ВЫПУСК 110

Инженеры превратили недостаток наночастиц золота в их преимущество

Наночастицы золота – мельчайшие золотые сферы диаметром всего несколько миллиардных долей метра – стали полезным инструментом современной медицины. Ученые уже встроили их в миниатюрные системы доставки лекарственных препаратов для контроля свертываемости крови. Они также являются основным элементом созданного для уничтожения злокачественных опухолей устройства, проходящего сейчас клинические испытания.

Однако одно из свойств таких наночастиц стоит на пути многих технологических разработок: они липкие. Наночастицы золота могут быть сконструированы таким образом, что будут привлекать к себе определенные биомолекулы, но и сами они «прилипают» ко многим другим частицам, что часто снижает их эффективность при выполнении поставленных перед ними задач.

Исследователи из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology - MIT) нашли способ, как превратить этот их недостаток в преимущество. В статье, недавно опубликованной в American Chemical Society Nano, адъюнкт-профессор биоинженерии и машиностроения Кимберли Хамад-Шифферли (Kimberly Hamad-Schifferli) и научный сотрудник доктор философии Сунхо Парк (Sunho Park) сообщили о том, что им удалось использовать свойство липкости наночастиц для двукратного увеличения количества белка, вырабатываемого в процессе трансляции in vitro – важного инструмента, используемого биологами для безопасного получения больших количеств белка с целью его исследования вне живой клетки.

Для образования белков по молекулярным шаблонам, называемым мРНК, группы биомолекул собираются вместе в процессе трансляции. При трансляции in vitro такие биологические компоненты находятся в лабораторной пробирке (в противоположность трансляции in vivo, происходящей в живой клетке), а искусственные матричные РНК добавляются, чтобы гарантировать выработку каких-либо определенных белков, необходимых ученым для исследования. Например, если они хотят изучить белок, не вырабатываемый клеткой в естественных условиях, или белок вредный для клетки, синтезируемый в результате произошедшей мутации, для получения больших количеств такого белка они могут использовать трансляцию in vitro. Но у in vitro трансляции есть и оборотная сторона: она не столь эффективна, как могла бы быть. «Сегодня вы можете получить какой-либо белок, а за следующие два дня не получите ничего», - объясняет Хамад-Шифферли.

При финансовой поддержке Института биомедицинской визуализации и биоинженерии (Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering) Хамад-Шифферли и ее сотрудники сначала решили сконструировать систему, способную предотвращать трансляцию. Этот процесс, известный как подавление, или ингибирование, трансляции, может остановить выработку вредных белков или помочь исследователям определить функцию определенного белка, наблюдая за поведением клетки при его отсутствии. Чтобы достичь этого Хамад-Шифферли прикрепила ДНК к наночастицам золота, надеясь, что большие агрегаты из наночастиц и огромных молекул ДНК (NP-DNA) смогут заблокировать трансляцию.

Однако она была обескуражена, обнаружив, что NP-DNA не уменьшили выработку белка, как ожидалось. Фактически она получила данные, свидетельствующие о том, что NP-DNA не подавляют, а усиливают трансляцию.

Оказывается, липкие наночастицы доставляют биомолекулы, необходимые для трансляции, в непосредственную близость к месту событий, что позволяет ускорить весь процесс. Кроме того, ДНК-компонент комплекса NP-DNA сконструирован для привязки к специфической мРНК, которая будет транслирована в определенный белок. Связь должна быть достаточно прочной, чтобы удерживать мРНК на месте трансляции, но одновременно и достаточно слабой, чтобы мРНК могла соединяться с другими молекулами, необходимыми для процесса. Так как сконструированная молекула ДНК имеет своего специфического мРНК-партнера, трансляция такой мРНК, находящейся в растворе из многих аналогичных молекул, может усиливаться без ее изоляции.

В дополнении к усилению in vitro трансляции разработанные Хамад-Шифферли комплексы NP-DNA могут иметь и другие применения. По мнению Мин Чжен (Ming Zheng), химика-исследователя из Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology), они могут быть объединены с углеродными нанотрубками – мельчайшими полыми цилиндрами, невероятно прочными для своего размера. В конечном итоге они могут стать основой транспортной системы, доставляющей лекарственные препараты в клетки или в межклеточное пространство. Липкость, свойственная комплексам NP-DNA, увеличит скорость и точность такой системы адресной доставки.

Хамад-Шифферли уверена, что ее открытие сделает in vitro трансляцию более надежной и эффективной, но она продолжает работу. Она надеется еще более увеличить выработку белка in vitro, и выяснить, можно ли применить ее систему для усиления трансляции в живых клетках. Для достижения этих целей она должна разработать и провести эксперименты для определения того, какие молекулы принимают участие в процессе интенсификации процесса и как они взаимодействуют. «Позитивным аспектом является то, что нам повезло», - говорит Хамад-Шифферли, размышляя о своем открытии. «Недостатком – то, что решить головоломку о том, как точно работает наша система, будет очень сложно».

Конъюгаты наночастиц золота (AuNP) и ДНК могут интенсифицировать in vitro трансляцию белка. Интенсификация происходит благодаря комбинации неспецифической адсорбции связанных с трансляцией молекул и рибосом на комплексах AuNP−DNA и специфического связывания комплексов с нужными мРНК. AuNP−DNA-конъюгаты усиливают продукцию флуоресцентных белков (mCherry, eGFP) на 75-100%. Для исследования неспецифической адсорбции AuNP−DNA-комплексов на трансляционном механизме был использован гель-электрофорез. Было установлено, что неспецифическая адсорбция имеет решающее значение для усиления процесса трансляции, и, если ее устранить, интенсификации процесса не происходит. Взаимодействие мРНК с ДНК, находящейся на поверхности AuNP, влияет на степень усиления и исследовалось по экспрессии в присутствии фермента РНКазы H. Эти результаты позволяют предположить, что более выраженная степень усиления трансляции наблюдается, когда ДНК на поверхности AuNP образуют неполный дуплекс с мРНК. Настройка баланса между неспецифической адсорбцией и специфическим связыванием комплексов AuNP−DNA может привести к усилению трансляции конкретного гена в смеси.

Источники:

A new use for gold

Аннотация к статье: Enhancement of In Vitro Translation by Gold Nanoparticle−DNA Conjugates

Источник: LifeSciencesToday

Пластмассовые антитела впервые испытаны на животных

Ученые из Университета Калифорнии, Ирвин, (University of California, Irvine) сообщают о первых доказательствах того, что пластмассовые антитела – искусственные версии белков, вырабатываемых иммунной системой для распознавания и борьбы с инфекциями и чужеродными веществами – работают в крови живых животных.

Это открытие, предполагают ученые в статье в журнале Journal of the American Chemical Society, является значительным шагом к медицинскому применению пластмассовых частиц для борьбы с множеством антигенов, причиняющих неприятности человеку.

К таким антигенам относится буквально все – от болезнетворных вирусов и бактерий до белков, вызывающих аллергические реакции на пыльцу, домашнюю пыль, продукты питания, ядовитый плющ, укусы пчел и другие вещества.

В статье Кеннет Шеа (Kenneth Shea), Ю Хосино (Yu Hosino) и их коллеги ссылаются на свое предыдущее исследование, в ходе которого они разработали метод получения пластмассовых наночастиц, имитирующих способность естественных антител связываться с антигеном. Таким антигеном был мелиттин, основной токсин пчелиного яда. Они создали антитело с помощью метода молекулярного импринтинга, процесса похожего на оставление следов на еще не застывшем бетоне. Ученые смешали мелиттин с маленькими молекулами – мономерами, а затем с помощью химической реакции соединили эти строительные блоки в длинные цепочки и заставили полученный полимер затвердеть. После этого методом выщелачивания исследователи удалили из затвердевшей пластмассы яд. Это привело к образованию наночастиц с крошечными воронками, имеющими форму токсина.

Новое исследование ученых, проведенное вместе с группой Наото Оку (Naoto Oku) из Университета Шизуока (University Shizuoka), Япония, доказало, что пластмассовые антимелиттиновые антитела работают как естественные. Ученые ввели лабораторным мышам смертельные дозы мелиттина, разрушающего и убивающего клетки. Животные, которым сразу после введения яда были сделаны инъекции антимелиттиновых пластмассовых антител, демонстрировали значительно более высокий уровень выживаемости, чем те, которым наночастицы не вводились.

«Такие наночастицы могут быть созданы для различных мишеней», - говорит Шеа. «Это позволяет серьезно рассматривать вопрос о возможности использования таких наночастиц во всех случаях, когда необходимо применение антител».

Пластмассовые антитела, такие как этот кластер частиц, видимый в мощный микроскоп, могут бороться с широким спектром человеческих заболеваний, включая вирусные инфекции и аллергию. (Credit: Kenneth Shea)

Ученые сообщают, что простые синтетические органические полимерные наночастицы (NPs) могут захватывать и удалять из кровообращения живых мышей специфический пептидный токсин. Наночастицы полимера, имеющие размер белков, обладают химическим сродством и селективностью, сравнимыми с таковыми естественных антител. Они были получены в результате сочетания стратегии оптимизации функциональных мономеров с синтезом наночастиц методом молекулярного импринтинга. В результате связывания и удаления мелиттина наночастицами in vivo смертность и периферические симптомы интоксикации значительно уменьшились. Визуализация in vivo полимерных частиц (или «пластмассовых антител») позволила установить, что NPs ускоряют выведение пептидов из крови и их накопление в печени. Учитывая их биосовместимость и нетоксичность, пластмассовые антитела обладают потенциальными возможностями для нейтрализации широкого спектра биомакромолекул в живых организмах.

Источники:

Plastic antibody works in first tests in living animals

Recognition, Neutralization, and Clearance of Target Peptides in the Bloodstream of Living Mice by Molecularly Imprinted Polymer Nanoparticles: A Plastic Antibody

Источник: LifeSciencesToday

Гидрогель-липосомные гибриды для адресной доставки лекарств

Начиная с бронзового века, когда впервые был получен сплав меди и олова, люди используют сочетания различных материалов, чтобы усилить лучшие свойства каждого из них. Последним примером такого удачного сочетания является разработка учеными Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology - NIST), Университета Мэриленда (University of Maryland) и Управления контроля качества продуктов и лекарств США (U.S. Food and Drug Administration - FDA) метода сочетания свойств двух материалов, каждый из которых вызывает огромный интерес специалистов в области биомедицины: фосфолипидных пузырьков, называемых липосомами, и частиц гидрогеля – заполненных молекулами воды сетей полимерных цепочек. Их сочетание приводит к образованию гибридной наноразмерной частицы, которая, вполне вероятно, сможет достигать определенных, например опухолевых, клеток, легко проходить через их мембраны, а затем медленно выделять лекарственные вещества.

В недавней статье в журнале Langmuir ученые рассмотрели преимущества и недостатки липосом и наночастиц гидрогеля как средств адресной доставки лекарственных препаратов. Хотя липосомы обладают полезными поверхностными свойствами, что позволяет им ориентироваться на определенные клетки и проходить через их мембраны, они могут разрываться при изменении условий окружающей их микросреды. Наночастицы гидрогеля более стабильны и обладают свойствами контролируемого выделения лекарственных препаратов, что дает возможность осуществлять тонкую настройку дозировки лекарств с учетом времени, но подвержены разложению и собираются в конгломераты. Целью ученых являлось создание наночастиц, сочетающих оба компонента, что позволило бы использовать сильные стороны каждого из материалов, одновременно минимизировав слабые.

Для получения своих липосом-гидрогелевых гибридных пузырьков исследователи адаптировали разработанную специалистами NIST и Университета Мэриленда технологию, известную как COMMAND (COntrolled Microfluidic Mixing And Nanoparticle Determination), в которой используется микроскопическое жидкостное (микрофлюидное) устройство. В новой работе ученых молекулы фосфолипидов растворены в изопропиловом спирте и подаются через тончайший входной канал (21 микрометр в диаметре) в канал-«смеситель», а затем «фокусируются» в струю жидкости водным раствором, подаваемым через два боковых канала. Молекулы предшественника гидрогеля смешены с фокусирующей жидкостью.

В то время как компоненты смешиваются на границе раздела потоков жидкости, происходит самосборка молекул фосфолипидов в нанопузырьки контролируемого размера, захватывающие внутрь находящиеся в растворе мономеры. Вновь образованные пузырьки затем облучаются ультрафиолетовым светом, чтобы полимеризовать находящиеся в них молекулы-предшественники гидрогеля в твердый гель из поперечно-связанных цепочек. Эти цепочки придают прочность пузырькам, позволяя им сохранять сферическую форму конвертов-липосом (что, в свою очередь, способствует проходу всей частицы через клеточную мембрану).

Чтобы превратить гибридный гидрогель-липосомный пузырек в средство адресной доставки лекарственных веществ в опухолевую клетку, нужно добавить лекарство или другой груз к фокусирующей жидкости в процессе производства.

Схематическое изображение образования гидрогель-липосомного гибрида. Раствор, содержащий фосфолипиды (предшественники липосом), смешиваются с раствором, содержащим молекулы предшественника гидрогеля (а). Смешиваясь на границе раздела двух жидкостей, фосфолипиды образуют липосомы (b), захватывающие внутрь себя молекулы предшественника гидрогеля. Вещество снаружи пузырьков удаляется (с), а липосомы подвергаются воздействию ультрафиолетовым светом. Это полимеризирует белковые цепочки гидрогеля и приводит к образованию гидрогель-липосомного гибрида (d). Credit: NIST

Источник:

Liposome-Hydrogel Hybrids: No Toil, No Trouble for Stronger Bubbles

Аннотация к статье: J.S. Hong, S.M. Stavis, S.H. DePaoli Lacerda, L.E. Locascio, S.R. Raghavan and M. Gaitan. Microfluidic directed self-assembly of liposome-hydrogel hybrid nanoparticles

Источник: LifeSciencesToday

Метод «быстрорастворимой кислоты» позволяет исследовать распределение наночастиц в организме и окружающей среде

Использовав химический «трюк», позволивший почти моментально изменить кислотность раствора, группа ученых из Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology - NIST) продемонстрировала простой и эффективный метод количественной оценки изменения стабильности растворов наночастиц при внезапном скачке кислотности среды. Метод измерения и изучаемая проблема являются частью более широкой программы NIST, направленной на углубление понимания влияния наночастиц на окружающую среду, безопасность и здоровье.

Любые изменения в растворимости наночастиц, связанные с местной кислотностью (рН), в конечном итоге оказывают влияние на их распределение в окружающей среде, а также на возможность их попадания в организмы.

«Это имеет решающее значение при разработке наночастиц для использования в медицине», - объясняет инженер-химик из NIST Вивек Прабху (Vivek Prabhu). «Клетки организма имеют очень много компартментов, кислотность в которых сильно различается. Например, в цитозоле рН держится вблизи 7.2, то есть среда является слабо щелочной. Но внутри лизосомы, в которой разрушаются различные вещества, кислотность находится в пределах 4.5, то есть среда в них очень кислая».

Наночастицы, разрабатываемые для использования в лекарственной терапии или в качестве контрастных агентов для медицинской визуализации, обычно покрыты молекулами, предотвращающими их слипание друг с другом, снижающее эффективность применения. Но эффективность самих таких покрытий часто зависит от кислотности среды. По мнению ученых из NIST, если поместить наночастицы в раствор с определенной кислотностью и изучать стабильность суспензии в течение длительного времени, относительно легко, то сказать, что происходит, когда частицы внезапно подвергаются воздействию другого уровня кислотности, как это часто происходит в окружающей среде и при их применении в медицине, очень трудно. Сколько им потребуется времени, чтобы отреагировать на такое изменение, и каким образом это происходит?

«Наша идея состояла в том, чтобы позаимствовать некоторые материалы, используемые в фотолитографии для производства микросхем», - говорит Прабху. «Существуют молекулы, которые становятся кислотами под воздействием света – фотокислотные генераторы. Вместо того чтобы наливать кислоту в раствор и перемешивать его, вы начинаете с раствора, в котором такие молекулы уже растворены. Его нужно просто осветить и … бамс! Происходит фотолизис и раствор становится кислым».

Кислотность раствора может быть изменена очень сильно – по выбору экспериментатора – без необходимости ждать, пока молекулы растворятся. «Это дает нам возможность изучать динамику раствора наночастиц, проявляющуюся в течение гораздо более короткого периода времени», - добавляет ученый.

Используя свою технику «быстрорастворимой кислоты» и светорассеивающие инструменты для контроля агрегации наночастиц, ученые из NIST проследили рост кластеров химически стабильных наночастиц латекса в течение нескольких первых секунд после индуцированного светом изменения кислотности. Их результаты демонстрируют, что при определенных условиях стабильность наночастиц – их тенденция противостоять слипанию – становится очень чувствительной к рН. Подобные исследования могут обеспечить прочную основу для разработки наночастиц для таких целей, как попадание в опухолевые клетки, уровень кислотности в которых заметно отличается от нормального.

Агрегация типичных наночастиц в растворе зависит от изменения кислотности. Время после скачка кислотность показано на горизонтальной оси. На вертикальной оси – размер агрегатов наночастиц. Когда рН снижается (кислотность растет), увеличивается как скорость агрегации, так и размер агрегатов наночастиц. (Credit: R. Murphy/NIST)

Оригинал статьи:

'Instant Acid' Method Offers New Insight into Nanoparticle Dispersal in the Environment and the Body

Аннотация к статье: Ryan J. Murphy, Denis Pristinski, Kalman Migler, Jack F. Douglas, Vivek M. Prabhu. Dynamic light scattering investigations of nanoparticle aggregation following a light-induced pH jump

Источник: LifeSciencesToday

Вглубь живой материи

Ученые установили новые особенности метилирования ДНК

Ранее неизвестный паттерн метилирования ДНК – процесса, влияющего на функции клеток путем изменения экспрессии генов – открыт учеными, изучающими стволовые клетки в Университете Калифорнии – Лос-Анджелес (University of California - Los Angeles - UCLA). Это открытие может иметь значение для предупреждения некоторых форм рака и исправления дефектов в линиях человеческих стволовых клеток.

Группа ученых установила взаимосвязь между метилированием ДНК и положением нуклеосом, регулирующих доступ к ДНК в ядре клетки и делающих ее более компактной. Открытие было сделано с помощью высокопроизводительного секвенирования ДНК, проводившегося с целью изучения сайтов ДНК с высоким уровнем метилирования Маттео Пеллегрини (Matteo Pellegrini) и Стивов Джэкобсеном (Steve Jacobsen) из Центра исследования стволовых клеток Брода (Broad Stem Cell Research Center) при UCLA.

Работа опубликована в журнале Nature.

Необходимые для выживания клетки процессы зависят от ее способности хранить и читать генетическую информацию, закодированную в ее ДНК. Упаковка длинной молекулы ДНК в крошечное ядро осложняется тем, что ДНК должна оставаться доступной для клеточных молекулярных механизмов. Молекулы, упаковывающие ДНК, называются нуклеосомными ядерными частицами. На каждую из них накручивается около 147 пар оснований ДНК. Такое взаимодействие формирует своего рода платформу для уплотнения длинного полимера ДНК, одновременно сохраняя его доступность для метилирования.

«Метилирование ДНК важно для регулирования генов и играет значительную роль в дифференцировании эмбриональных стволовых клеток и развитии некоторых форм рака», - говорит научный сотрудник Медицинского института Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute) профессор молекулярной, клеточной и эволюционной биологии Джэкобсен. «Изменения в метилировании ДНК ответственны за многое из того, что делает стволовую клетку стволовой, так как в процессе дифференциации клетки метилирование ДНК проявляет тенденцию к изменению. Одним из аспектов понимания метилирования является понимание его паттернов и того, как оно протекает в клетке», - говорит Джэкобсен.

В этой работе ученые из UCLA установили, что накрученная на нуклеосомы ДНК метилирована в большей степени, чем ДНК, связывающая соседние ДНК-нуклеосомные комплексы.

«Наши результаты показывают, что положение нуклеосом оказывает влияние на паттерны метилирования ДНК в пределах всего генома и что ДНК-метилтрансферазы (ферменты, метилирующие ДНК) преимущественно взаимодействуют с ДНК, связанной с нуклеосомами», - говорит доцент молекулярной, клеточной и эволюционной биологии Пеллегрини.

Первоначально работа была проведена на Arabidopsis, сорняке, широко используемом для генетических исследований растении. Затем Пеллегрини и Джэкобсен повторили работу на стволовых клетках человека, где обнаружили аналогичную зависимость.

Одним из наиболее важных и неизвестных аспектов ДНК-метилирования является то, как клетка определяет, где именно должно происходить метилирование, и паттерн положения нуклеосом становится важным фактором, определяющим этот процесс.

Это открытие может иметь значение для борьбы с раком, так как паттерны метилирование ДНК при раке искажены, что часто приводит к инактивации генов-супрессоров опухолей. Чем больше ученые будут знать о клеточных механизмах, устанавливающих правильные паттерны метилирования ДНК, тем лучше они смогут управлять этим процессом. В будущем такого рода исследования смогут привести к разработке методов, позволяющих контролировать искаженные паттерны метилирования, ведущие к раку, и предотвращать, таким образом, его развитие.

А так как метилирование ДНК имеет большое значение и для дифференциации стволовых клеток, эти знания могут привести к возможности исправлять дефекты линий стволовых клеток.

Источник:

Study finds new pattern in DNA methylation, with implications for cancer, stem cell lines

Аннотация к статье: Steven E. Jacobsen, Matteo Pellegrini et al. Relationship between nucleosome positioning and DNA methylation

Источник: LifeSciencesToday

Откуда мы?

Как возникли высшие формы жизни? Геном бурых водорослей раскрывает тайны многоклеточности и фотосинтеза

Интернациональная группа исследователей сделала большой шаг к пониманию эволюции двух ключевых предпосылок возникновения высших форм жизни на Земле – многоклеточности и фотосинтезу, впервые в мире полностью секвенировав геном бурой водоросли. Как сообщается в журнале Nature, около 100 ученых и инженеров в ходе рассчитанного на пять лет исследовательского проекта успешно расшифровали всю наследственную информацию – обычно называемую геномом – Ectocarpus siliculosus, бурой водоросли высотой до 20 см, встречающейся в основном вдоль береговой линии в умеренных широтах. Они проанализировали около 214 миллионов пар оснований и отнесли их к 16000 генов. Биологи доктор Клаус Валентин (Klaus Valentin) и доктор Банк Везцтери (Bank Beszteri) из Института полярных и морских исследований Альфреда Вегенера (Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research - AWI), входящего в Ассоциацию Гельмгольца, принимали участие в этом глобальном проекте, начиная с этапа его планирования в 2005 году.

«Как ученые, изучающие эволюцию, мы особенно заинтересованы в том, чтобы понять, почему мир стал именно таким, каким мы знаем его сегодня», - говорит о проекте Клаус Валентин. «В ходе истории планеты сложная многоклеточная форма жизни развивалась из одноклеточных организмов в пяти независимых направлениях: животные, растения, грибы, красные водоросли и бурые водоросли». Поэтому биологи поставили перед cобой цель: полностью расшифровать геном хотя бы одного представителя каждой из этих линий и искать сопоставимую генетическую информацию. «Для бурых водорослей эта цель теперь достигнута. Расшифровка генома красных водорослей уже также завершена, и в настоящее время мы оценивает данные», - говорит Валентин. «В бурых водорослям мы нашли много генов, кодирующих киназы, транспортные белки и факторы транскрипции. Такие гены обычно встречаются и у наземных растений, и мы предполагаем, что бурые водоросли играют ключевую роль в происхождении многоклеточных организмов».

Секвенирование генома бурых водорослей является вехой и в усилиях ученых воссоздать эволюцию фотосинтеза. «Теперь мы знаем, что продуцирующий кислород фотосинтез был «изобретен» более 3.8 миллиардов лет назад цианобактериями, иногда ошибочно называемыми сине-зелеными водорослями», - говорит Валентин о способности растений превращать солнечный свет в биологически полезную энергию, сопровождающейся выделением кислорода. «Зеленые и красные водоросли развили эту способность после того, как их предки вступили в симбиоз с живыми цианобактериями, и таким образом более или менее освоили фотосинтез в интересах обеих сторон, поскольку в условиях первобытного океана такой симбиоз обеспечил их огромными конкурентными преимуществами».

Бурые водоросли, как предполагалось, появились в результате слияния фотосинтетически неактивных бесцветных клеток с одноклеточными красными водорослями. Однако, как было обнаружено в одном из предыдущих исследовательских проектов по одноклеточным диатомовым водорослям, бурые водоросли возникли в результате слияния зеленых водорослей с красными, что противоречит широко распространенной среди специалистов теории. «Интересно, - говорит Клаус Валентин, - что в бурых водорослях мы обнаружили большую часть генов, характерных для зеленых водорослей, включая гены киназ и белков-переносчиков типичных для многоклеточных наземных растений, как было отмечено выше. В какой степени мы проследили общее происхождение многоклеточных форм жизни будет установлено в будущих исследованиях».

Бурые водоросли – захватывающий для изучения объект и с точки зрения экологии. На скалистых берегах в полярных и умеренных широтах их роль в экосистемах аналогична роли деревьев на суше. Некоторые виды достигают длины в 160 метров. Эти «подводные леса» не только важная среда обитания для морских животных: в областях с сильными приливами они часто остаются сухими в течение нескольких часов и демонстрируют невероятную устойчивость к нагрузкам. «В контексте изменения климата нас заинтересовало, как бурые водоросли адаптировались к UV-излучению и повышению температуры», - говорит доктор Валентин. Как они приспосабливаются к изменяющимся условиям жизни – один из аспектов исследований океанским лесов учеными из AWI. «Кроме того, бурые водоросли эволюционно гораздо старше, чем наземные растения. Они обладают многими метаболическими особенностями, которые едва изучены. Лучшее понимание качеств, заключенных в их генах, может стать основой для разработки новых продуктов и технологий», - считает Клаус Валентин.

Ectocarpus siliculosus (растущий здесь на Zostera) встречается в основном вдоль береговой линии в умеренных широтах. (Credit: Photo by Akira Peters, Station Biologique Roscoff)

«Подводные леса» - бурая водоросль рода Фукус. (Photo: Udo Schilling)

Оригинал статьи:

How did higher life evolve?

Аннотация к статье: The Ectocarpus genome and the independent evolution of multicellularity in brown algae

Источник: LifeSciencesToday

Происхождение жизни: ультрафиолетовый свет помог найти «недостающий» гуанин

Понять, как возникли на Земле строительные блоки РНК и особенно гуанин (Г)– одна из четырех букв кода жизни – оказалось для ученых очень сложной задачей. В то время как три другие основания РНК – аденин (А), цитозин (Ц) и урацил (У) – могут быть получены простым нагреванием соединений-предшественников в присутствии определенных естественных катализаторов, гуанин не является продуктом подобных реакций.

Проведя модельную пребиотическую реакцию в условиях ультрафиолетового облучения, исследователи из Технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology - Tech) и Римского университета «La Sapienza» открыли процесс, в результате которого мог образоваться «недостающий» гуанин. Они также обнаружили, что основания РНК, вполне вероятно, образовывались гораздо легче, чем считалось ранее, из чего можно сделать вывод, что зарождение первых форм жизни на Земле могло быть не слишком сложным процессом.

Результаты исследования опубликованы в журнале ChemBioChem. Совместная работа ученых проводилась при поддержке Национального фонда науки (National Science Foundation - NSF), Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (National Aeronautics and Space Administration) и Европейского космического агентства (European Space Agency).

Понять, как возникла жизнь на Земле – одна из самых больших научных задач. Существует немало доказательств того, что, прежде чем появились ДНК и белки, эволюция прошла через более раннюю стадию, в которой ведущую роль играла РНК.

Пытаясь разобраться в процессе пребиотического образования строительных блоков РНК, ученые сфокусировали свое внимание на формамиде (H2NCOH) как на возможном исходном материале для создания оснований РНК, так как в нем содержатся все четыре необходимых элемента (углерод, водород, кислород и азот), а по стабильности, реакционной способности и низкой летучести он сопоставим с водой. Более ранние эксперименты доказали, что компоненты нуклеиновых кислот – за исключением гуанина – могут быть синтезированы нагреванием формамида до 160 градусов Цельсия в присутствии неорганических катализаторов.

В своей статье в ChemBioChem ученые впервые показали, что гуанин может быть получен нагреванием раствора формамида при одновременном воздействии ультрафиолетовым облучением. Выход гуанина значительно возрастает, если минеральные катализаторы и фотоны присутствуют одновременно. Кроме того, в процессе нагревания при воздействии ультрафиолетовым светом возрастает и образование аденина (в 15 раз) и близкой к нему молекулы, называемой гипоксантином.

«Эти результаты потенциально снижают требования к условиям, необходимым для зарождения жизни, так как при нагревании на пребиотической Земле молекулам формамида не нужно было находиться в контакте с определенными типами пород, если они подвергались воздействию прямых солнечных лучей», - говорит Николас Хад (Nicholas Hud), профессор Школы химии и биохимии Технологического института Джорджии.

Исследование продемонстрировало, что, если в реакциях принимают участие фотоны, гуанин, аденин и гипоксантин могут образовываться при более низкой, чем сообщалось ранее, температуре и даже в отсутствии минералов.

«Чтобы смоделировать условия, которые могли сбыть на Земле, мы создали очень простую реакционную камеру с недорогим источником фотонов с длиной волны 254 нанометра», - объясняет Томас Орландо (Thomas Orlando), профессор Школы химии и биохимии Tech. «Нам не нужны были чрезвычайно сложные экспериментальные установки или дорогие лазеры; однако для анализа полученных в результате сложных смесей химических веществ мы использовали современные масс-спектрометры».

Лаборатории Хада и Орландо проводили эксперименты при нагревании формамида до 130 градусов по Цельсию – на 30 градусов ниже, чем в предыдущих экспериментах – и облучении его ультрафиолетовым светом.

«Наша работа позволила нам принять во внимание возможность существования другого типа «первичного бульона», отличного от того, который рассматривался в качестве возможных стартовых условий для возникновения жизни» - говорит Орландо. «Наша модельная пребиотическая реакция привлекательна потому, что большинство характерных для процесса условий, вполне вероятно, существовали на ранней Земле, и, кроме того, она позволяет сузить круг химических ограничений».

Авторы считают, что на ранней Земле могли существовать водоемы, содержащие небольшие количества формамида. Во время сухих и жарких периодов испарение воды могло привести к увеличению концентрации его растворов и образованию поверхностей минералов, покрытых этим веществом и подвергавшихся воздействию прямых солнечных лучей.

Проведя дополнительные эксперименты при 100 градусах Цельсия с растворами и водой, исследователи подтвердили, что такая модель «высыхающего водоема» предусматривает возникновение растворов формамида, способных образовывать химические соединения, найденные в предыдущих экспериментах.

«Хотя мы еще очень многого не понимаем в химии образования необходимых для жизни биологических молекул, эти реакции, проходящие благодаря синергии термических и фотохимических процессов, говорят нам о том, что для возникновения жизни требования к химии и условиям окружающей среды, вероятно, могут быть менее жесткими, чем мы думали», - добавляет Хад.

Оригинал статьи:

Study: Adding UV light helps form "Missing G" of RNA building blocks

Аннотация к статье: Nicholas V. Hud, Thomas M. Orlando et al. Guanine, Adenine, and Hypoxanthine Production in UV-Irradiated Formamide Solutions: Relaxation of the Requirements for Prebiotic Purine Nucleobase Formation

Источник: LifeSciencesToday

Полная или частичная перепечатка любого материала разрешается и приветствуется при обязательной гиперссылке на рассылку «Нанотехнологии в медицине и биологии» или сайт LifeSciencesToday