Наше тело состоит из триллионов различных клеток, каждая из которых выполняет свою уникальную функцию, поддерживая нашу жизнь. Как клетки перемещаются внутри этих чрезвычайно сложных систем? Откуда они знают, в каком направлении расти? И как они вообще стали такими сложными? Подобные простые, но глубокие вопросы лежат в основе фундаментальных исследований, ориентированных на любопытство и направленных на изучение фундаментальных принципов природных явлений. Одним из важных примеров является процесс перемещения клеток или организмов в ответ на химические сигналы окружающей среды, также известный как хемотаксис. Группа исследователей из трех различных исследовательских подразделений Окинавского института науки и технологий (OIST) объединилась, чтобы ответить на основные вопросы о хемотаксисе, создав синтетические капли для имитации этого явления в лаборатории, что позволило им точно изолировать, контролировать и изучать это явление. Их результаты, которые помогают ответить на вопросы о принципах движения в простых биологических системах, опубликованы в Journal of the American Chemical Society.
Напряжение на поверхностиХотя процесс создания капель может показаться не самой сложной задачей, имитация биологических процессов, максимально приближенных к реальности, при сохранении точного контроля над всеми переменными, безусловно, является таковой. Синтетические капли без мембраны содержат очень высокую концентрацию бычьего сывороточного альбумина BSA, чтобы имитировать тесноту внутри клеток, а также уреазу — фермент, катализирующий расщепление мочевины до аммиака. Аммиак является основным веществом, то есть имеет высокое значение pH. По мере того как фермент постепенно катализирует производство аммиака, он диффундирует в раствор, создавая вокруг капли «ореол» более высокого pH, что, в свою очередь, позволяет каплям обнаруживать другие капли и мигрировать друг к другу. Исследователи обнаружили, что ключом к пониманию хемотаксиса капель является pH-градиент, поскольку он способствует эффекту Марангони, который описывает, как молекулы перетекают из областей с высоким поверхностным натяжением в области с низким. Поверхностное натяжение — это мера энергии, необходимой для удержания молекул на поверхности вместе, подобно клею. При увеличении pH этот клей ослабевает, заставляя молекулы раздвигаться и снижая поверхностное натяжение, что, в свою очередь, облегчает движение молекул. Вы можете увидеть это, добавив мыло с высоким pH в один конец ванны с негазированной водой: вода потечет к концу с мылом из-за эффекта Марангони. Когда две синтетические капли находятся достаточно близко, их ореолы взаимодействуют, повышая pH в среде между ними, что заставляет их двигаться вместе. Поскольку поверхностное натяжение на противоположных концах капель еще сильно, они сохраняют свою форму до тех пор, пока их поверхности не соприкоснутся, и силы когезии внутри капель не преодолеют поверхностное натяжение, заставив их слиться. Поскольку крупные капли производят больше аммиака и имеют большую площадь поверхности (что снижает поверхностное натяжение), они притягивают к себе капли меньшего размера. Совместная работа над древним супом и биотехнологии будущегоБлагодаря разработке этих капель исследователи продвинулись вперед в ответе на основные вопросы о биологическом движении — при этом они получили представление о направленном движении самых ранних форм жизни в первобытном супе миллиарды лет назад, а также о создании новых биологически вдохновленных материалов. Наши знания о том, как выглядела жизнь миллиарды лет назад, в лучшем случае расплывчаты. Известная гипотеза гласит, что жизнь зародилась в океанах, когда органические молекулы постепенно собирались и становились более сложными в «первобытном супе» — и этому мог способствовать хемотаксис благодаря эффекту Марангони. По словам профессора Лаурино, „для капель было бы полезно иметь такой механизм миграции в гипотетическом сценарии зарождения жизни“. Эта миграция могла бы запустить формирование примитивных метаболических путей, в которых ферменты катализируют различные вещества, что в конечном итоге создает химический градиент, который сближает капли, приводя к появлению более крупных и сложных сообществ». Исследование также указывает на будущее, давая подсказки для новых технологий.
Работа по созданию и анализу синтетических капель — это результат сочетания глубоко интегрированной междисциплинарности и человеческого фактора, лежащего в основе научной работы. Проект начался во время пандемии коронавируса, когда сотрудник отдела белковой инженерии и эволюции находился в карантине вместе с сотрудником отдела сложных жидкостей и потоков. Они начали общаться, и хотя оба подразделения представляют две разные области — биохимию и механику, соответственно, — проект развивался параллельно. В конце концов к проекту присоединились сотрудники отдела микро/био/нанофлюидики, которые провели сложные измерения поверхностного натяжения капель. Уникальная недисциплинарная исследовательская среда в OIST стала катализатором сотрудничества. По словам профессора Лаурино, «этот проект никогда не смог бы существовать, если бы мы были разделены по факультетам. Это было непростое сотрудничество, потому что мы общаемся в своей области совершенно по-разному, но физическая близость значительно облегчила его». Алессандро Бевилаква присоединяется:
На этом их сотрудничество не заканчивается — скорее, эта работа является началом плодотворного партнерства между тремя подразделениями.
25.04.2024 |
Биосфера
Nature: Орангутан первым среди животных лечился припаркой из целебных трав | |
Орангутан с острова Суматра удивил ученых... |
Frontiers in Bee Science: Жара мешает шмелям полноценно размножаться | |
В результате климатического кризиса глобальное... |
Низкоинтенсивный выпас лучше для биоразнообразия, но не для землепользователей | |
Выпас как домашних, так и диких... |
Journal of the AChemSociety: Синтетика вызывает хаос в первичном бульоне | |
Наше тело состоит из триллионов различных... |
Evolution: Островные летучие мыши одного вида эволюционируют по-разному | |
Исследователь из Мельбурнского университе... |
ACS Nano: Зубы нутрий и бобров помогут ученым вывести формулу совершенной эмали | |
Болтливые белки, очаровательные нутрии и ... |
New Phytologist: Сети прожилок на листьях появились 201 млн лет назад | |
По мнению исследовательской группы под ру... |
GBE: ДНК древних пингвинов Адели выявило повторы возрастом сотни миллионов лет | |
Микросателлиты — ценный инструмент ... |
Current Biology: У бенгальских кошек в ДНК лишь несколько процентов от леопарда | |
Если вы задаетесь вопросом, кому принадле... |
Science: Облик будущих партнеров запечатлен у бабочек Heliconius в генах | |
Тропические бабочки Heliconius хорошо известны... |
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи | |
Более 90% коммерчески доступных каротиноидов п... |
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком | |
Некоторые цецилии выкармливают своих детенышей... |
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды | |
В новом исследовании неврологи показали, как&n... |
Ecology: Японские медведи в поисках пищи разоряют лесопосадки | |
Бурые медведи, добывающие пищу на полуост... |
FEARC: Археологи используют фундук для реконструкции древних лесных массивов | |
Если бы мы могли встать на мест... |
Геномы бабочек и мотыльков практически не изменились за 250 млн лет эволюции | |
Самый обширный анализ такого рода показывает, ... |
Гигантские антарктические морские пауки удивили всех отношением к потомству | |
Размножение гигантских морских пауков в А... |
Ученые намерены глубже понять жизнь на Земле благодаря имиджеомике | |
Имиджеомика, новая область науки, за посл... |
Palaeontology: Древнейшая ископаемая рептилия из Альп оказалась подделкой | |
Окаменелость возрастом 280 млн лет, котор... |
Nature: Стволовые клетки растений подскажут, как развивается рак | |
Крошечный корень растения толщиной не бол... |
Nature: Как плодовые мушки управляют навигационной системой мозга | |
Когда мы идем по улице, у нас&n... |
Переселенные овсянки со временем разучивают все песни, необходимые для выживания | |
Птенцы певчих птиц, переселенные в рамках... |
Animal Behaviour: Козы по голосу определяют, злой хозяин или добрый | |
Козы могут отличить счастливого человека от&nb... |
Маленькие-то какие хорошенькие! Ученые впервые увидели новорожденную белую акулу | |
Вы удивитесь, но большие белые акулы, сов... |
Current Biology: Сумчатая мышь из Австралии жертвует сном ради секса | |
Всем живым существам необходим сон. Когда люди... |
Scientific Reports: Перья у динозавров могли появиться как средство запугивания | |
Небольшие всеядные и насекомоядные диноза... |
СПбГУ: Вот почему сальмонелла по-разному заражает животных, насекомых и растения | |
Ученые СПбГУ с коллегами провели исследов... |
FEM: Ученые предлагают сушить живые деревья ради сохранения биоразнообразия | |
Экологам давно известно, что мертвые дере... |
EEH: Ученые призвали не игнорировать влияние кожного микробиома на здоровье | |
Эпидермальные микроорганизмы, жизненно важные ... |
Royal Society Open Science: Ученые выяснили, как акулы-молотилки лупят хвостом | |
Подобно Индиане Джонсу с его хлыстом... |