ВЫПУСК 94

Наноразмерный датчик-«невидимка» исследует внутреннюю среду клетки

Наноразмерный датчик, предназначенный для проникновения в мембрану клетки и сливающийся с ней, может открыть ученым портал для расширенной «прослушки» внутренней электрической активности отдельной клетки. Современные методы зондирования клетки настолько разрушительны, что обычно позволяют проводить наблюдения в течение всего нескольких часов до того, как клетка умирает. Исследователи из Стэнфорда первыми смогли имплантировать неорганическое устройство в клеточную мембрану, не нанося ей вреда.

Ключевой особенностью зонда является то, что он имитирует естественные поры в мембране клетки, говорит Ник Мелош (Nick Melosh), доцент кафедры материаловедения и инженерии Стэнфордского университета (Stanford University), в лаборатории которого проведено это исследование. После модификации зонд может служить каналом для введения лекарств в хорошо защищенную внутреннюю среду клетки. Он может также обеспечить улучшенное крепление протезов нервной системы, таких как глубокие импланты мозга, используемые для лечения депрессии.

Покрытый металлом кремниевый зонд длиной в 600 нанометров встраивается в мембраны в лабораторных условиях так незаметно, что исследователи-разработчики окрестили его «стелс»-зондом.

«Зонды спонтанно сливаются с мембранами и хорошо закрепляются в них. Закрепление настолько прочно, что мы не можем их вытащить. Мембраны скорее подвергаются деформации, чем отпускают зонды», - говорит Мелош.

Мелош и аспирант материаловедения и инженерии Бенджамин Элмквист (Benjamin Almquist) – соавторы статьи о разработке, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences. Статья доступна в Интернете.

«До сих пор при прокалывании клеточной мембраны мы в основном полагались на грубую силу», - говорит Мелош. «Чаще всего мы проделываем отверстия в мембране клетки с помощью всасывания. Можно использовать и высокое напряжение, но оба способа являются достаточно разрушительными. Многие клетки не выживают». Это ограничивает продолжительность любого наблюдения, особенно измерения электрических характеристик функций клетки.

Ключом к легкому проникновению зонда и хорошему его удержанию мембраной является то, что Милош и Элмквист за основу свой конструкции взяли один из находящихся в мембране клетки белков, функционирующих в качестве пор и регулирующих, какие молекулы должны попасть в клетку, а какие нет.

Мембрана клетки – это окруженная стенами крепость. Внутри самой стены находится водоотталкивающая, или гидрофобная зона. Так как почти все молекулы в живых организмах являются водорастворимыми, гидрофобная часть мембраны действует как барьер, не позволяющий молекулам проходить через клеточную стенку. Единственный способ попасть внутрь клетки или выйти из нее – это преодолеть барьер с помощью специальных белков, образующих мостики для прохода через мембрану.

Такие трансмембранные белковые поры соответствуют архитектуре мембраны с ее центральной гидрофобной зоной, ограниченной двумя водорастворимыми, или гидрофильными слоями.

«Мы сделали неорганический аналог одного из таких белков, находящихся в мембране и не разрушающих ее», - говорит Мелош. «Теперь мы можем использовать его для создания своей собственной поры».

Чтобы получить такой зонд, Мелош и Элмквист прибегли к нанотехнологическим методам, используемым в полупроводниковой промышленности, сделав мельчайшие кремниевые столбики, концы которых покрыты тремя тонкими слоями металла – слой золота между двумя слоями хрома – для соответствия похожей на сэндвич структуре мембраны. Для придания гидрофобности золотому ободку ученые покрыли его молекулами углерода. Ободки из хрома проявляют естественные свойства гидрофильности.

«Получение гидрофобного ободка толщиной всего в несколько нанометров было невероятно сложной технической задачей», - говорит Мелош. Нанесение такого тонкого слоя на конец зонда диаметром в 200 нанометров существующими методами было невозможно, поэтому для его создания он и Элмквист разработали новую технологию с использованием осаждения металла.

Такое тщательно нанесенное металлическое покрытие зонда-невидимки дает исследователям доступ к внутриклеточному электричеству. Теперь они могут наблюдать за электрическими импульсами, возникающими при различных видах клеточной активности. В сочетании со стабильностью зонда в мембране это может дать огромные возможности для изучения электрически возбудимых клеток, таких как нейроны, рассылающих сигналы по всей нервной системе.

Для наблюдения за такими межклеточными электрическими сигналами сейчас используется устройство, работающее на основе метода локальной фиксации потенциала (patch clamp), но в современной его форме оно представляет собой относительно грубый инструмент.

«Чтобы получить доступ к внутренней среде клетки, вы касаетесь ее поверхности, применяете всасывание и прорываете клеточную мембрану», - говорит Мелош. «Однако это довольно медленная процедура, которую одновременно можно проводить только на одной клетке. Она убивает клетку примерно в течение часа. Если наш стелс-зонд обеспечит нас «patch clamp»-инструментом длительного действия, мы получим возможность наблюдать за электрическими сетями в течение длительного периода времени, возможно, даже в течение недели».

«В идеале мы бы хотели получить порт доступа в клеточной мембране, через который можно было бы вводить и выводить определенные вещества, измерять электрические токи… то есть осуществлять полный контроль», - говорит Мелош. «То, что мы продемонстрировали – это платформа, на которой можно начать создание такого рода устройств».

Следующим этапом испытаний разработки будет демонстрация функциональных возможностей зонда на живых клетках. Элмквист и Мелош работают сейчас с человеческими эритроцитами и клетками рака шейки матки, а также яйцеклетками хомяка.

По материалам

Nanoscale 'stealth' probe slides into cell walls seamlessly, say Stanford engineers

Углеродные наноструктуры: яд или эликсир?

Токсикологи Лос-Аламосской национальной лаборатории (Los Alamos National Laboratory) и междисциплинарная группа исследователей документально подтвердили потенциальный вред, наносимый живым клеткам фуллеренами – углеродными наноструктурами, имеющими форму футбольного мяча и состоящими из 60 атомов углерода. Ученые однако отметили, что именно этот опасный эффект может превратиться в надежду для пациентов с болезнями Альцгеймера, Паркинсона и даже раком.

Исследование ученых из Лос-Аламоса недавно опубликовано в Toxicology and Applied Pharmacology и представляет собой первое такого рода наблюдение для сферических фуллеренов, известных также как «бакиболлз» и получивших свое название от имени покойного Бакминстера Фуллера (Buckminster Fuller), так как их форма напоминает геодезические купола – популяризируемую им архитектурную концепцию.

Инженерные углеродные наночастицы, к которым относятся и фуллерены, находят все большее применение. Ежегодно в мире производится от 4 до 5 тонн углеродных наночастиц. Каждый фуллерен – клетка из атомов углерода размером с вирус. Они имеют большой потенциал в области создания прочных и легких конструкций, а также лекарственных препаратов и мельчайших механизмов для их доставки.

«Наноматериалы – это революция XXI века», - говорит токсиколог из Лос-Аламосской национальной лаборатории Раши Иер (Rashi Iyer), руководитель проведенного исследования и автор статьи. «Нам приходится жить с ними и применять их, в связи с чем возникает вопрос: как мы можем извлечь максимальную пользу из их использования и в то же время свести к минимуму их отрицательное влияние на нас и окружающую среду?».

Иер и Юн Гао (Jun Gao), также из Лос-Аламосской национальной лаборатории, подвергли культуру клеток кожи человека воздействию нескольких определенных типов фуллеренов. Различия типов заключались в пространственной организации коротких цепочек молекул, прикрепленных к основной структуре фуллерена. Одна из разновидностей фуллеренов, называемая tris-конфигурацией, имела три молекулярных веточки, находящихся на одной полусфере фуллерена. Другая разновидность – hexa-конфигурация – имела шесть почти симметрично расположенных боковых структур. Последним типом были простые фуллерены.

Ученые обнаружили, что клетки, подвергшиеся воздействию tris-конфигурации, проявляли признаки преждевременного старения, что может быть описано как состояние анабиоза. Другими словами, такие клетки не умирали, как нормальные, но и не делились и не росли. Такая задержка естественного жизненного цикла клетки после воздействия tris-конфигурацией фуллеренов может поставить под угрозу нормальное развитие органа, приводя к болезням живого организма. В целом, tris-конфигурация оказалась токсичной для клеток кожи человека.

Кроме того, клетки, подвергшиеся воздействию tris-конфигурации, показали уникальный уровень молекулярного ответа, что означает, что tris-конфигурация может препятствовать нормальному иммунному ответу, вызываемому вирусами. Сейчас ученые проверяют, проявляют ли такие клетки повышенную восприимчивость к вирусным инфекциям.

По иронии судьбы, это открытие может привести к новой стратегии лечения нескольких серьезных заболеваний. Например, при болезнях Альцгеймера и Паркинсона нервные клетки умирают или дегенерируют до нефункционального состояния. Механизм, способный вызвать старение в определенных нервных клетках, может задержать или остановить начало заболевания. Подобным же образом можно бороться с такими заболеваниями как рак, распространяющимися благодаря бесконтрольному размножению раковых клеток. Такая стратегия может остановить их деление и предоставить врачам дополнительное время для уничтожения аномальных клеток.

Так как наночастицы отличаются минимальными размерами, основной связанной с ними опасностью считается их потенциальное вдыхание – по аналогии с воздействием асбеста.

«Уже с токсикологической точки зрения это исследование является полезным, так как оно показывает, что если у вас есть выбор – использовать tris- или hexa-конфигурацию фуллеренов – hexa-конфигурация, вероятно, будет лучшим выбором», - говорит Иер. «Такие исследования могут стать руководством к разработке и проектированию новых материалов».

Все эти результаты получены в ходе исследования, проводимого с целью изучения взаимодействия фуллеренов и биологических мембран. Лос-Аламосская национальная лаборатория приняла активное участие в инициировании программы, целью которой являлось обеспечение безопасности ее работников, занимающихся разработкой высоко функциональных и обладающих низким воздействием на биологические объекты наноматериалов, имеющих значение для национальной безопасности.

Ученые Лос-Аламосской национальной лаборатории продолжат свои исследования возможных последствий воздействия наноматериалов так же, как когда-то, на ранних этапах истории лаборатории, Лос-Аламос стал мировым лидером в изучении эффектов радиационного облучения. Сотрудники Лос-Аламоса, работающие с наноматериалами, продолжат следование протоколам, обеспечивающим высочайшую степень защиты от их потенциального воздействия.

Лос-Аламосское исследование по наноматериалам представляет собой поучительную историю по их использованию, так же как и разработка основ защиты работающих с ними сотрудников. В настоящее время для использования наноматериалов не существует правил, принятых на федеральном уровне. Компании и частные лица предоставляют информацию об их использовании на добровольной основе. Но так как сфера применения наноматериалов все более расширяется, должно углубляться и понимание их потенциальной опасности.

По материалам

Carbon Nanostructures—Elixir or Poison?

Молекулярный тормоз для жгутикового наномотора бактерий

Исследователи из Базельского университета Биоцентрум (University of Biozentrum Basel) обнаружили, что кишечная палочка Escherichia coli использует сложный хемочувствительный и сигнальный механизм, позволяющий ей контролировать вращение ее жгутикового мотора и тем самым регулировать скорость передвижения в соответствии с изменяющимися условиями внешней среды. Результаты исследования, опубликованные в он-лайн издании Cell, могут ускорить разработку новых стратегий борьбы с хроническими инфекциями.

Бактерии, находящиеся в жидкой среде, могут за секунду преодолевать расстояние, в 30 раз превышающее их длину. Уже давно известно, что различные виды бактерий передвигаются с разной скоростью. Но является ли скорость перемещения специфичной для данного вида или бактерии способны активно ее регулировать?

Группа ученых из Швейцарии и Германии, возглавляемая Алексом Бёмом (Alex Böhm) и Урсом Еналем (Urs Jenal) из Биоцентрума, обнаружила, что E. coli и, возможно, многие другие бактерии, могут активно регулировать скорость своего перемещения.

Такая способность регулируется молекулой «тормозящего» белка, который при связывании со второй сигнальной молекулой-медиатором – циклическим димером GMP – взаимодействует со специфической субъединицей наномотора жгутика и тем самым ограничивает его мощность. Внутриклеточная концентрация циклического димера GMP регулируется целой сетью сигнальных белков. Когда бактерия сталкивается с дефицитом питательных веществ, эта сеть активируется, вырабатывает большее количество димера GMP и включает молекулярный тормоз. Так как медленное передвижение увеличивает вероятность постоянного прикрепления бактерии к поверхности, такое поведение способствует переходу бактерии к «сидячему» образу жизни.

Бактериальная колонизация эпителиальных поверхностей организма-хозяина, в том числе и человека, может привести к формированию резистентности к антибиотикам и образованию устойчивых к воздействию иммунной системы «биопленок», лежащих в основе многих хронических бактериальных инфекций. Таким образом, понимание молекулярной основы колонизации поверхностей и образования биопленок может способствовать разработке новых стратегий борьбы с хроническими инфекциями. Кроме того, открытие механизма ограничения мощности жгутикового мотора может быть использовано в биотехнологии, например, при конструировании нанонасосов в микрофлюидике или создании микророботов.

Оригинал статьи

A molecular brake for the bacterial flagellar nano-motor

В лабораториях ученых

Гены томатов показывают обнадеживающие результаты в лечении опухолей мозга

Основываясь на новых открытиях, ученые из Университета Лунда (Lund University), Швеция, считают, что в недалеком будущем гены томатов могут быть использованы в терапии опухолей мозга.

Юре Пискур (Jure Piskur) - профессор факультета биологии Университета Лунда. Недавно вместе со своими коллегами из Стокгольма и Копенгагена он опубликовал результаты исследований, проведенных на генах томатов, которые впоследствии могут быть использованы для лечения опухолей мозга. О результатах сообщается в журнале Neuro-Oncology.

Исследования по генной терапии рака идут уже давно, и осенью прошлого года на рынке появилось первое средство, созданное Ark Therapeutics (Куопио, Финляндия).

Суть генной терапии заключается в том, чтобы ввести чужеродный ген в раковые клетки пациента. В комбинации со специфическим лекарством введенный ген может вызвать смерть раковых клеток. Опухоли не исчезают, но болезнь может быть остановлена на несколько лет.

«Результаты наших исследований на генах томата показали преимущества по отношению к главному ингредиенту, применяемому в Финляндии, и мы начали работать вместе с исследователями из Куопио», - говорит Юре Пискур.

Конечно, то, что гены томата можно будет использовать для лечения рака, кажется невероятным. Юре Пискур объясняет, что речь идет о «генах самоубийства», которые способны вызвать смерть клеток.

В комбинации с лекарственным препаратом AZT, первоначально разработанным для лечения ВИЧ-инфекции, гены томата приобретают способность убивать раковые клетки.

Профессор Пискур пришел к исследованиям в области рака случайно. Он занимался молекулярной эволюцией, и сферой его интересов являлась эволюция ферментов - белков, запускающих или ускоряющих различные химические реакции в организме – в течение миллионов лет.

Юре Пискур исследовал ферменты целого ряда различных организмов, от бактерий до животных. Ген томата, изучаемый в данном исследовании, кодирует фермент, называемый тимидинкиназой.

Оригинал статьи

Tomato genes produce promising results against brain tumours

Найден ген, регулирующий продолжительность жизни, иммунитет и стрессоустойчивость

Ученые, финансируемые Научно-исследовательским советом по биоинженерии и биологическим наукам (Biotechnology and Biological Sciences Research Council - BBSRC) Университета Бирмингема (University of Birmingham) обнаружили, что ген DAF-16 активно участвует в определении скорости старения и средней продолжительности жизни лабораторного червя Caenorhabditis elegans и его близких эволюционных родственников. Ген DAF-16 найден и у многих других животных, включая человека. Вполне возможно, что сделанное учеными открытие откроет новые возможности для изменения скорости старения человека, усиления его иммунитета и устойчивости к стрессам.

Исследование опубликовано в PLoS ONE.

«Процесс старения свойственен всем организмам, но его скорость различна. Мы знаем, что средняя продолжительность жизни даже близких видов может очень сильно различаться», - говорит руководитель исследования доктор Робин Мэй (Robin May). «Мы хотели выяснить, как гены управляют нормальным старением организма и какое влияние они оказывают на такой его признак, как состояние иммунной системы. Для этого мы изучили ген, о котором уже было известно, что он задействован в процессе старения – DAF-16. Мы хотели пронаблюдать, как он влияет на скорость старения, наблюдаемую у различных биологических видов».

Ученые сравнили продолжительность жизни, резистентность к стрессам и иммунитет у четырех родственных видов червей. Они также искали различия в активности DAF-16 у каждого из четырех видов и обнаружили, что все они значительно различались по этому показателю. И, что особенно важно, у всех четырех видов различия в активности DAF-16 коррелировали с различиями в продолжительности жизни, стрессоустойчивости и состоянии иммунитета. В целом, более высокий уровень активности DAF-16 коррелировал с большей продолжительностью жизни, усилением устойчивости к стрессам и улучшением сопротивляемости к некоторым инфекциям

«DAF-16 входит в группу генов, которые управляют биологическими процессами старения, состоянием иммунной системы и способностью отвечать на физические или экологические воздействия. Тот факт, что тонкие различия в гене DAF-16 у разных биологических видов оказывают влияние на старение и здоровье, вызывает большой интерес и может объяснить, как различия в продолжительности жизни и связанных с ней признаках возникли в ходе эволюции», - продолжает Доктор Мэй.

Исследования в Бирмингеме продолжаются. Ученые собираются установить, каким образом DAF-16 координирует сложную сеть генов, приводящих в баланс потребности иммунной системы, значительно отличающиеся на разных возрастных этапах жизни организма.

Комментарий профессора Дугласа Келла (Douglas Kell): «Исследования на модельных организмах, раскрывающие загадки биологического старения, дают нам возможность понять некоторые механизмы, определяющие, как проходит процесс старение человека, не сопровождающийся развитием болезней. Если нам нужно оценить, что происходит с физиологией пожилого человека, когда нарушается его самочувствие или наблюдаются сложности с выполнением им повседневных задач, таких как память или передвижение, очень важно иметь правильные представления о здоровом старении. Улучшение состояния здоровья как возможности увеличения продолжительности жизни – важный предмет исследования BBSRC».

Оригинал статьи

Ageing gene found to govern lifespan, immunity and resilience

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