Диета из водорослей, пинг-понг для культуры нейронов и другие новости недели

Диеты

1. Норвежские ученые проследили изменения качества свиного мяса после добавления в корм обыкновенной хлореллы (Chlorella vulgaris). В ранних исследованиях уже предлагали использовать эту легко выращиваемую водоросль, чтобы уменьшить количество зерна в кормах для животных и сократить нагрузку на пахотные земли. Однако свиньи не производят ферментов, которые позволяют усваивать клетки хлореллы. Ученые сравнили транскриптомы и протеомы контрольной группы свиней и трех испытуемых групп, 5% рациона которых заменили хлореллой. Одна из групп не получала вспомогательных ферментов (СV), а две другие получали коммерческую смесь из двух белков (CV+R) и разработанный исследователями комплекс из 4 ферментов (CV+M). Как выяснили ученые, замена 5% рациона хлореллой повлияла на транскриптом животных, однако в группе CV+M транскриптом отличался всего лишь по трем генам, а в группе CV — по 1190 генам. Тем не менее характеристики мяса во всех группах были одинаковыми. Ученые полагают, что основные изменения транскриптомов вызваны неспособностью усвоить хлореллу и, как следствие, недостатком питательных веществ. (Подробнее на PCR.NEWS.)

2. Ученые из Нидерландов проследили влияние микробиома на состав плазмы человека. Результаты опубликованы в Nature. В исследовании приняли участие 1368 испытуемых, проанализировано 1183 метаболита; 610 из них менялись в зависимости от диеты, а 85 метаболитов различались в зависимости от микробиоты пациента. Повышенное количество микробного витамина B₁₂ было ассоциировано со сниженными уровнями 5-гидрокситриптофола в плазме. Этот уремический токсин связан с болезнью Паркинсона. Также была найдена обратная зависимость между концентрацией сероводорода и наличием бактерии Eubacterium rectale — важного обитателя нашего кишечника, синтезирующего короткие жирные кислоты. В целом результаты исследований продемонстрировали что диета и микробиом кишечника играют более важную роль, чем генетика, в объяснении межиндивидуальной изменчивости метаболизма.

Геномика беспозвоночных

3. Международная группа ученых опубликовала работу с первой генетической картой моллюска Cerastoderma edule и объяснением, какие гены отвечают за внешний вид ракушки. C. edule, или сердцевидка съедобная — двустворчатый моллюск, обитающий в северо-восточных водах Атлантического океана. Для создания карты ученые секвенировали 275 сердцевидок, принадлежащих к пяти семьям. С помощью анализа GWAS нашли и проверили более 13 тысяч однонуклеотидных полиморфизмов (SNP). Большинство SNP, для которых тест показывал положительный результат, было локализовано в 13-й хромосоме моллюска. Ученые определили 33 гена, которые могут быть ответственны за цвет ракушки. Их функции очень разнообразны: пять генов отвечало за связывание хитина, четыре — за метаболизм катионов (аммоний, железо и кальций). также среди этих генов ученые обнаружили компоненты системы репарации. Авторы утверждают, что их исследование поможет производителям моллюсков, так как цвет ракушки влияет на товарный вид и цену.

4. Ученые из Японии провели крупномасштабный биоинформатический анализ спидроинов — белков, формирующих паутину. Исследователи секвенировали 1774 паука со всего мира, принадлежащих к 1098 виду. Анализ данных показал, что спидроины, продуцируемые в разных типах паутинных желез и образующие нити с различными свойствами и назначением, эволюционировали неодинаково. Так, например, крибеллярные спидроины достаточно консервативны — аминокислотный состав некоторых их регионов мало менялся даже в очень дальнородственных группах. В то же время спидроины так называемых жгутиковидных желез, которые у пауков-кругопрядов образуют липкую спиральную нить паутины, имеют разнообразные повторяющиеся последовательности, в зависимости от вида. Наконец, ученые измерили механические свойства паутины. Полученные данные собрали в базу, где каждый паук характеризуется своим силкомом (от англ. silk).

Флуоресцентные белки и краски

5. Существуют методы флуоресцентной микроскопии, позволяющие оценить подвижность молекулы. Для этого молекулу, способную к флуоресценции, возбуждают однофотонным импульсом поляризованного света и детектируют испускаемую флуоресценцию. Так как молекула двигается, поляризация испускаемого света изменится. Оценив разницу между поляризацией возбуждающего луча и испускаемой флуоресценцией, можно найти подвижность молекулы. К сожалению, большинство биологических молекул (белки и ДНК) двигается намного медленнее, чем происходит один акт флуоресценции. Самые быстрые движения занимают несколько десятков наносекунд, а флуоресценция существует всего несколько наносекунд. Ученые из Стокгольма вместе с коллегами из США и Германии разработали метод, который позволяет обойти эту проблему, — STARSS. Для этого они использовали флуоресцентные белки rsEGFP и Dronpa, которые обратимо включают флуоресценцию в ответ на освещение. Их подход очень похож на ранее описанный метод. Ученые освещали молекулу «включающей» длиной волны в определенной поляризации и затем измеряли ее флуоресценцию. Так как поляризованный луч активировал молекулы в определенной ориентации, по получаемому сигналу исследователи могли отследить, насколько сильно отклонилась молекула от изначального состояния.

С помощью нового подхода авторы оценили подвижность мембранных и нуклеосомных белков, например, впервые продемонстрировали олигомеризацию белка Arc в нейронах и выявили критическую роль N-концевого домена в процессе образования агрегатов. Более того, авторы смогли различить зрелые и незрелые вирусные капсиды по различию подвижности их белков.

6. Гетерогенность клеток опухоли иногда может влиять на терапевтический эффект лекарства. Исследователи из Стэнфорда (США) создали систему комбинаторной маркировки клеток, которую можно использовать для отслеживания клональных линий. Они сконструировали 20 клеток-предшественниц, которые экспрессировали GFP и три специфических эпитопа. Получившийся материал авторы подсаживали в тело мыши и спустя некоторое время проводили гистологический анализ тканей животного. Срезы обрабатывали антителами, сшитыми с палладием и нацеленными на эпитопы. Дополнительно срезы окрашивали на фенотипические, функциональные и эпигенетические маркеры. Используя такой подход, авторы смогли всестороннее охарактеризовать клональную гетерогенность мелкоклеточного рака легких. Более того, ученые продемонстрировали, что клональные линии с делецией гена PTEN уступают клонам с геном дикого типа.

Инфекции

7. Все больше данных подтверждает важную роль пироптоза в сдерживании внутриклеточной инфекции. При пироптозе в мембране зараженной клетки образуются поры, состоящие из белка GSDMD. Через них из клетки выходят провоспалительные интерлейкины — IL‑1β, IL‑18. До сих пор не вполне понятно, каким образом внутриклеточные патогены избегают пироптоза. Исследователи из Пекина (Китай) провели скрининг генома туберкулезной палочки Mycobacterium tuberculosis и предсказали, что продукты 201 генов могли связываться с белками хозяина. Из них только один белок (PtpB) продемонстрировал ингибирование воспалительных путей AIM2 и NLRP3 и обильно экспрессировался во время инфекции. Оказалось, что PtpB способен связывать убиквитин (маркер деградации белка) и прицельно дефосфорилировать фосфатидилинозитол-4-монофосфат и фосфатидилинозитол-(4,5)-бифосфат, расположенные в мембране хозяина. Из-за этого GSDMD не способен образовать поры. Таким образом, бактерия блокирует пироптоз. Свою гипотезу ученые подтвердили результатами экспериментов — инактивация фосфатазного домена или убиквинтин-связывающего домена PtpB заметно усиливала врожденный иммунный ответ мышей на туберкулезную инфекцию.

Протеомика

8. Современные технологии секвенирования белков пока не позволяют анализировать единичные молекулы, а требуют относительно больших количеств чистого белка. Но при этом неясно, как распределен сигнал среди разных молекул. Ученые из компании Quantum-Si (США) создали прибор для секвенирования пептида на уровне одной молекулы. Их подход использует белки, которые специфически связываются с определенным типом аминокислот на N-конце пептида. К этим белкам исследователи присоединили флуоресцентные метки. Исследуемый белок расщепляется на пептиды, каждый пептид помещается в лунку, на дне которой расположен детектор, считывающий сигнал флуоресценции при взаимодействии N-конца с детектирующим белком. Возможность измерять кинетику образования этого комплекса сделала секвенирование намного чувствительнее. Например, по кинетике образования ученые смогли отличить участок убиквитина RLIF (аргинин, лейцин, изолейцин, фенилаланин) от такого же региона в других белках человеческого протеома.

Структурная биология

9. За чувствительность к холоду в нашем организме отвечает канал TRPM8, который открывается в ответ на физический или химический сигнал. (См. о нем в отчете о Нобелевской премии 2021 года.) На сегодня известна структура птичьего TRPM8, однако механизм его открывания непонятен — канал был запечатлен только в закрытой конформации. Исследователи из Северной Каролины (США) публикуют несколько структур мышиного TRPM8, полученных с помощью криоэлектронной микроскопии. Они использовали несколько лигандов (фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат, криозим-3 и аллилизотиоцианат), чтобы получить три конформации канала — закрытую, открытую и промежуточную.

Фармакология

10. Киназа ERK5 — потенциальная терапевтической мишенью в лечении онкологических заболеваний и воспаления. Тем не менее блокирование ее киназных функций не показало явного терапевтического эффекта. Ученые из Стэнфорда (США) разработали систему, которая уничтожает этот фермент. Их разработка основывается на ранее выдвинутой идее, что белок участвует в развитии патологий независимо от своей киназной активности. Авторы сконструировали систему PROTAC (a proteolysis targeting chimera), которая состоит из убиквинтинлигазы, сшитой с маленькой молекулой, нацеленный на ERK5. Конструкция ковалентно связывается с белком и убиквинтилирует его, убиквитин сигнализирует о необходимости деградации киназы, и ее уровень в клетках снижается. Такая конструкция уничтожает белок, не затрагивая его функций. Авторы продемонстрировали, что их изобретение не влияет на пролиферацию клеток, однако предотвращает воспалительные процессы.

Неврология

11. Ученые из Швейцарии опубликовали оптимизированный протокол по опто-фМРТ. Год назад с помощью этого метода группа изучала два типа клеток полосатого тела в мозге мыши, которые отличаются типом дофаминового рецептора (D1R или D2R). Ученые активировали эти клетки оптогенетическим методом, чтобы исследовать их функции. В новой работе они подробно описывают, как получить мышей, экспрессирующих опсины — каналы, чувствительные к свету, которые позволяют избирательно активировать нейроны, — а также процесс хирургической имплантации оптического кабеля и работу с МРТ-установкой.

12. В журнале Neuron опубликованы результаты обучения нейросети из настоящих нейронов. Международная группа ученых смогла научить искусственно выращенные нейроны играть в симуляцию пинг-понга, подключив их клетки к электродам. Сигнал от электроники сообщал нейронам о положении мяча, голах и позволял управлять своей платформой. Если нейронам не удавалось отбить мяч, электрическая система генерировала случайные электрические сигналы. Согласно одной из теорий, обучение биологических нейронных сетей заключается в избегании непредсказуемых сигналов от окружающего мира. Таким образом, нейроны в этом эксперименте должны были начать играть так, чтобы не получать неприятные хаотические сигналы. Авторы подчеркивают, что их работа — еще один шаг на пути к моделированию нейронных сетей с обратной связью. Также они продемонстрировали, что обратная связь влияет на эффективность обучения. (Подробнее на PCR.NEWS.)

Синтетическая биология

13. Направленная эволюция — обширный набор методов в инженерии белка, когда процессы эволюции моделируются в лабораторных условиях. Этот процесс включает три этапа: создание множества вариантов (мутаций), отбор и амплификация необходимых исследователю вариантов. Часто для этой цели используют прокариотические клетки, однако в 2019 году была предложена техника направленной эволюции в клетках млекопитающих, которая, по заверению авторов, позволила эукариотическим белкам функционировать в более «привычном» окружении. Для этого использовали РНК-вирус лихорадки Синдбис, капсиды которого несли различные варианты исследуемого гена. Искусственный отбор приводил к повышенной экспрессии наиболее приспособленного трансгена, поэтому именно его РНК попадала в новообразовавшиеся капсиды. На этой неделе в журнале ASC Synthetic Biology вышла статья с критикой метода. Ученые из Сиднея (Австралия) выявили проблему на стадии упаковки РНК в капсид. Оказывается, РНК структурных белков вируса может конкурировать с трансгеном за упаковку, в результате вирусные частицы с РНК структурных белков внутри могут полностью вытеснить трансгенные варианты. Дополнительно ученые указывают на то, что такая система не способна нормально реплицироваться и продолжать заражение. Уже во втором поколении клеток они не смогли обнаружить следы заражения вирусом, который содержал флуоресцентный белок.

Диагностика

14. Ученые из США провели крупномасштабный анализ 428 образцов плазмы, мочи и мазков из ротовой полости. В исследовании, опубликованном в Scientific Reports, приняло участие 334 человека из эндемичных и неэндемичных по туберкулезу регионов. Согласно результатам, эффективность диагностики сильно варьируется — для неэндемичных районов она больше, чем для эндемичных. Авторы предполагают, что причина в наличии других видов рода Mycobacterium — в эндемичных районах в крови людей часто присутствуют M. avium, M. abscessus и M. kansasi. Так как геномы представителей этого рода похожи на 99 %, эти бактерии создают фоновый шум, не позволяющий точно провести диагностику.