ВЫПУСК 100

Лечение акне с помощью «нанобомб» с лауриновой кислотой

Натуральное вещество, найденное в кокосовом масле и в человеческом грудном молоке – лауриновая кислота – может привести к созданию новых методов лечения акне благодаря аспиранту-биоинженеру из Высшего технического училища Джейкобса (Jacobs School of Engineering) Университета Калифорнии – Сан-Диего (University of California - San Diego). Она разработала «умную» систему доставки - опубликованную в журнале ACS Nano – способную доставить наполненную лауриновой кислотой наноразмерную «бомбу» прямо в живущую в коже бактерию (Propionibacterium acnes), вызывающую акне.

Аспирант-биоинженер Порнпаттананангкул (Pornpattananangkul) представила свою последнюю работу по экспериментальной системе доставки препарата против акне на Research Expo - ежегодной научно-исследовательской конференции Высшего технического училища Джейкобса Университета Калифорнии, Сан-Диего.

От acne vulgaris, известного также как вульгарные, или юношеские прыщи, страдают более 85 процентов подростков и более 40 миллионов человек только в США. Применяемые в настоящее время методы лечения имеют нежелательные побочные эффекты, включая покраснение и жжение. Исследователи из Университета Калифорнии, Сан-Диего, надеются, что лечение на основе лауриновой кислоты поможет избежать этих побочных эффектов.

«Приятно осознавать, что у меня есть шанс разработать лекарство, которое может помочь людям с угревой сыпью», - говорит Порнпаттананангкул, проводившая свое исследование в Лаборатории наноматериалов и наномедицины (Nanomaterials and Nanomedicine Laboratory) Университета Калифорнии, Сан-Диего.

Новая «умная» система доставки включает в себя наночастицы золота, связанные с поверхностью наполненных лауриновой кислотой «нанобомб». Наночастицы золота не дают нанобомбам (липосомам) сливаться. Они также помогают им найти вызывающие акне бактерии по основе кожного микроокружения, включая рН.

Когда нанобомбы достигают бактериальных мембран, кислое микроокружение заставляет золотые наночастицы отделиться от них. Это позволяет несущим груз лауриновой кислоты липосомам слиться с бактериальной мембраной и убить бактерии Propionibacterium acnes.

Точно контролируемая нанодоставка лекарств, наносимых местно на кожу, может значительно улучшить лечение бактериальных кожных инфекций. Доставляя препараты непосредственно в нужную бактерию, ученые надеются усилить антибактериальную эффективность и минимизировать нецелевые побочные эффекты. Все строительные блоки нанобомб – либо натуральные продукты, либо одобрены для клинического применения, что означает, что нанобомбы, вполне вероятно, пройдут клинические испытания в ближайшем будущем.

Порнпаттананангкул, таиландка по происхождению, говорит, что то, что ее исследование касается натурального продукта, получаемого из кокосов – основы тайской кухни – является простым совпадением.

Оригинал статьи

Treat acne with coconut oil and nano-bombs

В лабораториях ученых

Новая система для определения массы отдельной клетки

Используя датчик, взвешивающий клетки с беспрецедентной точностью, ученые из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology) и Гарвардского университета (Harvard University) измерили скорость, с которой отдельная клетка накапливает массу – достижение, которое сможет пролить свет на то, как клетки регулируют свой рост и почему такая регуляция терпит неудачу в раковых опухолях.

Группа ученых под руководством адъюнкт-профессора кафедры биоинженерии Массачусетского технологического института Скотта Маналиса (Scott Manalis) показала, что отдельные клетки сильно различаются по скорости роста, а также нашла доказательства того, что клетки растут экспоненциально, то есть тем быстрее, чем больше они становятся.

Новая измерительная система, описанная в журнале Nature Methods, представляет собой первый метод, с помощью которого можно измерять массу клетки по мере ее роста в течение определенного периода времени – от 5 до 30 минут. Ранее используемые методы измерения скорости роста были сосредоточены на объеме или длине и не демонстрировали необходимой точности для создания модели роста отдельной клетки.

«Новый метод должен дать ученым возможность выявить взаимосвязь между ростом клетки и ее делением – взаимосвязь, которая до сих пор остается неясной», - говорит Марк Киршнер (Marc Kirschner), профессор системной биологии в Гарвардской медицинской школе (Harvard Medical School) и автор статьи в Nature Methods. В то время как биологи хорошо представляют, как регулируется цикл деления, «проблема роста клетки – как клетка регулирует количество синтезируемого ею вещества – далека от разрешения».

Давний вопрос в исследованиях клеточного роста - это вопрос о том, является ли он линейным или экспоненциальным. Предыдущие исследования давали противоречивые данные.

«В пределах двукратного увеличения размера, наблюдаемого у большинства делящихся клеток, кривые линейного и экспоненциального роста отличаются менее чем на 10 процентов, поэтому погрешность измерений должна быть намного ниже, чем эта величина», - комментирует Маналис, сотрудник Института интегральных исследований рака Дэвида Коха Массачусетского технологического института (MIT’s David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research).

Ученые изучали четыре типа клеток: два штамма бактерий (E. coli и B. subtilis), штамм дрожжей и лимфобласты млекопитающих (предшественники белых клеток крови). Они показали, что клетки B. subtilis демонстрировали экспоненциальный рост, но убедительных доказательств для E.coli получено не было. «Объясняется это тем, что между отдельными клетками E. coli наблюдаются огромные различия в скорости роста, даже среди клеток с аналогичной массой», - считает Франциско Дельгадо (Francisco Delgado), аспирант Маналиса и соавтор статьи.

Если клетки действительно растут в геометрической прогрессии, это значит, что должен существовать какой-то механизм регуляции роста, считает Киршнер. В противном случае, если они делятся на две слегка отличающиеся размером дочерние клетки, как это часто происходит, клетка большего размера в каждом последующем поколении всегда будет расти быстрее, чем клетка меньшего размера, что приведет к несогласованности их размеров. Между тем клетки, как правило, не демонстрируют такого поведения благодаря механизму, который пока непонятен биологам.

Датчик массы клетки, впервые продемонстрированный Маналисом в 2007 году, состоит из заполненного жидкостью микроканала в мельчайшей кремниевой пластине, вибрирующей в вакууме. Когда клетки по одной проплывают по каналу, их масса слегка меняет частоту колебаний пластины. Масса клетки может быть рассчитана по этому изменению в частоте колебаний с разрешением в фемтограмм (10^-15 грамма), что меньше 0.01% веса лимфобласта в растворе.

Мишель Годен (Michel Godin), бывший научный сотрудник лаборатории Маналиса и один из соавторов статьи, разработал способ захвата отдельной клетки внутрь микроканала с помощью точной координации направления движения потока. Это дает исследователям возможность неоднократно провести отдельную клетку через канал с частотой примерно один раз в секунду, измеряя ее при каждом проходе.

«Новая система демонстрирует значительные преимущества над любым из существующих методов для измерения клеток», - утверждает Фред Кросс (Fred Cross), профессор Университета Рокфеллера (Rockefeller University), изучающий цикл дрожжевых клеток. «Так как она непосредственно измеряет биомассу (по крайней мере, чистую биомассу с плотностью больше, чем у воды) путем поистине поразительного приема измерения отдельной клетки, неясности и неточности, неизбежно связанные с предыдущими более косвенными измерениями, исключены».

В проводимом сейчас исследовании Маналис и его студенты помечают флуоресцентными молекулами внутриклеточные белки, выявляя на какой стадии цикла находятся клетки, что позволит им связать их размер с нахождением на определенной стадии и в конечном итоге получить модель роста дрожжевых клеток и клеток млекопитающих. Они также работают над способом добавления химических веществ, таких как питательные вещества, антибиотики и противораковые препараты, к жидкости внутри микроканала с тем, чтобы изучить их воздействие на скорость роста.

Оригинал статьи

Weighing the cell

Вглубь живой материи

ДНК и ее комплексы

На протяжении всей жизни механизмы репарации ДНК проявляют активность, защищая генетический код человека от повреждающего воздействия многих факторов (УФ-излучения и т.д.). Эта их функция обеспечивается комплексом NER.

Группа французских исследователей во главе с Жан-Марком Эгли (Jean-Marc Egly), директором по исследованиям Института генетики и молекулярной и клеточной биологии (Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire - IGBMC) Национального центра научных исследований (Centre national de la recherche scientifique – CNRS) Университета Страсбурга (Université de Strasbourg) показала, что функции NER выходят далеко за рамки репарации ДНК: он регулирует транскрипцию – первый этап во всех необходимых для жизни процессах.

Исследование опубликовано в журнале Molecular Cell.

Восстановление поврежденной ДНК

Для защиты и сохранения генетического кода человеческий организм использует несколько стратегий. Вредное воздействие физических и химических мутагенов вызывает повреждения ДНК и нарушает генетическое кодирование. Если системы репарации не реагируют на такие повреждения, они приводят в мутациям, вызывающим рак и старение. Исследование, проведенное Жан-Марком Эгли несколько лет назад, привело к открытию (благодаря выявлению фактора TFIIH) связи между механизмами считывания гена и механизмом репарации ДНК комплексом NER (nucleotide excision repair – эксцизионная репарация нуклеотида), гарантирующим генетическую стабильность.

Благодаря этому открытию удастся лучше понять заболевания, обусловленные сменой механизма репарации ДНК. Это относится, например, к «детям Луны», страдающим от пигментной ксеродермии, редкого заболевания, характеризующегося чрезвычайной чувствительностью к солнечному свету и очень большим риском развития рака кожи. Заболевание связывается с мутациями в одиннадцати генах, задействованных в механизмах репарации. Однако самих мутаций недостаточно, чтобы объяснить неврологические симптомы и нарушения в развитии у более чем трети больных этим заболеванием.

Ученые выдвинули гипотезу: различные факторы, задействованные в репарации ДНК, выполняют функции, не ограничивающиеся вышеописанным.

…и регуляция транскрипции

Новое исследование было проведено с целью выяснения функций NER в условиях, когда ДНК не подвергается воздействию мутагенов. Из данных, полученных французскими учеными, явствует, что различные факторы комплекса NER регулируют генную транскрипцию. Каждый из факторов принимает участие в механизмах модификации хроматина, подготавливая отправную точку синтеза молекул РНК на матрице ДНК, то есть транскрипции. Без этих факторов транскрипция будет очень ограниченной.

Репарационные и транскрипционные функции NER активируются в зависимости от его точной локализации. Для Жан-Марка Эгли «это открытие объясняет многообразие симптомов, наблюдаемых при пигментной ксеродерме. Оно представляет собой большой шаг вперед в понимании «эпигенетических» механизмов, регулирующих генетический код и не позволяющих генам осуществлять правильное кодирование в нужном месте в нужное время».

Оригинал статьи

DNA and its complexes

Открыта новая функция слияния митохондрий

Типичная клетка человеческого организма содержит сотни митохондрий – вырабатывающих энергию органелл, которые постоянно сливаются и делятся. Однако о том, почему митохондрии демонстрируют такое поведение, известно относительно мало.

В статье, опубликованной в журнале Cell, группа ученых, руководимая исследователями из Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology), описала предпринятые ими шаги в направлении более полного понимания процесса слияния митохондрий. Ученые выявили, что происходит с органеллой, ее ДНК (мтДНК) и способностью вырабатывать энергию, когда слияние митохондрий по какой-либо причине не происходит. Они показали, что слияние (объединение двух митохондрий) является функцией активной защиты, позволяющей митохондрии противостоять очень большому грузу мутаций митохондриальной ДНК.

«Эти выводы помогают пролить свет на патогенез митохондриальных энцефаломиопатий человека – класса нервно-мышечных заболеваний, обусловленных мутациями в мтДНК. Симптомом этих заболеваний является мышечная слабость, возникающая в результате недостаточной выработки энергии митохондриями», - говорит Дэвид Чэн (David Chan), адъюнкт-профессор кафедры биологии Калифорнийского технологического института и научный сотрудник Медицинского института Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute).

Когда слияние митохондрий было открыто, считалось, что оно нужно просто для регуляции их формы. И действительно, говорит Чэн, по крайней мере, частично это верно. Если бы слияние не противостояло делению, по мере деления митохондрии становились бы все меньше и меньше.

Но чему не придавалось значения в прошлом и что выявляет исследование, описанное в статье в Cell – это то, что такие маленькие митохондрии претерпевают в процессе слияния гораздо больше, чем простые косметические изменения. «Мы продемонстрировали, что в клетках млекопитающих отсутствие слияния митохондрий ведет к физиологическим последствиям», - говорит Чэн.

Для демонстрации того, что происходит, ученые получили линию мышей с дефектами в двух белках, известных как митофузины - mfn1 и mfn2 – локализованных на поверхности митохондрий и играющих важную роль в процессе их слияния. «Мы смогли избирательно удалить эти митофузины в клетках скелетной мускулатуры», - объясняет Чэн.

Как выяснилось, при блокировании слияния митохондрии не только становятся меньше, но и стремительно падают уровни их ДНК. А что же с самими мышами? Хотя сразу после рождения они выглядят относительно нормально, в течение ближайших двух месяцев начинают появляться признаки того, что что-то идет ненормально. Рост животных сильно приостанавливается, и они умирают в возрасте 7-8 недель, едва достигнув половозрелости.

Митохондриальная ДНК, оставшаяся в таких не слившихся митохондриях, демонстрирует накопление мутаций и делиций. Другими словами, без слияния мтДНК содержит больше ошибок, что предполагает обязательность этого процесса для ее стабильности.

Эта работа может иметь большое значение для нашего понимания того, как и почему развиваются митохондриальные энцефаломиопатии человека. Ученые отмечают, что большинство клеток обладают чрезвычайно высокой устойчивостью к мутациям митохондриальной ДНК, вызывающим эти заболевания. Действительно, чтобы у человека проявились их симптомы, мутации должны присутствовать в 60-90% мтДНК.

Почему? Возможно, потому что каждая клетка несет так много копий мтДНК, что «нормальные» варианты способны преодолеть влияние мутированных – но только если митохондрии время от времени могут сливаться и объединять свою генетическую информацию.

В другой серии экспериментов Чэн и его коллеги показали, что это действительно так. Эксперименты проводились на модели мышей с большим количеством мутаций мтДНК. Из-за этих мутаций, объясняет Чэн, продолжительность жизни животных этой линии в два раза меньше, чем нормальных.

Однако дело может обстоять еще хуже, что и показали Чэн и его коллеги, когда изменили модель так, что митохондрии не могли сливаться. «Добавив к этой модели мутацию в mfn1, мы обнаружили, что мыши не только не доживают до 1 года, но умирают при рождении», - говорит Чэн. Эти результаты показывают, что слияние митохондрий активно защищает клетки, несущие мутации мтДНК, как в случае энцефаломиопатий.

Теперь, когда определены проблемы, обусловленные отсутствием слияния, ученые планируют обратиться к механизму, ведущему к их возникновению. «Почему уменьшается количество мтДНК? Почему уменьшается точность генома мтДНК? Вот что мы собираемся сейчас изучать», - определяет планы на будущее Чэн.

Оригинал статьи

Caltech-led Team Uncovers New Functions of Mitochondrial Fusion

Откуда мы?

Предыстория жизни: рибосомы бактерий демонстрируют особенности древнего генетического кода

За некоторыми исключениями все известные формы жизни на нашей планете основаны на одном и том же генетическом коде, определяющем аминокислотный состав белков. Хотя существует множество различных гипотез, вопрос о том, как отдельные аминокислоты стали соответствовать конкретным трехбуквенным комбинациям кодонов в процессе эволюции генетического кода, до сих пор остается объектом научных размышлений.

Принимая во внимание реликтовые следы этой эволюции, сохранившиеся в современных клетках, ученые Института биологических исследований Солка (Salk Institute for Biological Studies) пришли к выводу, что только после двух волн «согласования» и нескольких последних «доработок» все 20 известных аминокислот были твердо закреплены за соответствующими кодонами, подготавливая почву для появления белков с уникальными последовательностями и свойствами.

Их выводы, которые будут опубликованы в интернет-издании Proceedings of the National Academy of Sciences, основываются на первых полученных in vivo данных, проливающих свет на происхождение и эволюцию генетического кода.

«Несмотря на то, что, по всей видимости, за длинный период химической эволюции проверку проходили разные алгоритмы, современный код оказался настолько прочным и надежным, что, будучи однажды созданным, он дал рождение всего древу жизни», - говорит руководитель исследования Лей Ван (Lei Wang), адъюнкт-профессор лаборатории химической биологии и протеомики.

«Но универсальность кода делает очень сложным изучение его формирования, так как не существует организмов, использующих более ранний и примитивный или промежуточный генетический код, который можно было бы проанализировать для сравнения», - объясняет он.

Клетки выполняют огромное количество функций, которые охватывают все нужды нашего организма, но при этом они построены из очень ограниченного числа молекулярных строительных блоков. За некоторыми исключениями все известные формы жизни используют одни и те же 20 аминокислот – и только эти 20 – для поддержания жизни таких разных организмов, как люди и дождевые черви, крошечные маргаритки и гигантские секвойи.

Каждая из 20 аминокислот соответствует своей молекуле-переносчику – транспортной РНК (тРНК). В процессе синтеза белка, который координируется рибосомами, аминокислоты одна за другой переносятся соответствующими тРНК и вставляется в растущую белковую цепочку в соответствии с инструкциями, изложенными на универсальном языке жизни – генетическом коде. Код читается с помощью антикодонов, включенных в каждую молекулу тРНК, комплиментарных своим кодонам.

Чтобы объяснить, почему кодоны избирательно соотнесены с конкретными аминокислотами, было выдвинуто несколько гипотез. «Одна из теорий, стереохимическая, получила некоторое подтверждение, когда ученые доказали, что короткие кодон- или антикодон-содержащие молекулы полинуклеотидов легко взаимодействуют с соответствующими им аминокислотами», - говорит аспирант и автор статьи Дэвид Б. Джонсон (David B. F. Johnson).

Если химическое или физическое взаимодействие между аминокислотами и нуклеотидами действительно стимулировало формирование генетического кода, рассуждал Джонсон, то можно найти реликты этого взаимного сродства в современных клетках. Он сосредоточил свое внимание на рибосомах – больших комплексах, состоящих примерно из 50 белков, тесно взаимодействующих с рибосомальными РНК.

«Кроме того, рибосомы пришли к нам из ранней стадии эволюции жизни, помогая переводу генетического кода, возникшего до проявления первого общего универсального предка», - объясняет Ван, - и поэтому, скорее всего, могут служить молекулярными «ископаемыми», сохранившими биологические доказательства».

Когда Ван и Джонсон зондировали бактериальные рибосомы на следы генетического кода, они нашли доказательства того, что взаимодействие аминокислот и нуклеотидных триплетов антикодонов помогало установлению соответствующих пар. «Теперь у нас есть основания считать, что генетический код был создан в два этапа», - говорит Джонсон.

Их данные не проливают особенно много света на ранний код, состоявший из доступных в пребиотических условиях аминокислот – подобных тем, что образовывались в знаменитом эксперименте Стэнли Миллера. Но когда были созданы некоторые примитивные механизмы трансляции, к смеси добавились новые аминокислоты и начали проникать в генетический код, основанный на взаимодействиях конкретных аминокислот с антикодонами.

«Мы нашли доказательства, что некоторые аминокислоты были пересоотнесены с различными кодонами, но когда код стал соответствовать условиям, он занял свое место», - говорит Джонсон. «Это, возможно, было не лучшее, но единственно осуществимое в то время решение».

Оригинал статьи

The Pre-History of Life: elegantly simple organizing principles seen in ribosomes

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