Очередной шаг к «Планете обезьян»

Сравнение мозга двух игрунок. Слева мозг обычной обезьяны, справа — с человеческим геним ARHGAP11B.

С помощью модифицированного вируса учёные внедрили в оплодотворённые яйцеклетки игрунок сконструированную генетическую последовательность длиной: сначала промотор человеческого гена ARGHAP11B (стартовая площадка, с которой начинается считывание гена), затем ген флюоресцентного белка EGFP и следом сам ARHGAP11B. Флюоресцентный белок использовался в качестве светящейся метки, чтобы отследить работу человеческого гена в тканях эмбрионов. Затем ранние эмбрионы ввели семи суррогатным матерям, беременность которых, как уже сообщалось, прервали на 101 дне (игрунки вынашивают детёнышей в течение 150 дней), и занялись изучением получившихся эмбрионов. У пяти из них работа гена ARHGAP11B была зафиксирована в коре мозга, причем с интенсивностью, сходной с человеческой. У этих эмбрионов, в сравнении с обычными, неокортекс действительно увеличился в размерах, причём на поверхности появились, как говорится в статье, «извилиноподобные структуры» — в отличие от гладкой поверхности мозга обычных обезьянок. Эти структуры возникли при утолщении новой коры в результате, как полагают исследователи, увеличения числа нейронов поверхностного слоя.

Мы ещё раз убеждаемся, что совсем немного нужно, чтобы сделать примата человеком.

Cell Pisture Show - регулярный конкурс научной фотографии, который проводится издательством Cell Press, публикующим научные журналы. По итогам конкурса лучшие фотографии с описаниями рассылаются подписчикам CP на почту.

Этот выпуск посвящён синтетической биологии.

Биология Plug N' Play

Anne-CécileReymann, Manuel Théry, iRTSV в Гренобле, Франция

Когда Ваш жёсткий диск ломается, Вы заказываете новый онлайн и меняете их местами. Почему мы не можем сделать то же самое с биологическими системами? От ДНК-роботов и органов-на-чипе к нанощетинкам, захватывающим и высвобождающим лекарства, это слайд-шоу рассматривает две больших цели синтетической биологии: создавать новые биологические системы и перепроектировать существующие из не-биологических компонентов

Изображение: Филаменты актина нуклеированы в форме кругов диаметром 20-40 микрон с использованием микропаттернинга (см. далее) и сфотографированы путём эпифлуоресцентной микроскопии.

Выпуская актин

Anne-CécileReymann, Manuel Théry, iRTSV в Гренобле, Франция

Что регулирует архитектуру актина в клетке? Недавно (относительно - прим.пер.), Théry и коллеги продемонстрировали, что для организации F-актиновыхфиламентов (жёлтые) в параллельные пучки, какие встречаются в клетках, - без поперечных связей и клубков - нужна только правильная ориентация актиновых ядер.

Изображение:

Ядра актина размещены на покровном стекле в форме круга путём микропаттенрнинга с применением глубокой UV-литографии. Полимеризация актина вызвана последующим добавлением мономеров актина, профилина и комплекса Arp2/3. Плотная разветвлённая сеть филаментов образовалась на круге (ярко жёлтый), в то время как не-разветвлённые филаменты выросли снаружи от круга в виде параллельных пучков. 7% мономеров актина было помечено красителем Alexa568, который позволил сфотографировать их с применением классической эпифлуоресцентной микроскопии(прямой микроскоп Olympus BX61, сухой объектив x40).

источник

Перепрограммируя форму

Timothée Vignaud, Qingzong Tseng, Manuel Théry, iRTSV вГренобле, Франция

Микропаттернингтакже контролирует размер и форму клетки. Здесь, Théry и коллеги нанеслиадгезивные молекулы (фибронектин) на стёкла в разных формах - Т-образной(сверху справа) и H-образной (снизу справа). Когда они пересадили одну или двеклетки на полученный микропаттерн, те приняли соответствующую форму: клетка наT-форме стала треугольной, пара клеток на H-форме образовала квадрат. Если они"рисовали" паттерн рядом с клеткой, уже закрепившейся на подложке(слева), клетка постепенно распространялась на него и создавала стресс-волокна актина по краям.

Изображение:

Слева:клетка RPE1 экспрессирует LifeAct-GFP, который отмечает актиновый скелет в живых клетках. После того, как рядом с клеткой был нарисован микропаттерн,каждые 20 минут получали изображение на инвертированном микроскопе Nikon TE2000(объектив x100 с маслом).

Справа:единичная клетка RPE1 на Т-паттерне и пара клеток MCF10A на H-паттерне были пермеабилизованы параформальдегидом после посадки на микропаттернированное стекло. Актиновая сеть и фокальные контакты окрашены зелёным (фалоидин-FITC) и красным (антитела к винкулину/паксиллину), соответственно. Межклеточные контакты окрашены белым (антитела к бета-катенину). Изображения получены на микроскопе Leica DMRA (объектив x100 с маслом).

источник

ДНК-роботы

Campbell Strong, Shawn Douglas, Gael McGill, Wyss Institute forBiologically Inspired Engineering at Harvard University, Бостон, США

Одна из главных целей синтетической биологии - использовать строительные блоки живых систем (ДНК, РНК, протеины, липиды) для создания инструментов и устройств,которые не существуют в природе. Для примера, в "ДНК-оригами",длинные одноцепочечные молекулы ДНК с длиной свыше 1000 пар оснований складывались в кастомизированные формы за счёт взаимодействия с малыми"молекулами-образцами".

Изображение:

Дуглас и коллеги использовали подход "ДНК-оригами" для постройки бочонкообразного наноробота (35x35x45 нанометров), который может быть наполнен лекарствами, фрагментами антител (розовые) и другими наночастицами. Аптамер ДНК(зелёный) держит бочонок закрытым, но, когда робот контактирует с антителами к аптамеру, раскрывает его (например, на поверхности клетки). Робот был разработан при помощи программ Molecular Nay и CadNano.

источник

К минимальным клеткам

Jorge Bernardino de la Serna, University of Southern Denmark, Оденсе, Дания

Одним из самых амбициозных устремлений синтетической биологии является создание"минимальных клеток", которые полностью повторяют функции естественных клеток - потребление энергии, градиент ионов, хранение информации,изменчивость. Хотя такие технологии всё ещё далеко на горизонте, исследователи достигли большого прогресса в создании "полусинтетических клеток",которые имитируют определённые функции клеток, такие как синтез белков или липидных мембран. Многие из этих искусственных клеток обитают в липосомах или искусственных везикулах с билипидной мембраной.

Изображение:

Каждая микрофотография показывает гигантскую липосому диаметром 20-50 микрон,состоящую из жиров и протеинов поверхности альвеол лёгких млекопитающих без химической обработки. Липосомы были напрямую выделены из смывов с лёгкого.Каждая микрофотография получена при разных температурах или составах жиров и белков легочного сурфактанта. Изображения получены на лазерном сканирующем инвертированном микроскопе Zeiss LSM 510 (объектив x40 с водной иммерсией), при конвенциональном или двухфотонном возбуждении флуоресценции.

источник

Поймай-И-Отпусти

Joanna Aizenberg, Harvard School of Engineering and Applied Sciences, Бостон, США

Другая крупная цель синтетической биологии - создание из неестественных молекул и соединений инструментов и устройств, имитирующих свойства природных. Например,Joanna Aizenberg и её лаборатория стали пионерами использования само-организующихся синтетических нановолокон для создания устройств,захватывающих и отпускающих лекарства, которые выглядят поразительно похожими на маленькие щупальца (вы же не думали, что пост обойдётся без тентаклей? -прим. пер.).

Изображение:

Сканирующая электронная фотография наноразмерных щетинок, удерживающих сферу. Щетинки сделаны из эпоксидной смолы и погружены в жидкость. Пока щетинки засыхают, они захватывают то, что поблизости, например лекарства или наночастицы. Щетинки сохраняют энергию и их можно заставить высвободить захваченные частицы. Каждая щетинка примерно в тысячу раз тоньше человеческого волоса.

источник

Нанодреды

Joanna Aizenberg, Harvard School of Engineering and Applied Sciences, Бостон, США

Самоорганизующиеся нановолокна могут также быть использованы при создании наноструктур с уникальными спиральными формами и иерархической структурой, каковые часто могут наблюдаться в живых системах. Упорядоченная матрица нановолокон погружается в жидкость и, по мере испарения жидкости, формирует спиральные пучки и пучки пучков с заданными свойствами, зависящими от состава и расположения нановолокон в матрице.

Изображение:

Сканирующая электронная фотография наноразмерных щетинок, сформировавших иерархическую спираль по мере высыхания жидкости.

Больше здесь

Лёгкое на чипе

Donald Ingber, Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering atHarvard University, Бостон, США

Один из проявляющихся трендов синтетической биологии - симуляция функций и активности живых органов на микроустройствах, произведённых, как микрочипы и выстеленных живыми клетками человека. Donald Ingber и коллеги использовали эту стратегию для создания "лёгкого на чипе", которое содержит пустые каналы,разделённые гибкой пористой мембраной, выстеленной с одной стороны клетками эпителия альвеол, а с другой - клетками легочных капилляров. Подвергая межтканевой интерфейс циклической деформации, эти устройства имитируют дыхательные движения. Этот простой орган на чипе повторяет ответ лёгкого человека на инфекции, воспаление и токсины. Подобные устройства предлагают новый подход к изучению лекарств и оценке токсичности соединений.

источник

Синтезируя органы

Hidetaka Suga, Yoshiki Sasai, RIKEN Center for Developmental Biology, Кобе, Япония

Хотя обычно эти технологии не относят к одной группе, технологии использования стволовых клеток имеют большую общую цель с синтетической биологией: создание искусственных органов. Ранее Sasai и его команда создали сетчатку в 3D-культуре эмбриональных стволовых клеток (ESC) и, на момент выхода выпуска, им удалось"вырастить" вне организма часть гипофиза. В чём заключался секрет создания этой железы? В организации двух слоёв эпителиальных клеток (эктодермы и нейродермы), чтобы на их интерфейсе мог сформироваться зачаток гипофиза -карман Ратке.

Изображение:

Слева:натуральный орган, сагиттарльный срез развивающегося кармана Ратке (красный)эмбриона мыши на 12 день. Карман Ратке помечен красным при помощи антител кPitx1, в то время, как гипоталамус помечен зелёным за счёт антител к Rx.

Справа:искусственный орган, карманы Ратке (зелёные и белые) самообразовались в скоплениях эмбриональных клеток на 13 сутки. Зелёные, белые и красные цвета ассоциированы с антителами к Lim3, Pitx1 и Tuj1, соответственно. Для окраски ядер в синий цвет на обоих изображениях использовался Dapi.

источник

БОНУС: пчёлы-роботы

Alex Kushleyev, Daniel Mellinger, Vijay Kumar, University of Pennsylvaniaand KMel Robotics, Филадельфия, США

И, наконец,почему бы не обсудить "синтез" сложного биологического поведения?Один из наиболее часто повторяемых типов поведения - коллективный полёт пчёл и других насекомых, известный, как роение. Vijay Kumar и его группа сделали впечатляющий шаг к повторению роения у летающих дронов. Они использовали полностью автономные (без дистанционного управления!) квадрокоптеры, которые способны совместно маневрировать вокруг препятствий, лететь в определённой формации и объединяться в небольшие структуры.

You'll always find exciting science n Cell !

Китайские учёные ввели в геном обезьян человеческие гены, чтобы сделать их умнее

Что случилось?

Учёные из Китая сообщают, что попытались сократить эволюционный разрыв, создав несколько трансгенных макак-резусов с дополнительными копиями человеческого гена, считающегося одним из ответственных за формирование интеллекта.«Это первая попытка понять эволюцию человеческого сознания, используя трансгенную модель обезьяны», — говорит Бин Су (Bing Su), генетик из Куньминского зоологического института Китайской академии наук (кит. 中国科学院昆明动物研究所). По данным исследователей модифицированные обезьяны лучше справились с тестом памяти, включающим различение цветов и картинок, их мозг формировался дольше, как и у человеческих детей. Мозг не изменился в размере. Тем не менее, эксперименты, опубликованные в пекинском журнале National Science Review, о которых также сообщалось в китайских СМИ, далеки от того, чтобы полностью раскрыть тайны человеческого разума, не грозит нам пока и восстание разумных обезьян.

На рисунке ниже представлен скриншот с трансгенной макакой-резусом из дополнительного видео, прилагаемого к статье.

Как они этого добились?

Среди изученных генов, играющих важную роль в развитии мозга человека, MCPH1 является одним из сильных кандидатов по влияние на эволюцию разума. Это один из самых быстро эволюционирующих генов у приматов - в частности, у людей в нём существуют специфические замены аминокислот, характерные только для вашего вида. Экспермиентально доказано, что его структурные изменения влияют на активность других генов, а мутации в нём могут приводить к развитию микроцефалии. Уровень экспрессии гена MCPH1 у людей так же значительно выше, чем у не-человеческих приматов.
В своём исследовании Су и коллеги использовали лентивирус, чтобы ввести копии человеческого гена MCPH1 (huMCPH1) в геном макак-резусов. Успешно было получено 8 приматов первого и 3 примата второго поколения, несущих huMCPH1. У всех была изучена структура мозга неинвазивными и инвазивными способами, а также проведены предварительные исследования кратковременной памяти с использованием программы Monkey CANTAB.

На рисунке ниже представлена иллюстрация из статьи, показывающая разницу в скорости созревания нейронов и глии у модифицированных и немодифицированных приматов.

И что дальше?

Как уже было сказано, введение гена huMCPH1 привело к тому, что количественные показатели развития мозга резусов стали ближе к таковым у человека, однако говорить о каких-то качественных изменениях и появлении новый свойств преждевременно. В будущем, теоретически, можно будет использовать модификации гена MCPH1, чтобы получать более умных и более глупых животных. Снижение интеллекта, например, может быть полезно для сельскохозяйственных животных, вопрос высокого интеллекта которых регулярно поднимается отсталыми зоофилами организациями по защите прав животных. Повышение интеллекта, разумеется, могло бы пригодиться для запрещённого в наше время улучшения человека.

И конечно же, уже нашлись противники такого эксперимента. Некоторые западные учёные, в том числе один из участников работы, назвали эксперименты авантюристскими и актуализирующими вопрос этичности генетических модификаций приматов. «Использование трансгенных обезьян для изучения человеческих генов, связанных с эволюцией мозга — это очень рискованный путь», — говорит Джеймс Сикела (James Sikela), генетик, проводящий сравнительные исследования приматов в Колорадском университете (University of Colorado). Он обеспокоен тем, что эксперимент демонстрирует пренебрежение к животным и что за ним могут последовать более экстремальные модификации. Ещё в 2010 году Сикела и трое его коллег написали статью под названием The Ethics of Using Transgenic Non-Human Primates to Study What Makes Us Human (Этика использования трансгенных нечеловеческих приматов для изучения того, что делает нас людьми), в которой они пришли к выводу, что гены человеческого мозга никогда не следует добавлять обезьянам, например шимпанзе, поскольку они слишком похожи на нас.

Нам остаётся только надеяться, что этические разногласия не задержат развитие науки слишком сильно. Оставайтесь на связи, чтобы узнать больше новостей из мира медицины, биологии и прочего шкуродёрства.