькуй Хэ опробовал CRISPR на эмбрионах. Дальше случилось то же, что и всегда: скандал, запреты, попытки не допустить повторения ситуации с «детьми от трех родителей» (впрочем, ВОЗ вот уже год с небольшим работает над стандартами надзора за манипуляциями с человеческим геномом, и упорно избегает слова «мораторий»; тем временем во многих странах официального запрета на CRISPR-детей нет до сих пор).

Но поскольку лечить генетические болезни все-таки нужно, появился компромиссный вариант — CRISPR-терапия. Иными словами, пока мир разбирается с тем, имеем ли мы право редактировать эмбрионов, можно тренироваться на взрослых: вводить им в кровь систему редактирования и чинить поломки прямо в работающих тканях. Этот метод уже отработали на самых разных клетках, и недавно перешли к испытаниям in vivo.

По мере того, как CRISPR отвоевывал себе одну терапевтическую область за другой, стало понятно, что против митохондриальных мутаций он бессилен. Дело в том, что большинство систем генетического редактирования работают, как ножницы, разрезая ДНК в условленном месте. И если ядерную ДНК после такого клетка легко восстанавливает, соединяя концы разрыва, то митохондриальную разрушает — в норме она свернута в кольцо, так что двунитевой разрыв считается не рядовой поломкой, а признаком серьезной проблемы. Поэтому потери от такого редактирования могут превысить выигрыш.

Так митохондриальные болезни не только не стали первым достижением генетической терапии, но и вовсе остались последним не взятым бастионом.

Параллельные дороги

Справедливости ради стоит сказать, что модификация эмбрионов — не единственный способ справиться с митохондриальными дефектами. Например, митохондрии можно пересаживать не в яйцеклетку, а в уже родившийся организм (подобно тому как сейчас вводят CRISPR/Cas).

Сейчас клинические испытания проходят две терапии такого рода. В рамках первой — наращивания митохондрий (mitochondrial augmentation therapy) — ребенок получает донорские митохондрии от матери (в случае, если его митохондриальная болезнь возникла с нуля, а не досталась от матери). У ребенка забирают клетки — например, стволовые клетки крови — и культивируют их вместе с митохондриями, выделенными из клеток матери. Считается, что при этом клетки крови ребенка поглощают материнские органеллы, становятся более жизнеспособными и будут активно размножаться после возвращения в организм, таким образом поддерживая работу «сломанных».

Вторая терапия предполагает, что ребенок становится донором митохондрий сам для себя — например, в случае ишемии сердца при родах или в первые часы жизни. Тогда из какой-нибудь скелетной мышцы вырезают кусочек ткани, выделяют оттуда митохондрии и вводят их в сердечную мышцу. Этот метод недавно опробовали на пяти новорожденных: двоих из них спасти не удалось, а еще трое выздоровели, но неизвестно, какую роль в этом сыграла митохондриальная аутотрансплантация.

Можно представить себе, что комбинация этих двух методов могла бы породить полноценную терапию, в ходе которой донорские митохондрии вводили бы в кровь пациента, а они заселяли бы поврежденные митохондриальной болезнью ткани. Однако у научного сообщества остается немало вопросов к этим процедурам. Несмотря на то, что отдельные митохондрии действительно могут выжить в плазме крови, неизвестно, способны ли клетки тела их захватывать, а если да, то выживают ли они внутри. Защитники метода отмечают, что «иногда необходимо принять технологию, даже если мы не знаем, как она работает».

Есть и более радикальные решения митохондриальных проблем: так, еще несколько лет назад самый знаменитый борец со старением Обри ди Грей предложил перенести все гены из митохондрии в ядро. Два из них его коллегам удалось переместить и показать, что даже оттуда они успешно справлялись со своими обязанностями.

И хотя этот проект кажется еще менее реалистичным, чем все прочие, может оказаться, что некоторые митохондриальные гены можно пересаживать по отдельности — подобно тому как с мутациями в ядерной ДНК пытаются справиться с помощью генной терапии. Такие работы тоже есть, есть и первые клинические испытания — так пытаются лечить наследственную оптическую нейропатию. Хитрость здесь в том, что генная терапия доставляет митохондриальный ген не в митохондрию, а в ядро. Тем не менее, можно так сконструировать искусственный ген, чтобы получившийся продукт клетка транспортировала в митохондрию, и тогда неважно, где он производится.

Новая тропа

И все же гораздо надежнее было бы переписать мутантный митохондриальный ген раз и навсегда. Этой задачей занялся Дэвид Лю, один из главных специалистов в мире по редактированию генома. Именно он в 2016 году придумал, как исправлять мутации, не разрезая ДНК, — и собрал редактор оснований (base editor). Это молекулярная система из двух ферментов: dCas9, который наводится на конкретное место в ДНК, и дезаминазы, что исправляет один нуклеотид на другой, буквально переписывая «генетический текст» наживую.

Для митохондрий и этот метод не годится. Редакторы оснований напрямую зависят от направляющей РНК, которая доставляет их к цели: потом Cas расплетает спираль ДНК на две отдельные нити, с одной связывается РНК, а другую атакует дезаминаза. Но направляющая РНК не может проникнуть внутрь митохондрии — не хватает транспортной системы, которая бы протаскивала ее сквозь две мембраны . Нужно было придумать какую-то систему, которая работает без РНК. Недавно команда Лю создала такую систему. И работает она еще и без Cas.

Система построена на основе антибиотика DddA, который выделяет бактерия Burkholderia cenocepacia. У него есть две важные особенности: во-первых, он действует точечно: исправляет в целевом гене все С (цитозиновые нуклеотиды) на А (адениновые) — точнее, сначала, переводит С в U (урацил), а клетка превращает их в А — то есть работает дезаминазой. Во-вторых, в отличие от всех других редакторов оснований, он связывается с двухцепочечной ДНК — а значит, нет необходимости ее разделять на две нити с помощью направляющей РНК, которая не пролезает в митохондрии.

Но просто так без направляющей РНК все равно не обойтись — необходим какой-то другой механизм, чтобы нацелить DddA на нужное место в митохондриальном геноме. И здесь команда Лю сделала шаг назад и воспользовалась технологией, которая, казалось бы, давно уступила место CRISPR — TALEN. Это бактериальные ферменты-конструкторы: они построены из доменов, каждый из которых распознает определенную последовательность ДНК. Подбирая нужный комплект доменов, можно добиться того, чтобы фермент садился на конкретное место в геноме. Эта технология, которая давно считается более сложной и дорогой, теперь может закрыть ту нишу, которая CRISPR оказалась не по зубам.

Соединив подобранный TALEN с нетоксичной частью DddA (той, что способна только дезаминировать ДНК, а не распознавать ее участки), команда Лю получила заветный инструмент. Правда, для клинического применения он еще сыроват: в разных экспериментах он смог переписать не больше половины своих мишеней в клетках. Тем не менее, он проникает в митохондрии и не разрушает их изнутри, и это гораздо важнее, чем эффективность, которую несложно нарастить.

И если это удастся сделать, то мы сможем считать, что в организме человека больше нет такого гена, который мы не в силах изменить. Не останется ни единого участка ДНК, который будет нам неподвластен.

Инструмент Лю не требует никакого «третьего родителя», а его работа даже отдаленно не напоминает клонирование. А значит, шансы на то, чтобы оказаться не задевающим ничьи чувства и не вызывающим оправданные опасения, у него выше. Но каков будет следующий поворот этого сюжета? Вариантов два: долгие и тщательные испытания и постепенное применение нового редактора на взрослых людях (как происходит, например, с генной терапией) или авантюра с участием эмбрионов и попытки очередного первопроходца опередить свое время (так было с митохондриальной трансплантацией, так было с CRISPR и как, возможно, будет еще не раз). До клиники митохондриальному редактору еще далеко. Но делать ставки на то, какая судьба его ждет через несколько лет, можно уже сейчас: будет ли это очередной скандал, запрет и поиск новой дороги — или же в конце этой истории все-таки можно будет поставить, наконец, точку вместо вопросительного знака?

Автор статьи:Полина Лосева

N+1 https://nplus1.ru/material/2020/07/16/mtdna-editing

Венерину мухоловку активировали со смартфона

Сингапурские инженеры создали захват на основе Венериной мухоловки — хищного растения, ловящего насекомых в закрывающуюся ловушку. Инженеры подсоединили к ловушке электроды и научились активировать ловушку при помощи электростимуляции. Статья опубликована в журнале Nature Electronics.

ссылка на гифку

Вместо небольших роботов в некоторых ситуациях может быть удобно использовать гибридные организмы, состоящие из насекомого (или другого животного) и электроники для управления им. Этот подход позволяет объединять эффективные органы движения живых организмов с дополнительными устройствами. В этой области уже есть заметные разработки. Например, инженеры уже умеют управлять ходячими и летающими насекомыми, а также для них уже созданы прототипы миниатюрных камер и сбрасываемых по команде датчиков.

Инженеры из Наньянского технологического университета под руководством Сяодуна Чэня (Xiaodong Chen) показали, что по аналогии с животными-киборгами можно создавать и растения с внешним электронным управлением. Они взяли за основу Венерину мухоловку — хищное растение, выделяющееся тигмонастией, то есть способностью быстро двигаться в ответ на механические раздражения. У нее есть ловушки, состоящие из двух половинок, раскрытых в нормальном состоянии. На внутренней поверхности створок ловушки есть чувствительные волоски, которые при механическом воздействии, например, приземлении насекомого, дают ловушке сигнал на захлопывание. При этом у нее есть предохранительный механизм, предотвращающий случайные срабатывания — она умеет считать механические стимулы на волосках. Если ловушка обнаружила два касания волосков, она захлопывается, а если после этого произошло еще три касания, она выделяет пищеварительные ферменты.Механизм срабатывания ловушки основан на возникновении потенциала действия при контакте жертвы с волосками и последующем набухании части ловушки из-за осмоса. Инженеры решили использовать эту особенность и искусственно создавать потенциал действия с помощью электростимуляции. Они создали четыре электрода, каждый из которых крепится на внешнюю сторону ловушки (по два на каждую створку: один для стимуляции, а другой для измерения потенциалов). Электроды состоят из полидиметилсилоксанового слоя, выполняющего роль подложки и относительно жесткой основы, сетки из тонких электропроводных золотых нитей, расположенных в случайном порядке, и слоя гидрогеля, который обеспечивает качественный контакт с поверхностью ловушки.

Эксперименты с электродами показали, что у ловушки есть пороговое напряжение стимуляции в полтора вольта, начиная от которого в ней образуется потенциал действия. Инженеры также обнаружили у ловушки рефрактерный период — минимальное время между возникновением двух потенциалов действия. Он оказался равным 1,2 секунды. При этом обычно во время стимуляции постоянным током время между двумя потенциалами было случайным. Инженеры также попробовали стимулировать ловушку периодическим сигналом с прямоугольным профилем и обнаружили, что это дает гораздо большую точность и скорость создания потенциалов действия.

При частоте в два герца потенциалы действия в ловушке возникали раз в 1,3 ± 0,1 секунды. Соответственно, время отклика ловушки, то есть ее срабатывания после начала стимуляции, составляет то же время.

Инженеры создали на основе отрезанной ловушки Венериной мухоловки три прототипа захватов. Один из них состоит из ловушки и подключенного микроконтроллера ESP8266 с поддержкой Wi-Fi. Они показали, как ловушка срабатывает по нажатию кнопки на смартфоне, передающем сигнал на микроконтроллер. Второй прототип — это простой манипулятор с наклоняемой частью, на конце которого находится ловушка. С его помощью они смогли захватить и поднять небольшую проволоку. Третий прототип позволил показать, что стимуляция позволяет достаточно точно рассчитывать время срабатывания ловушки и ловить даже двигающиеся цели, в данном случае — небольшой грузик на нитке.

В прошлом году американские инженеры вживили в мозг саранчи электроды и научились использовать ее обонятельные реакции для обнаружения взрывчатки.

статья на n+1

Здесь Никто

    Третья песня из серии психологических страшилок. Будет 6 песен. Миниальбом. Название пока и не придумал. Продолжаю экспериментировать с вокалом. Пока вот тут мне нравится больше всего. Бэк вокал такой плавающий, неровный, то совпадает то нет. Не знаю почему но мне нравится. такое ебобо странное. Ну а песня сама понятно про что. Про апатию, безразличие усталость и тд. Просто она представлена в виде некой демонической сущности.