БиоЛогика

2021-11-16 17:07:00 ​Видеть человечские мысли в прямом смысле этого слова: оптогенетика

Как вы думаете, возможно ли контролировать деятельность определенных клеток в мозге, не затрагивая при этом остальные клетки? Фрэнсис Крик, известный благодаря открытию структуры ДНК, выдвигал предположение, что подобный избирательный контроль является основной задачей нейронаук.

Казалось бы: если определенная очередность нейронных сигналов предопределяет наше поведение, можно воссоздать любую форму поведения — при условии, что мы обладаем информации о месте, времени и последовательности нейронных сигналов.

Но! Проблема в том, что нейронов, где и проходят интересующие нас нейронные сигналы, огромное количество (у человека насчитывается более 100 млрд нейронов!), и отслеживать активность каждой клетки в один момент практически невозможно. К тому же, нервные клетки образуют скопления, и из-за этого отделить действие одного нейрона или же воздействовать на каждую клетку в индивидуальном порядке очень сложно. Поэтому приходиться либо смириться и регистрировать активность групп клеток, получая «усредненное значение», либо все-таки пытаться исследовать один нейрон.

С 2005 года тонкое манипулирование нейронной активностью стало возможным, и в этом помогли фотоактивируемые вещества, способные улавливать кванты света и реагировать на них. Эта методика исследования нейронов заключается в том, что в мембрану нервных клеток встраивают определенные каналы – опсины, которые реагируют на возбуждение светом. Причем каждому опсину соответствует своя длина волны, способная его активировать. Например, у ченнелродопсина-2 (ChR2) , который стал «первенцем» среди опсинов, длина волны возбуждения составляет 470 нм (синий).

Называется эта методика «Оптогенетика». С первой частью термина, «опто-», мы разобрались: именно под влиянием световых волн определенной длины опсины способны переходить в активное состояние и как-то влиять на клетку, в мембрану которой они встроены.

Но при чем тут вообще генетика? Рассмотрим на конкретном примере. Когда выделили и клонировали ген ChR2, Карл Дайссерот, американский ученый из Стэнфордского университета, решил внедрить его в электрически возбудимую клетку. Ген ChR2 прикрепили к промотору (последовательности ДНК, которая является «флажком» для РНК-полимеразы, показывающим, что следующий за ней участок молекулы нужно считать и сделать мРНК именно по его образцу), вложили в вирус, а сам вирус ввели в мозг мыши. Вирусы использовали как раз таки для того, чтобы внести ген ChR2 в геном клетки.

Чтобы понять, до каких клеток вирусы доставили нужные нам гены, то есть модификация была успешна, использовали специальный ген-репортер, который сообщал ученым: "Я в клетке, всё хорошо!". Но каким образом это можно было осуществить? Дело в том, что гены-репортеры кодировали флюоресцентные белки (например, GFP или YFP), поэтому модифированные клетки светились. Ген ChR2 и ген репортера находились под одним промотором, и экспрессировались они тоже вместе, одновременно. Если в клетке есть ченнелродопсин — она флуоресцирует.

Для того, чтобы активировать клетки с ченнелродопсином необходимо встроить в мозг источник света, которым обычно служит миниатюрный светодиод на оптоволокне, дающий свет с длиной волны около 480 нм (синий). Ведь именно на такое излучение ChR2 реагирует наиболее активно. Волокно вводят в желаемый участок головного мозга и закрепляют с помощью специальной канюли на поверхности черепа.
Ношение такого прибора не понижает мобильность животного, поэтому можно оценивать поведение, которое будет наиболее близким к натуральному.

Для понимания, как «подопытные» нейроны реагируют на фотостимуляцию, необходимо подтверждение появления электрических сигналов в ответ на воздействие светом. Поэтому, параллельно с инструментом для активации нейрона в комплекте с источником света в мозг вживляют микроэлектроды, регистрирующие ответную активность нейронов. Открыть/Комментировать

2021-11-15 21:47:07 Это — ктеноидная чешуя рыб. Казалось бы, что в ней интересного? Всё дело в функции: такая чешуя улучшает гидродинамические свойства рыбы. "Но ведь подобные шипики наоборот увеличивают трение и мешают плыть" — подумаете вы и будете правы. Но за счет этой шероховатости потоки воды быстро смыкаются за хвостом рыбы, вихрей не образуется.

Шершавую ктеноидную чешую, например, имеет окунь — он имеет широкую голову (так как у него большой рот), поэтому для этой рыбы проблема смыкания потоков воды особенно критична. Окунь — хищник, поэтому ему нужно быть быстрым и маневренным, чтобы догонять своих жертв.

Гидродинамика рыб — не очень популярная, но интересная тема. Из любопытства можете посмотреть, например, эту публикацию (полный текст, как всегда, доступен на sci-hub). Открыть/Комментировать

2021-11-13 18:45:18 Полиция, армия и паспорт для клеток в человеческом организме

У многоклеточных организмов, в отличие от более простых живых существ, есть потребность в уничтожении "вредных" клеток. Систем, которые используются для этого в организме, много, и если какие-то из них "ломаются", возникают онкологические заболевания. Но как это работает в норме?

Почти все клетки в организме млекопитающих обязаны "отчитываться" перед иммунной системой о своей работе: на поверхности клеток имеется специальный комплекс, который демонстрирует T-клеткам иммунной системы белки, которые есть в клетке. Если что-то не так, T-киллеры убивают клетку, как предателя. Можно сказать, что T-киллеры — это инспекторы полиции, которые занимаются расследованием и вычисляют преступников.

Если же клетка вообще не хочет ничего показывать (например, из-за мутации в самом комплексе, который занимается демонстрацией), её убивают натуральные киллеры - другие клетки иммунной системы, который проверяют наличие данного комплекса. То есть, натуральные киллеры — это просто вояки, которые не разбираются в документах и уликах: если клетка отказывается сотрудничать со следствием, не отвечает ни на какие вопросы и не показывает документы, её убивают.

"Демонстрирующий комплекс", который клетки предъявляют иммунной системе, называют главным комплексом гистосовместимости, или MHC (major histocompatibility complex). Он получил такое название, так как при пересадке органов этот комплекс у донора и реципиента должен быть одинаков, чтобы иммунная система донора не уничтожила пересаживаемый орган, то есть люди должны быть совместимы по MHC. Обобщая, этот комплекс — паспорт для клеток, который они должны предъявить иммунитету по требованию инспекторов. Если этого не происходит или с в паспорте какие-то проблемы — жестокая, но эффективная система убивает незаконопослушную клетку.

Кроме внешних инспекторов, у клеток есть внутренний "самоконтроль" — системы апоптоза: когда клетка понимает, что работает неправильно, она совершает самоубийство. Но как клетки могут понять, что какие-то процессы идут не по плану, как обнаружить проблему?

Некоторые из систем апоптоза связаны с митохондриями: если главная энергетическая станция клетки функционирует плохо, значит, скорее всего, что-то не так. В норме митохондрия, в буквальном смысле, как батарейка, имеет разность электрических потенциалов на мембране — за счет постоянного создания этого потенциала и вырабатывается энергия. Но когда потенциал уменьшается, белки на мембране митохондрий VDAC и ANT изменяют конформацию, образуя ионный канал, который ведет внутрь энергетической станции. В итоге митохондрия набухает и обе её мембраны разрушаются (также как картошка в известном опыте набухает в дистиллированной воде).

Из межмембранного пространства митохондрий выходят различные белки, которые вызывают апоптоз или некроз клетки, среди них важен цитохром C. Кстати, этот же цитохром C в норме функционирует как часть митохондриальной "батарейки", перенося электроны по электронно-транспортной цепи митохондрий.

Еще один способ активации апоптоза через цитохром C - белки Bax и Bak наружной мембраны митохондрий. В результате сложной регуляции они также могут образовывать канал, правда, только во внешней мембране — через него цитохром C выходит из межмембранного пространства и аналогичным запускает апоптоз.

Интересна ли тем апоптоза? Делитесь этой статьей, и если она наберет много просмотров, мы выпустим подробный разбор того, как именно происходит апоптоз, после того, как он запустился — там ещё много интересного :) Открыть/Комментировать

2021-11-12 19:34:34 БиоЛогика продалась?

Наш единственный спонсор — это вы. Над контентом для этого канала бескорыстно работает целая команда авторов. Наша миссия — показывать, как интересна и изящна может быть наука биология, рассказывать об интересных исследованиях и новостях, простыми словами объясняя всё.

Чтобы у вас была возможность поддержать канал, у нас есть страница на boosty. Эксклюзивный контент, закрытый чат с главным редактором, стримы специально для подписчиков или даже реклама вашего собственного научно-популярного проекта. Также в перспективе мы хотим запустить ютуб-канал и собираем средства на это: нужно закупить оборудование, нанять монтажера и т. п. Деньги с подписок пойдут на развитие БиоЛогики: рекламу, привлечение новых крутых авторов. Для нас это не только финансовая поддержка, но способ понять, что кому-то наш контент действительно нужен и интересен.

Хотите поддержать проект, но не готовы сделать это рублем? Тогда расскажите о БиоЛогике друзьям и знакомым. Можете написать пост в социальных сетях с пожеланиями и комментариями по контенту, пометив тегом #рекомендую_биологику, мы прочитаем и учтем :) Открыть/Комментировать

2021-11-11 17:16:50 Как убивают цианиды и как от этого спастись?

Пожалуй, цианистый калий — самый знаменитый яд, но задумывались ли вы о том, как он работает? Попробуйте догадаться! Вот подсказка: венозная кровь у людей и животных, отравленных цианидами, алого цвета — такая же, как в артериях.

Оказывается, цианиды блокируют клеточное дыхание, поэтому ткани не потребляют кислород — кровь в венах остаётся такой же насыщенной кислородом, как и в артериях, с этим и свзяан её необычный цвет. Но как именно это происходит? Цианистые соединения состоят из аниона синильной кислоты и катиона. Гланвый «злодей» в этой истории — остаток синильной кислоты (CN-).

Этот ион проникает в митохондрии клеток и нарушает перенос электронов. «Турбины» митохондрии останавливаются, аэробный метаболизм в клетке прекращается. Пытаясь выжить, клетки запускают анаэробный метаболизм: происходит молочное брожение, из-за чего в тканях накапливается лактат. Это — кислота, поэтому при отравлении цианидами в организме наблюдается ацидоз (закисление внутренней среды организма). Если цианида много, мозгу не хватает энергии анаэробного дыхания и человек умирает.

На молекулярном уровне остаток синильной кислоты блокирует работу цитохром-оксидазы, одного из белков электронно-транспортной цепи митохондрий. Имея отрицательный заряд, ион свзяывается с положительно заряженным железом, которое необходимо для переноса электронов. В норме железо циклично окисляется до трехвалентного (Fe3+), а затем восстаналивается обратно до двухвалентного (Fe2+). Но когда трехвалентное железо связывается с остатком синильной кислоты, этот цикл останавливается.

Как же можно спастись от цианидов? Как ни странно, если вместе с ядом съесть что-то сладкое, шансы выжить сильно увеличиваются. Дело в том, что сахара — это антидоты против цианидов, так как они содержат карбонильную группу (CHO), эта группа реагирует с остатком синильной кислоты, обезвреживая яд. Также ситуация облегчается, если человек поел незадолго до попадания яда в организм: высокий уровень глюкозы в крови аналогично помогает организму справиться с отравлением.

Еще один вариант антидота — особые вещества, воздействующие на гемоглобин. Нормальный гемоглобин, который способен переносить кислород, содержит двухвалентное железо (Fe2+). Однако антидот окисляет железо гемоглобина до трехвалентного (Fe3+). Такой гемоглобин не может переносить кислород, но зато он связывает ионы цианидов с помощью трехвалентного железа! Конечно, чтобы обезвредить яд, приходиться «испортить» некоторое количество гемоглобина, однако это гораздо лучше, чем остановка клеточного дыхания в клетках и смерть.

Есть и другой способ не умереть от цианидов — быть ёжиком в зимней спячке! «Что за бред?» — спросите вы с недоумением, а мы ответим: у животных в спячке весь метаболизм замедлен, поэтому для них не настолько критично нарушение клеточного дыхания. Если вам интересна тема ядов и механизмов их работы, мы просим вас поделиться этим постом в чатах и с друзьями, чтобы он набрал много просмотров — если мы увидим интерес к теме, напишем статьи о множестве других интересных ядах: от кураре до ботулотоксина. Открыть/Комментировать

2021-11-10 19:57:20 #мем Открыть/Комментировать

2021-11-09 21:42:21 #картинка
Что случилось с этой лягушкой, почему она светится? Дело в том, что биологи генетически модицифировали лягушку таким образом, что ее мышечные клетки стали вырабатывать зеленый флуоресцентный белок (GFP). GFP очень часто используют в различных исследованиях, ведь с его помощью можно четко увидеть, где какие гены работают (если "склеить" GFP с исследуемым белком). GFP имеет интересную историю открытия и еще более интересный механизм работы, и совсем скоро будет статья об этом, так что не пропустите и подписывайтесь на канал, если вдруг еще нет :) Открыть/Комментировать

2021-11-08 18:00:04 #картинка
#семья_аминокислот Открыть/Комментировать

2021-11-07 17:35:59 Сегодня хотим рассказать о проекте Sberloga — это настоящий научный клуб, посвещенный биоинформатике и data science. Там много полезной информации об инструментах для анализа данных, а также регулярно проводятся доклады настоящих профессионалов в этих областях, например, в ближайший пондельник. Доклад проводится в онлайн формате, так что подключайтесь — будет интересно :) Открыть/Комментировать

2021-11-06 22:23:41 Принцип действия лекарств, похожих на нуклеотиды (к статье о лекарствах против коронавируса) Открыть/Комментировать