ВЫПУСК 85

Металлоредуцирующие бактерии производят наномагниты «зеленым» способом

Ученые из Манчестера нашли чистый «зеленый» путь получения мельчайших магнитов для высокотехнологичных гаджетов, используя природные бактерии, существующие вокруг нас уже многие миллионы лет.

Работа группы геомикробиологов из Университета Манчестера (University of Manchester) прокладывает путь к получению наноразмерных магнитов, используемых в мобильных телефонах и записывающих устройствах, без химических веществ и энергоемких методов.

Ученые изучили железоредуцирующие бактерии, живущие в почвах и осадочных отложениях, и пришли к выводу, что их можно использовать для создания наночастиц оксида железа с магнитными свойствами, похожих на те, которые получаются в результате сложных химических процессов.

Работая вместе с коллегами из Бирмингема и Кардиффа, манчестерские ученые нашли способ осуществления точного контроля над размером и магнитной силой получаемых наномагнитов.

Для проверки результатов открытия были использованы высокотехнологичные ускорители частиц Advanced Light Source в знаменитой Лаборатории Беркли около Сан-Франциско и Diamond Light Source в Научно-исследовательском центре по атомной энергии в Харуэлле (Великобритания).

Ученые добавили кобальт, марганец и никель к основному, содержащему железо источнику энергии, используемому бактериями, в результате чего были получены мельчайшие магниты, содержащие эти элементы. Это значительно усилило их полезные магнитные свойства.

Помимо новейших гаджетов наномагниты могут быть использованы в системах адресной доставки лекарств, в том числе для терапии раковых опухолей.

Металлоредуцирующие бактерии - анаэробы, живущие в условиях отсутствия кислорода. Взаимодействуя с окисленными металлами, они производят природные магниты в почве прямо у нас под ногами.

А теперь группа ученых разработала способ использования чистых штаммов таких бактерий для производства больших количеств наномагнитов при температуре окружающей среды. При этом источник их практически неиссякаем, так как они быстро размножаются.

Такой метод, естественно, выгодно отличается от существующих сейчас, где для получения наномагнитов необходимы экстремальные температуры – 1000 градусов Цельсия.

Профессор геологических наук Ричард Патрик (Richard Patrick) считает: «Это удивительная работа, которая открывает захватывающие перспективы для биологически дружественного, энергосберегающего метода производства наночастиц, предназначенных для самых различных целей».

Статья «Harnessing the extracellular bacterial production of nanoscale cobalt ferrite with exploitable magnetic properties» была недавно опубликована в ACS Nano.

По материалам University of Manchester.

Оригинал статьи

Scientists make tiny new magnets from old bugs

Наночастицы серебра оказывают токсический эффект на рыб

Согласно исследованию ученых из Университета Пердью (Purdue University) наночастицы, все больше приобретающие популярность как бактерицидные средства, оказывают токсическое воздействие на рыб.

При испытании на толстоголовых пескарях – часто используемых для проверки токсических эффектов на водную фауну организмах – раствор с суспендированными наночастицами оказал на рыб не только токсическое, но и летальное воздействие. Когда наночастицы осели, раствор стал в несколько раз менее токсичным, но все еще вызывал у рыб развитие уродств.

«Нитрат серебра намного более токсичен, чем наночастицы серебра, но когда наночастицы были подвергнуты обработке ультразвуком, их токсичность выросла десятикратно», - говорит Мария Сепулведа (Maria Sepúlveda), доцент кафедры лесного хозяйства и природных ресурсов. «Существует явная причина для беспокойства». Результаты ее исследований опубликованы в журнале Ecotoxicology.

Сепулведа и докторант Джефф Лаван (Geoff Laban) подвергли пескарей воздействию наночастиц на различных стадиях развития – от эмбрионов до момента, когда мальки начинают всплывать со дна, чтобы добыть пищу. Даже без обработки ультразвуком наночастицы вызывали пороки развития, такие как геморрагии и отеки, которые в конечном итоге оказывались смертельными.

С помощью электронного микроскопа Сепулведе удалось обнаружить наночастицы серебра размером в 30 нанометров (и менее) в эмбрионах пескарей. 30 нанометров более чем в 3000 раз меньше, чем диаметр человеческого волоса.

«Такие наночастицы настолько малы, что свободно проходят через мембрану яйца и достигают эмбриона рыбы меньше, чем за один день», - говорит Сепулведа. «Они содержат потенциально высокую дозу серебра».

Наночастицы серебра приобретают все большую популярность как компонент многих промышленных продуктов. Их используют для уничтожения бактерий в таких товарах, как разделочные доски, столешницы, моющие средства, спецодежда. На настоящий момент практически не существует правил, регулирующих применение наночастиц серебра в различных товарах, но Рон Турко (Ron Turco), профессор агрономии и соавтор статьи, говорит, что Агентство по охране окружающей среды (Environmental Protection Agency) пересматривает сложившуюся ситуацию.

Турко также указывает на то, что для оценки текущего уровня выбрасываемых в окружающую среду наночастиц серебра практически не сделано ничего.

«Как антибактериальное средство серебро использовалось и в прошлом. Давно известна его токсичность для микроорганизмов», - говорит он. С точки зрения воздействия на окружающую среду FDA (Food and Drug Administration) относит наносеребро к категории, близкой к пестицидам.

Турко считает, что пока неизвестно, какое воздействие наночастицы серебра могут оказать на здоровье человека. Однако растворы серебра рассматриваются некоторыми специалистами как пробиотические, и их низкие дозы иногда применяются при заболеваниях кишечника.

«Правильное использование наночастиц серебра может обеспечить ряд санитарных преимуществ», - считает Турко. «Однако неизбирательное включение наночастиц в продукты, единственной целью чего является заявить об их антибактериальном эффекте, создает опасный прецедент».

Сепулведа собирается разработать несколько тестов, чтобы понять, какое воздействие наночастицы могут оказать на рыб и другие организмы. Она также работает над созданием методики, позволяющей определять концентрации наночастиц серебра в окружающей среде.

«Как мы может определить степень риска, пока не узнаем концентрацию этих частиц?», - резонно заявляет Сепулведа.

По материалам Purdue University.

Оригинал статьи

Popular Nanoparticle Causes Toxicity in Fish, Study Shows

Атмосферные наночастицы отрицательно влияют на погоду и здоровье человека

Наночастицы, находящиеся в атмосфере, настолько малы, что невидимы для невооруженного глаза, но они могут оказать значительное влияние на погоду и здоровье человека на всей планете – и совсем не в положительную сторону. К такому выводу пришли ученые из Texas A&M University.

Ученые Реньи Жанг (Renyi Zhang), Алексей Хализов (Alexei Khalizov) и их коллеги, сотрудники кафедры наук об атмосфере и химии, сообщают, что наночастицы появляются в атмосфере во все больших количествах и в различных частях планеты, но как они туда попадают, остается тайной.

Исследование опубликовано в текущем номере журнала Nature Geoscience.

Ученые рассматривают вопрос о том, как образуются атмосферные наночастицы и их связь с определенными органическими парами, ответственными, по мнению исследователей, за усиливающийся рост их количества.

«Это один из самых плохо понимаемых из всех атмосферных процессов», - говорит Жанг. «Но мы обнаружили, что производство определенных типов органических соединений имеет тенденцию к быстрому росту. Такие вещества отражают солнечный свет и направляют его обратно в космическое пространство, что определенно производит охлаждающий эффект – что-то наподобие «обратного парникового эффекта». Это может изменить модель климата Земли. Развиваются также негативные тенденции влияния таких процессов на здоровье людей».

Больные с проблемами дыхания, такими как астма, эмфизема и другие легочные заболевания, оказываются в таком случае в группе риска.

Жанг сообщает, что они использовали новые методы измерения количества наночастиц и разработали новые модели для определения их влияния на атмосферу.

«Такие изменения в атмосфере, как мы убеждаемся, представляют собой наиболее драматичные последствия влияния наночастиц», - добавляет Жанг.

«Наночастицы могут привести к изменениям в образовании облаков, что в свою очередь окажет влияние на погоду на всей планете и может стать глобальной проблемой. Мы пытаемся лучше понять, как и почему увеличивается количество таких наночастиц и к каким последствиям это может привести».

«Они могут образовываться в непосредственной близости от регионов, таких как Хьюстон, где много нефтехимических заводов, большое количество аэрозолей от выбросов транспортных средств и промышленных предприятий. Но мы пока только пытаемся узнать, как они образуются и взаимодействуют с атмосферой».

Многие виды деревьев и других растений также вносят свой вклад в образование наночастиц, что является естественным процессом. Определенные виды органических материалов тоже могут ускорить рост количества наночастиц. Все это вместе взятое в конечном итоге влияет на атмосферу и очень часто на образование облаков, в которых аэрозоли отражают свет и радиацию, возвращая их в космос, и образуют основу для дождевых капель.

«Наночастицы очень малы – примерно в миллион раз меньше, чем обычная капля дождя. Но то, что они делают, может оказать огромное влияние на нашу погоду», – заключает Жанг.

По материалам Texas A&M University.

Оригинал статьи

Atmospheric Nanoparticles Impact Health, Weather Professor Says

В лабораториях ученых

Пиретрум девичий и резистентность к тамоксифену

Сочетание тамоксифена, наиболее часто назначаемого при раке груди препарата, с соединением, обнаруженным в Пиретруме девичьем, может предотвратить первичную или выработанную в процессе лечения резистентность к этому препарату, считают ученые из Центра комплексного исследования раковых заболеваний Ломбарди при Университете Джорджтауна (Georgetown Lombardi Comprehensive Cancer Center).

Открытие, о котором сообщено в он-лайн версии журнала FASEB Journa, дает новое понимание биологических оснований такой резистентности и предлагает метод ее предотвращения.

«Решение проблемы резистентности к тамоксифену остро необходимо, и если стратегия, подобная описанной, работает, это изменит клиническое лечение рака груди», - говорит руководитель исследования Роберт Кларк (Robert Clarke), профессор онкологии и физиологии, а также биофизики в Ломбарди, отделении Медицинского центра Университета Джорджтауна.

Кларк добавляет, что исследуемое ими чистое химическое вещество партенолид, выделенное из пиретрума, испытывается и другими учеными в качестве препарата для лечения как многих других форм рака, так и других заболеваний. Пиретрум давно используется в народной медицине и особенно известен своим воздействием на головную боль и артрит. Латинское название пиретрума означает «снимающий лихорадку», и растение представляет собой обычный садовый кустик с маленькими цветками, похожими на маргаритки.

«У этого химического вещества действительно есть потенциал, и мы должны как можно быстрее выяснить, может ли оно решить проблему резистентности к тамоксифену», -говорит Кларк.

Тамоксифен является препаратом выбора при лечении рака молочной железы, если считать, что рост опухоли вызывается гормоном эстрогеном. Большинство диагностируемых в последнее время случаев рака груди - около 70% - попадают в эту категорию. Но около половины из этих случаев с самого начала не реагируют на тамоксифен, предназначенный для блокирования соединения гормона с клеточным белковым рецептором, а многие реагирующие пациенты подвергаются риску развития последующей резистентности и рецидива опухоли.

Кларк и его коллеги поставили своей целью установить, регулируется ли резистентность к тамоксифену белковым комплексом NF-κB (ядерный фактор «каппа-би» - nuclear factor kappa B), повышенная экспрессия которого часто наблюдается при эстроген-зависимых опухолях. Считается, что ядерный фактор «каппа-В» увеличивает выживаемость поврежденных клеток. Ранее ученые установили, что повышенная экспрессия этого фактора наблюдается и в клетках, резистентных к тамоксифену, а также обнаружили, что резистентность к другому подобному тамоксифену препарату - фульвестранту -контролируется белком (Bc12), который сам регулируется NF-κB.

«Нашей научной задачей было выяснить, влияет ли на резистентность к тамоксифену блокирование NF-κB, и если да, то почему», - говорит Кларк.

Ученые провели серию экспериментов с использованием партенолида, оказывающего влияние на NF-κB, и обнаружили, что в резистентных раковых клетках партенолид блокировал активность NF-κB, делая их вновь чувствительными к такомсифену. Затем они заблокировали NF-κB в резистентных к тамоксифену клетках и обнаружили, что это оказало тот же эффект, что и партенолид.

Позднее было установлено, что усиленная активация NF-κB может изменить чувствительность к тамоксифену модулированием белка CASP8, задействованного в запрограммированной клеточной смерти. CASP8, в свою очередь, оказывает влияние на Всl2, который также подталкивает поврежденную клетку к смерти.

«Когда клетка рака груди получает тамоксифен, это фактически является для нее сигналом-предшественником смерти, так как блокируется доступ к эстрогену, и клетка воспринимает это как смертельный удар», - объясняет Кларк. «Такие поврежденные клетки прибегают к помощи CASP8 и Bcl2 для включения механизмов умирания».

«Но у клетки есть способы противостоять сигналу о смерти, и одним из важнейших из них является активация NF-κB, контролирующего экспрессию генов, необходимых для выживания», - говорит он. «Теперь клетка считает, что должна жить, а не умереть».

Так как фактор NF-κB контролирует CASP8 и Bcl2, он может в значительной степени заблокировать их. Сигнал к выживанию становится сильнее сигнала о смерти.

Однако, хотя последнее исследование углубляет понимание механизмов резистентности к тамоксифену, очень многое еще не понятно. «Мы не знаем, когда в процессе трансформации от чувствительности к тамоксифену к резистентности к нему наблюдается усиленная экспрессия NF-κB, и мы не знаем о других способах адаптации, которые могут проявлять раковые клетки. Вероятно, справедливости ради, нужно сказать, что это ужасно сложный процесс», - признается Кларк.

В этой связи Кларк не может предсказать, скольким женщинам поможет сочетание тамоксифена и партенолида. Наука пока очень далека от каких-либо рекомендаций и настойчиво рекомендует женщинам не применять пищевые добавки с пиретрумом для лечения рака.

Тем не менее, он полон надежды. «Каждая опухоль молочной железы слегка отличается от другой, но мы знаем, что многие из них используют NF-κB, так как при этой форме рака можно найти избыточные количества такого белка». Это позволяет предположить, что раковые опухоли могут быть чувствительны к таким подходам, в которых блокируются направленные на выживание сигналы.

По материалам Georgetown University Medical Center.

Оригинал статьи

Flower Power May Reduce Resistance to Breast Cancer Drug Tamoxifen

Вглубь живой материи

Молекулы воды приоткрывают физикам тайны жизни

Вода, вещество с крайне необычными свойствами, такими как способность сохранять большое количество тепла и терять плотность при замерзании, как известно, является ключом к жизни. Она ведет себя столь отлично от других жидкостей, что, фактически, по некоторым расчетам, вообще не может существовать. Ученые сделали несколько открытий о вездесущей жидкости, предполагая, что взаимодействие отдельных молекул воды со своими соседями может однажды быть использовано для разрешения некоторых из самых сложных проблем – от сельского хозяйства до лечения рака.

Исследование, руководимое Прадипом Кумаром (Pradeep Kumar), научным сотрудником Центра изучения физики и биологии Университета Рокфеллера (Rockefeller University's Center for Studies in Physics and Biology), изучающим роль воды в биологических процессах, сделало возможным определить, как взаимодействие между молекулами воды влияет на свойства биосистемы. Оно также открывает путь к пониманию того, как вода может быть использована для усиления или предотвращения растворения в ней различных веществ – достижения, которое коснется всех сфер жизни общества – от реформирования сельского хозяйства до улучшения химиотерапевтических препаратов, побочные эффекты которых зависят от их растворимости или нерастворимости в воде.

Кумар и его коллеги впервые проследили поведение отдельных молекул воды в переохлажденном состоянии (когда вода остается в жидкой форме даже при температуре ниже точки ее замерзания), при котором усиливаются многие из ее аномальных свойств. «Когда вы ставите воду в морозильник, она не замерзает мгновенно», - говорит Кумар. «На это нужно какое-то время. Если вы взяли очень чистую воду, ее температуру можно понизить до 230 градусов по Кельвину и все еще иметь достаточно времени для измерения различных ее физических свойств, включая теплоемкость в жидком состоянии». Кумар и его коллеги использовали теоретический и вычислительный подходы к моделированию активности таких молекул воды и оценили их взаимодействие с соседями.

В жидком состоянии каждая молекула воды кратковременно взаимодействует со своими четырьмя ближайшими соседями, образуя тетраэдр, объясняет Кумар. Однако эти тетраэдры немного неправильны, и степень их неправильности меняется по мере изменения температуры и давления, что в конечном итоге и определяет то, какие именно молекулы взаимодействуют друг с другом. Кумар пришел к выводу, что именно колебания в способности принимать форму тетраэдра в наибольшей степени влияют на самые известные и ценные свойства воды – ее способность противостоять нагреванию или охлаждению и таким образом регулировать и поддерживать температуру в биологических системах.

Возможность измерить колебания способности к образованию тетраэдров дает ученым средство для измерения того, какая степень упорядочения или хаотичности присуща каждой молекуле воды. Чем совершеннее тетраэдр, тем более упорядочена система. «По существу мы определили структурную энтропию каждой молекулы в нашей системе», - говорит Кумар. «А так как молекулы постоянно перемещаются в пространстве и во времени, это дает нам возможность изучить перемещение энтропии, ассоциированной с локальной способностью к образованию тетраэдров – то, чего никогда не было сделано раньше».

Понимание того, как отдельные молекулы воды перемещаются в системе, образуя мерцающие тетраэдрические структуры, и как изменяющиеся условия, такие как температура и давление, влияют на количество неупорядоченности, придаваемой ими системе, может помочь ученым объяснить, почему одни вещества, такие как химиотерапевтические препараты, растворимы в воде, а другие - нет.

Это поможет понять, как меняющаяся сеть связей и упорядочение локальной способности к образованию молекулами воды тетраэдров влияют на характер фолдинга белков - спонтанного сворачивания полипептидной цепи в уникальную структуру – и их деградации. «Понимание феномена гидрофобности и того, как ее меняют различные условия, вероятно, один из самых фундаментальных вопросов о том, как в воде происходит сборка белковых молекул и как различные биомолекулы сохраняют в ней стабильность», - говорит Кумар. «И если мы поймем это, мы не только научимся по-новому мыслить в физике и биологии, но и получим совершенно новый подход к здоровью и болезнях».

По материалам Rockefeller University.

Оригинал статьи

By Tracking Water Molecules, Physicists Hope to Unlock Secrets of Life