Site Loader

Содержание

Доклад по физике на тему Молекулы

Молекула (новолат. molecula, уменьшит. от лат. moles-масса) , микрочастица, образованная из двух или большего числа атомов и способная к самостоятельному существованию. Имеет постоянный состав (качественный и количественный) входящих в нее атомных ядер и фиксированное число электронов и обладает совокупностью свойств, позволяющих отличать одну молекулу от других, в том числе от молекул того же состава. Молекула, как система, состоящая из взаимодействующих электронов и ядер, может находиться в различных состояниях и переходить из одного состояния в другое вынужденно (под влиянием внешних воздействий) или самопроизвольно. Для всех молекул данного вида характерна некоторая совокупность состояний, которая может служить для идентификации молекул. Как самостоятельное образование молекула обладает в каждом состоянии определенным набором физических свойств, эти свойства в той или иной степени сохраняются при переходе от молекул к состоящему из них веществу и определяют свойства этого вещества. При химических превращениях молекула одного вещества обмениваются атомами с молекулами другого вещества, распадаются на молекулы с меньшим числом атомов, а также вступают в химические реакции других типов. Поэтому химия изучает вещества и их превращения в неразрывной связи со строением и состоянием молекул Обычно молекулой называют электрически нейтральную частицу; если молекула несет электрический заряд (положительный или отрицательный) , то говорят о молекулярных ионах (катионах или анионах соответственно) . В веществе положительные ионы всегда сосуществуют вместе с отрицательными. Молекулы, находящиеся в состояниях с мультиплетностью, отличной от единицы (как правило, в дублетных состояниях) , называют радикалами. Свободные радикалы в обычных условиях, как правило, не могут существовать длительное время. Известны, однако, свободные радикалы сравнительно сложного строения, которые являются достаточно стабильными и могут существовать при обычных условиях. По числу входящих в молекулу атомных ядер различают молекулы двухатомные, трехатомные и т. д. Если число атомов в молекуле превосходит сотни и тысячи, молекула называется макромолекулой. Сумма масс всех атомов, входящих в состав молекулы, рассматривается как молекулярная масса (смотри также Молекулярная масса полимера. Молекулярно-массовое распределение) . По величине молекулярной массы все вещества условно делят на низко- и высокомолекулярные. Вотт)))

Ученые обнаружили молекулы с лекарственными свойствами среди инсектицидов

Биологи из Сколтеха, Института биологии развития РАН и Киевского национального университета обнаружили перспективные соединения для создания лекарств от фиброза печени. Эти вещества в культуре клеток ингибировали синтез гиалуроната — основного компонента соединительной ткани.

Заметив сходство двух ферментов, гиалуронат-синтазы и хитин-синтазы, ученые предположили, что ингибирующие синтез хитина инсектициды будут также препятствовать синтезу гиалуроната. Опубликованные в журнале Glycobiology исследования подтвердили эту гипотезу. Более того, инсектицид этоксазол, добавленный в корм мышей, препятствовал развитию фиброза печени у животных.

Гиалуроновая кислота, или гиалуронат, — важное для организма животных соединение, которое входит в состав соединительных тканей. Оно участвует в заживлении ран и других процессах. Человеческое тело на 0,02% по массе состоит из гиалуроната.

Гиалуронат используется в медицине и косметологии, например в кремах, косметических инъекциях и глазных каплях. Организм естественным образом синтезирует это вещество при помощи фермента под названием гиалуронат-синтаза. 

Роль гиалуроната в фиброзе печени 

«Меняя концентрацию гиалуроната, можно влиять на многие процессы, в том числе регенерацию. Взять, например, клетки печени. У них большой потенциал для регенерации, поэтому они склонны отмирать при повреждении. На время, пока идет восстановление, „слоты“ для новых клеток „заштопываются“ соединительной тканью, для формирования которой нужен гиалуронат», — объясняет руководитель исследования, профессор Юрий Котелевцев из Сколтеха.

Когда механизм «заштопывания» выходит из-под контроля и гиалуроната слишком много, соединительная ткань не способствует восстановлению, а активно зарастает поврежденные участки, образуя шрамы. В случае с печенью это ведет к фиброзу и в конечном итоге — циррозу, неизлечимому заболеванию, которое требует трансплантации и существенно обременяет систему здравоохранения. 

Ранее группа Котелевцева показала, что фиброзу печени может противодействовать желчегонный препарат гимекромон («Одестон»), который ингибирует синтез гиалуроната в организме за счет действующего вещества 4MU.

Трудности с существующими лекарствами

До сих пор неясно, какой механизм позволяет гимекромону блокировать синтез гиалуроната. При этом фармкомпании неохотно вкладываются в исследование 4MU, поскольку эта молекула известна довольно давно, как желчегонное средство, и надежно защитить ее новое применение патентом будет трудно. Поэтому для создания противофиброзных лекарств требуется новое, более продвинутое соединение.

Как следствие, дальнейшее исследование механизмов подавления гиалуронат-синтазы требует внимания скорее со стороны академического, а не бизнес-сообщества. А наиболее перспективным соединением для коммерциализации будет молекула с новой структурой и более выраженным ингибирующим воздействием.

Альтернативные соединения 

В своей работе ученые из Сколтеха и их коллеги измерили ингибирующее воздействие 13 веществ на гиалуронат-синтазу. В их числе хорошо известная молекула 4MU, девять родственных ей соединений, синтезированных украинскими химиками Игорем Красиловым и Викторией Москвиной, и еще три вещества из совсем иного класса, известного своими инсектицидными свойствами.

Коллектив проверил, при какой концентрации каждое из 13 веществ становится токсичным, и в дальнейшем не превышал этого порога при измерении их эффективности. В испытаниях на клеточной культуре 4MU уступил в эффективности одной из производных от него молекул, а исследованные инсектициды продемонстрировали сходную 4MU результативность. Один из них, этоксазол, ученые также испытали на мышах, подтвердив, что он имеет аналогичное 4MU противофиброзное действие.

«Стандартный подход — взять рабочую молекулу и вносить разные небольшие изменения в ее структуру в поисках более действенной модификации. Однако 4MU — совсем небольшая молекула, и, хотя мы испытали девять вариаций на тему, там не так уж и много возможностей для изменений. В связи с этим мы задумались о других соединениях», — рассказывает Котелевцев.

Александра Цитрина из Института Кольцова обратила внимание на то, что на первой стадии сборки гиалуроновой кислоты фермент синтезирует составную часть молекулы, которая также фигурирует в синтезе хитина — материала экзоскелетов насекомых и пауков.

«Так возникла мысль об инсектицидах: почему бы не рассмотреть соединения, которые препятствуют синтезу хитина и не проверить, будут ли они воздействовать и на гиалурон-синтазу? Оказалось, что да, некоторые будут. Теперь есть дополнительный класс веществ, среди которых можно искать ингибиторы синтеза гиалуроновой кислоты», — добавляет ученый.

Механизм действия 

Механизм подавления гиалуронат-синтазы неизвестен как в случае с 4MU и родственными ей молекулами, так и для ингибиторов синтеза хитина. Однако, получив в свое распоряжение два разных типа соединений с одинаковым воздействием, ученые из Сколтеха сформулировали на этот счет гипотезу.

Ранее занимающиеся инсектицидами генетики обнаружили точечную мутацию в хитин-синтазе, которая делает этот фермент невосприимчивым к трем инсектицидам-ингибиторам, рассмотренным группой из Сколтеха: этоксазолу, бупрофезину и трифлумурону.

«При помощи инструментов биоинформатики мы определили сравнительно короткую последовательность аминокислот в хитин-синтазе, где локализована мутация, ответственная за чувствительность к этоксазолу. Речь о пептиде в составе канала, который переносит собранные углеводы — хитин или гиалуронат — через клеточную мембрану. Возможно, и 4MU тоже воздействует на этот участок. Гипотеза нуждается в проверке», — пояснил Котелевцев.

По словам биолога, проверкой послужит внедрение в гиалуронат-синтазу такой точечной мутации, которая сделала бы ее невосприимчивой к инсектицидам. А для определения участка синтазы, подверженного воздействию 4MU могут помочь так называемые фотоафинные метки.

Выдвинутая ранее гипотеза объясняла подавление синтеза гиалуроновой кислоты так называемым истощением субстрата. «Но тогда неясно, почему мы наблюдаем ингибирование на низких, микромолярных концентрациях. Истощения субстрата можно ожидать на концентрациях в тысячу раз выше, при которых этот механизм, вероятно, и правда играет определяющую роль в подавлении гиалуронат-синтазы. Но не при наших концентрациях», — заключает ученый.

Пока же авторам работы удалось показать, что ингибиторы синтеза хитина, которые обычно используются для борьбы с вредителями, являются перспективными соединениями для понижения концентрации гиалуроновой кислоты и восстановления нормальной регенерации клеток пострадавшей от фиброза печени. Помимо этого заболевания, такие вещества могут оказаться полезными в борьбе с метаболическим синдромом и раком.

 

Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81

*protected email*

Можно ли пощупать молекулы ?

 Можно ли пощупать молекулы? Это безумно интересно…

Александр Кудрявцев, доцент ИнХим,  для «Университет и регион»

 

Для первых ученых, интересующихся тайнами вещества, наиболее доступными приборами были лупа и гальванометр. Позже на подмогу им появились микроскоп, спектроскоп и рефрактометр. Стремительное развитие техники в ХХ веке, квантовых представлений о мире вещества позволили увидеть его на молекулярном и субатомном уровне, заговорить о нанотехнологиях. Какими же инструментами должен умело владеть ученый XXI века сегодня?

 

Ответ на этот вопрос получили участники семинара «Современные методы исследований для передовых производственных технологий и экологических задач», проведенного ведущими специалистами международной компании INTERTECH Corporation по совместной инициативе с ЦКП «Химический анализ и идентификация веществ» (рук. Н.Ю.Третьяков) в Дни празднования Российской науки (9-10 февраля).

 

Слушая великолепные доклады о современных возможностях  аналитической аппаратуры, я получил истинное наслаждение  и много ценной  новой информации, которая безусловно найдет отражение в лекционных курсах. Отрадно, что помимо специалистов с предприятий Тюмени, преподавателей и сотрудников ТюмГУ на семинаре присутствовали студенты старших курсов, аспиранты  университета.

 

В докладах было представлено 4 блока наиболее актуальных методов исследований. Зная что такое атомно-силовая микроскопия, когда тончайшая иголочка-кантилевер, «щупая» микрообъект, зондирует слой молекул на его поверхности, я был удивлен новейшими возможностями такой аппаратуры. Как рассказала  В.С.Неудачина, ведущий специалист корпорации, при одновременном воздействии на объект лазерным инфракрасным излучением, с помощью такой иголочки можно получить ИК-спектр молекулярных колебаний крошечной области поверхности. Диковинный молекулярный граммофон ожил в XXI веке! Модифицированной «иголочкой» можно измерить локальную температуру поверхности, построить карту тепловых и электрических полей крайне мелких биологических объектов, таких как вирусы. Недаром эти методы уже считают революционными в науке.

 

Один из блоков докладов был посвящен современной аппаратуре компании Thermo Scientific для исследования элементного состава проб – линейке атомно-абсорбционных и атомно-эмиссионных спектрометров iC (А.Ю.Лейкин). При компактности приборов их отличает высокая точность и производительность. Такие приборы, в первую очередь, необходимы исследователям-экологам при обнаружении малых количеств чрезвычайно опасных загрязнителей окружающей среды – ртути, мышьяка, свинца и др.

 

 

Доклады Т.Б.Кимстач, посвященные использованию спектрометров и микроскопов Thermo Fisher Scientific, вызвали необычайный интерес. Казалось бы известные из учебников методы спектроскопии ИК-поглощения света и комбинационного рассеяния (Раман-спектроскопия) совершенно преобразились на новой технической базе, с применением аппаратуры Nicolet. Используя крайне малые лазерные «пятачки» света, с помощью них легко удается построить карты присутствия различных соединений не только на поверхности объекта, но и просканировать его вглубь, с очень малым микрометровым шагом. Это открывает широчайшие перспективы исследования вещества, многослойных наноматериалов. Контроль качества лазерных оптических CD и DVD-дисков, производящийся таким способом, представляется крайне примитивной задачей.

  

Чувствительные спектрометры могут успешно сочетаться с другой аппаратурой – хроматографами и приборами для термодеструкции проб. Методы анализа, о которых рассказала Т.Б.Кимстач, позволяют идентифицировать вещества без вскрытия упаковки, что очень востребовано теперь криминалистами. 

Заключительная часть семинара, посвященная методам термоанализа (М.Ф.Ахметов), воспринималась слушателями словно сладкий десерт. Совершенные приборы ТА Instruments настолько чувствительны, что позволяют сделать экспресс-оценку экологического состояния среды по крошечному энерговыделению живых тест-организмов, помещенных в нее на короткое время (обычный токсикологический эксперимент длится от нескольких суток до недель). 

 

 Современные методы термоанализа должны широко внедряться в технологические разработки с целью повышения нефтеотдачи, использоваться в реологии, изучении гетерогенных химических систем. Все это позволяет осуществить аппаратура INTERTECH Corporation.

 

Итоговым аккордом к семинару послужил красочный слайд с лабиринтом. Копошащаяся в его закутках мышь вряд ли скоро найдет выход, а вот парящий высоко в небе орел сразу его увидит. Оснащенным творческими крыльями и орлиным зрением будет тот ученый-естествоиспытатель, кто имеет современную  экспериментальную технику в своей лаборатории. 



Химия: наука и искусство материи

Химия это наука, целью которой являются не только открытия, но и – главным образом – созидание. В этом смысле она является искусством по усложнению материи. Чтобы уловить логику последней эволюции в области химии, следует преодолеть временное пространство и вернуться назад на почти четыре миллиарда лет.

Жан-Мари Лен

Химия играет центральную роль как за счет своего места среди естественных и познавательных наук, так и за счет своей экономической значимости и повсеместного присутствия в нашей обыденной жизни. Поскольку она везде и всюду, то о ней часто забывают и, возможно, вскоре и вовсе перестанут упоминать. Она не стремится на авансцену, однако без нее были бы не возможны многие яркие достижения: подвиги в области терапии, отважные шаги космонавтики, чудеса техники… Она вносит определяющий вклад в потребности человечества в продуктах питания и лекарствах, одежде и жилье, энергии и сырье, транспорте и средствах коммуникации. Она поставляет материал для физики и промышленности, образцы и субстраты для биологии и фармакологии, свойства и процессы для науки и техники.

Мир без химии был бы миром без синтетических материалов, то есть без телефона, без компьютера, без кино и без синтетических тканей. Это был бы мир без аспирина, мыла, шампуня, зубной пасты, косметики, противозачаточных средств, без бумаги, то есть без книг и газет, без клея, без краски…

Не будем забывать и о том, что химия позволяет историкам искусства проникнуть в тайны изготовления картин и скульптур, которыми мы наслаждаемся в музеях, что она позволяет сотрудникам научной полиции анализировать образцы частиц с «места преступления» и быстрее выйти на след преступников, и что именно она раскрывает молекулярные тонкости блюд, которые обволакивают наши вкусовые рецепторы.

Наряду с физикой, которая раскрывает законы Вселенной, и биологии, которая расшифровывает правила всего живого, химия является наукой материи и ее трансформаций. Жизнь есть ее самое высшее выражение. Она играет основополагающую роль в нашем понимании материальных явлений, в нашей способности воздействовать на них, менять их и контролировать.

Вот уже скоро два века, как молекулярная химия выстроила широкий спектр молекул и все более и более совершенных материй. От синтеза мочевины, произведенного в 1928 г. (что стало настоящей революцией ибо было доказано, что возможно получение «органической» молекулы из минерала) до завершения в 1970-е годы синтеза витамина В12, эта научная дисциплина постоянно утверждала свою власть над структурами и трансформацией материи.

Молекула как Троянский конь

За пределами молекулярной химии простирается область так называемой супрамолекулярной химии, которая интересуется уже не тем, что происходит в молекулах, а тем, что происходит между ними. Ее цель понять и контролировать процесс взаимодействия молекул между собой, их взаимной трансформации, сцепления в определенном порядке. Эмиль Фишер, лауреат Нобелевской премии по химии 1902 г., использовал образ ключа и замочной скважины. Сегодня мы говорим о «молекулярном распознавании».

Роль этих молекулярных взаимодействий наиболее впечатляюща в области биологии: частицы протеинов соединяются, чтобы сформировать гемоглобин; белые тельца распознают и уничтожают чуждые тела; вирус СПИДа находит определенное место для внедрения; генетический код передается в записи и через прочтение алфавита базы протеинов… Возьмем один показательный пример «самоорганизации» вируса мозаики табака: не менее 2 130 простых протеинов соединяются для того, что образовать спиральную башню.

Эффективность и элегантность этих природных явлений настолько увлекательны для химика, что он пытается воспроизвести или же изобрести новый процесс образования молекул, способных создавать новые молекулярные построения с множественными применениями. Почему бы не представить себе молекулы, способные переносить в ядро избранной цели фрагменты АДН, например, для лечения генетических заболеваний? Эти молекулы могли бы стать Троянским конем, который позволял бы своему всаднику преодолевать такие непреодолимые преграды, как клеточные мембраны.

Многие ученые во всем мире терпеливо и, я бы сказал, «по меркам» выстраивают супрамолекулярные структуры. Они наблюдают за тем, как молекулы, казалось бы, перемешанные в беспорядке, находят одна другую, распознают друг друга и затем поступательно связываются между собой, чтобы в итоге спонтанно, но в то же время исключительно четко, возвести супрамолекулярное строение.

Так, у химиков, вдохновленных явлениями, которые нам демонстрирует сама природа, зародилась идея вызвать, а затем пилотировать появление супрамолекулярных соединений, иначе говоря смоделировать «молекулярное программирование». Химик создает основные кирпичики (молекулы, наделенные определенными структурными свойствами и способностью к взаимодействию), затем применяет «цемент» (код соединения), призванный связать их между собой. Таким образом он получает супер структуру путем самоорганизации. Синтез молекулярных кирпичиков, способных к самоорганизации, намного проще, чем синтез финального сооружения. Этот путь исследований открывает широкие перспективы, в частности, в области нанотехнологий: вместо того, чтобы создавать наноструктуры, надо дать наноструктурам самим образовываться путем самоорганизации, то есть надо перейти от производства к самопроизводству.

И уже совсем недавно появилась так называемая адаптативная химия, когда система в целях построения сама совершает селекцию среди свободных кирпичиков и становится способной адаптировать соединение этих объектов в зависимости от требований центра. Эта химия, которую сам я называю «динамичной конституциональной химией», уже приобретает окраску теории Дарвина!

От материи к жизни

Вначале был «Большой взрыв», и воцарилась физика. Затем, при более благоприятных температурах, пришла химия. Частицы образовывали атомы, которые соединялись в молекулы, становившиеся все более и более сложными; они, в свою очередь, соединялись в скопления и мембраны, дав жизнь первым клеткам, из которых и родилась жизнь на нашей планете 3,8 миллиардов лет назад.

От разделенной материи к конденсированной, а затем и организованной, живой и мыслящей… Становление Вселенной под влиянием информации вело эволюцию материи к возрастанию числа сложных соединений путем самоорганизации. Задача химии познать пути этой самоорганизации и проложить пути перехода от инертной материи через дожизненную, чисто химическую, эволюцию к зародышу жизни и затем к живой и, наконец, к мыслящей материи. Она также дает средства для познания прошлого, для изучения настоящего и возводит мосты, ведущие в будущее.

Своим предметом (молекула и материя) химия выражает свою созидательную силу и свою способность производить новые молекулы и материи: новые, поскольку они не существовали до того, как были созданы путем преобразования структур атомов в новые комбинации и ранее не существовавшие, бесконечно разнообразные структуры. За счет пластичности форм и функций химических объектов химия аналогична искусству. Как и художник, химик отражает в материи плоды своего воображения. Камень, звуки, слова становятся произведением искусства только под воздействием скульптора, композитора или писателя. Таким же образом химик создает оригинальные молекулы, новые материалы и неведомые до сих пор свойства из элементов, составляющих материю.

Сущность химии не только в открытии, но и в изобретении и особенно – в созидании. Книгу Химии следует не только читать, ее надо писать. Нотную партитуру Химии следует не только исполнять, ее надо сочинять.

Учёные СФУ предложили «рентгеновские ножницы», способные селективно разрезать молекулы

Учёные Сибирского федерального университета и Института физики ФИЦ КНЦ СО РАН предсказали новое физическое явление — обусловленную эффектом отдачи молекулярную диссоциацию при фотоионизации молекул с помощью жёсткого рентгеновского излучения. В частности, исследователи предсказали, что отдача, испытываемая молекулой водорода при поглощении рентгеновского фотона и вылете фотоэлектрона, приводит к разрыву химической связи молекулы водорода при энергии фотонов больше 5 кЭв. Статья, посвящённая исследованию, опубликована в высокорейтинговом журнале Physical Review A.

«Эффект отдачи можно наблюдать на примере отката пушки при вылете из неё снаряда (Рис. 1А). Эффект отдачи — это следствие фундаментального закона сохранения импульса (или, иными словами, количества движения). Фундаментальными проявлениями этого эффекта являются эффект Комптона (за его открытие присуждена Нобелевская премия 1927 года), эффект Мёссбауэра (Нобелевская премия за 1961 год) и лазерное охлаждение атомов и молекул (несколько Нобелевских премий).

Мы исследовали эффект отдачи при вылете фотоэлектрона в процессе фотоионизации молекулы рентгеновским излучением. При умеренных энергиях фотонов эффект отдачи обусловлен обменом импульса между атомом и вылетевшим из него электроном. В зависимости от направления, в котором вылетает электрон (Рис. 1B и 1C), передача импульса электрона атому приводит к возбуждению в молекуле колебаний и вращений. Оба этих эффекта уже наблюдались нами экспериментально с использованием синхротронного излучения», — сообщил один из авторов исследования, главный научный сотрудник лаборатории нелинейной оптики и спектроскопии (Департамента науки и инновационной деятельности) Фарис Гельмуханов.

Для исследования эффекта отдачи учёным потребовалось провести строгие квантовые расчёты, которые показали, что при увеличении энергии рентгеновского фотона, а, следовательно, и энергии отдачи Eot, достигаются колебательно-вращательные состояния вблизи порога диссоциации ED, а при дальнейшем увеличении энергии отдачи (Eot > ED) химическая связь разрывается и молекула разрушается. Продолжая аналогию с пушкой и снарядом, можно сказать, что пушка теряет, например, колёса. Разрыв химической связи молекулы водорода h3, происходит в области жёсткого рентгеновского излучения при энергиях фотонов, превышающих 5кэВ.

Выяснилось также, что в области жёсткого рентгеновского излучения импульс фотона становится сравнимым с импульсом фотоэлектрона. Это означает, что для описания физики изучаемого явления необходимо учесть даже импульс фотона и привлечь известную всем из школьного курса физики релятивистскую теорию (известную также как теория относительности). Более того, вращательные и поступательные степени свободы становятся сильно перепутанными, что приводит к необходимости описания динамики ядерного волнового пакета вне рамок стандартной теории возмущений с учётом сильной связи вращательного и трансляционного движений.

Энергии фотонов больше 5 кэВ доступны на всех современных синхротронах, например на синхротронах SOLEIL, SPring-8, MAX-IV, PETRA. Экспериментальная проверка нового обнаруженного сибирскими учёными эффекта планируется на пучке GALAXIES синхротрона SOLEIL во Франции. Наиболее удобным для первого экспериментального наблюдения эффекта является регистрация фрагментов диссоциации молекулы водорода с использованием так называемой времяпролётной (time-of-flight) спектроскопии, где подтверждением эффекта будет служить рост кинетической энергии фрагмента с увеличением энергии фотона. Согласно анализу, уже проведенному в работе, исследованный эффект может быть экспериментально проверен для целого ряда молекул в кластерах инертных газов и молекул, адсорбированных на поверхности.

«Проделанная работа — это основа для исследования вещества, его структуры, его взаимодействия с синхротронным рентгеновским излучением, а также для учёта исследуемого эффекта при создании новых материалов и технологий. В частности, наши разработки могут быть востребованы в будущих экспериментах на российском синхротроне 4-го поколения СКИФ, который будет построен в Новосибирске. В природе предсказанный эффект может реализовываться в верхних слоях атмосферы, где интенсивность жёсткого рентгеновского излучения достаточно высока. Полагаем, что там наши результаты будут востребованы при планировании новых экспериментов, а значит, они поспособствуют появлению новых прорывных технологий в отечественных рентгеноспектральных исследованиях», — отметил соавтор работы, ведущий научный сотрудник лаборатории нелинейной оптики и спектроскопии (Департамента науки и инновационной деятельности СФУ) Сергей Полютов.

Рис. 1А. До выстрела полный импульс системы «пушка-снаряд» равен нулю, так как система находится в покое. После выстрела импульс пушки P=Mv (произведение массы пушки M на скорость пушки v) должен равняться импульсу снаряда mV с обратным знаком. Так можно найти скорость пушки и кинетическую энергию пушки (или энергию отдачи): Eot=E m/M. Это означает, что энергия отдачи (Eot) меньше энергии снаряда (E) в m/M раз.

Рис. 1В показывает, что при достаточно большой величине импульса отдачи (синяя стрелка), химическая связь может разорваться и молекула диссоциирует (распадается). То же самое может произойти и при вращении, индуцированном отдачей (Рис. 1С). Причиной разрыва связи в последнем случае является центробежная сила (Рис. 1D).

Добавим, комплексное развитие направления «спектроскопия и квантовая химия» в СФУ поддержано Проектом 5-100.

Научная конференция грантодержателей Российского научного фонда «Современные тенденции в химии, биологии, медицине «От молекулы к лекарству»

Вторая междисциплинарная конференция «Современные тенденции в химии, биологии, медицине «От молекулы к лекарству» проводится по результатам исследований, проводимых в рамках грантов Российского научного фонда.

Задача перехода к персонализированной медицине, высокотехнологичному   здравоохранению и технологиям здоровье сбережения, рациональному применению лекарственных препаратов не может быть решена без комплексного подхода, тесного взаимодействия ученых разных отраслей знаний – химии, биологии, медицины, экологии и др.

Поэтому целями конференции является объединение усилий ученых, работающих в сфере фундаментальных исследований, разработки технологий, производства и применения биологически активных соединений и материалов, развитие междисциплинарных проектов и кооперации между научными группами.

К участию в конференции приглашаются руководители и участники действующих проектов РНФ в области химии, биологии, медицины и смежных с ними наук независимо от типа гранта.

Цели проведения мероприятия:

  • Стимулирование актуальных научных направлений и повышение уровня научных исследований.
  • Развитие междисциплинарных проектов и кооперации между научными группами.
  • Популяризация результатов научных исследований для широкой аудитории

Научная программа конференции предусматривает пленарные (35 + 5 мин), устные (15 + 5 мин) и стендовые доклады. Тезисы докладов будут опубликованы в сборнике тезисов докладов.

Участники, желающие выступить на конференции с устным докладом, должны зарегистрироваться на Сайте конференции и прислать тезисы доклада по электронной почте [email protected] для утверждения Программным комитетом.

Тезисы должны быть представлены на русском языке и присланы не позднее 3 сентября 2018 года.

Сайт конференции: http://iopc.ru/document/rsfconf2018.html

Исследователи БФУ им. И. Канта разработали новый метод синтеза химических соединений для фармакологии

Поиск новых соединений для фармакологии всегда был важнейшей задачей химии. Совершенствуются технологии, приборы и методы, но ключевой принцип остается неизменен. Атомом, на основе которого создают новые молекулы, по-прежнему остается углерод. Углерод — это центральный атом всей живой материи на нашей планете. Его уникальная особенность в том, что он может соединяться как сам собой, так и с другими атомами (например, азотом и кислородом).

Каждый живой организм обладает уникальной инструкцией, как эти атомы должны быть собраны, а полученные конструкции (которые называют молекулы) работать в одном живом организме. Этот простой структурный принцип лежит в основе всех процессов, протекающих в животном мире. Но что делать если хорошо работающая система дает сбой? У живых существ, в том числе и у человека, это приводит к заболеванию. В этом случае на помощь могут прийти малые молекулы (которые состоят из нескольких десятков атомов углерода). Примером таких молекул может быть хорошо известный аспирин. Но к сожалению, универсальных молекул от всех болезней, нет. В этом случае необходимо взять в руки углеродный конструктор и создать новые лекарства. Этим и занимаются химики-синтетики в лабораториях.

В гонке за новыми молекулами химики сталкиваются с двумя препятствиями: первое — это время – для того чтобы перебрать все возможные комбинации углеродного конструктора, требуется промежуток времени, сопоставимый с жизнью Солнца. Второе препятствие связано с тем, что для того, чтобы перебрать все возможные комбинации углеродного конструктора, не хватит всего углерода нашей планеты. Как избежать бессмысленного перебора структур и при этом получить новое лекарство?

Существенно сократить время, за которое получают новые соединения позволяет подход многокомпонентной химии. Этот подход сопоставим с игрой в «Лего», разница в том, что синтетик выбирает исходные кирпичики, а инструкция, как они должны быть собраны, записана в самих кирпичиках.

Ученые БФУ им. И. Канта выбрали хорошо известную реакцию, опубликованную в работах Кастаньоли и Кушмана как инструкцию по сборке молекул из углеродного конструктора и научились осуществлять ее в удобном многокомпонентном формате, что привело к быстрому получению новых соединений. Такой способ синтеза молекул применим на любом фармацевтическом производстве.

Результаты исследования, проведенного совместно с коллегами из Санкт-Петербургского государственного университета, были опубликованы в статье «Трехкомпонентная реакция Кастаньоли-Кушмана 3-арилглутаконовых кислот с ароматическими альдегидами и аминами, приводящая к ценным 4,6-диарил-1,6-дигидропиридин-2 (3H)-онам» в авторитетном научном журнале Organic Letters.

Практическая ценность исследования заключается в том, что данный метод трехкомпонентного формата реакции Кастаньоли-Кушмана может быть внедрен в повседневную практику как научных, так и коммерческих лабораторий органического синтеза.

“Поскольку в реакцию вступают коммерчески доступные соединения (т.е. их уже получают в промышленных количествах), а условия реакции и очистка веществ не требует сложного оборудования, при необходимости наиболее перспективные (потенциальные лекарства) молекулы можно получать в промышленном масштабе. Полученные соединения перспективны с точки зрения их биологической активности. Безусловно, это еще не лекарства, однако среди них могут быть найдены, так называемые, соединения-лидеры, метод построения которых может привести к веществам, применимым в фармакологии”, — пояснил Евгений Чупахин.

20.6: Молекулы говорят — выбор молекулярной коммуникации и сложности

В нашем сложном человеческом обществе мы определяем общение по его специфичности . Без тщательного подбора слов наша речь была бы в лучшем случае источником великолепных недоразумений или просто болтовней! Что это означает для химического состава пребиотиков?

С точки зрения пребиотической химической эволюции, отбор по определению благоприятствовал бы защитному накоплению более долгоживущих молекулярных агрегатов.Со временем те же самые избирательные требования будут создавать сети таких агрегатов, увеличивая диапазон и специфичность молекулярных взаимодействий в сложной среде. Если бы это произошло в замкнутом протоклеточном пространстве, это должно было бы привести к примитивной молекулярной связи и возрастающей сложности (еще одно свойство жизни!). Фактически, все свойства жизни должны были сопровождать достижение все более и более сложной межмолекулярной коммуникации.Проще говоря, пребиотическое (или, если на то пошло, клеточное) генетическое изменение, которое изменяет скорость одной каталитической реакции (если не разрушительной), будет стимулировать выбор изменений в компонентах других взаимосвязанных метаболических химических процессов. Если молекулярная коммуникация требует эволюции каталитической специфичности, то окончательная разработка сложности и порядка как свойства жизни далее требует выбора механизмов регулирования и координации .

A. Межмолекулярная коммуникация ведет к раннему созданию важных взаимосвязанных химических процессов

Ранее мы предположили, что предшественники неорганических катализаторов биологических ферментов, вероятно, были минералами, внедренными в глину или другие субстраты, обеспечивающие поверхности, которые естественным образом объединяли бы органические молекулы и катализировали повторяющиеся реакции. Либо исходные объекты пребиотической селекции включали внешние стабильные мономеры и полимеры, вне или, что более вероятно, внутри прото-клеток.Позже отбор будет отдавать предпочтение полимерам, которые увеличивают рост и воспроизводство успешных агрегатов. Эти полимеры, вероятно, были катализаторами их собственного синтеза, возможно, сотрудничая с неорганическими каталитическими минералами. Результатом будет разработка сети из взаимосвязанных химических реакций между молекулами с высоким сродством друг к другу, тем самым увеличивая специфичность этих реакций. В контексте происхождения и эволюции жизни co-catalysis описывает активность этих взаимосвязанных метаболических реакций.

Как уже отмечалось, высокоаффинные взаимодействия по своей сути являются защитными . Во время пребиотической химической / метаболической эволюции, защищенные стабильные молекулярные сборки будут объектами отбора. Продолжающаяся совместная эволюция катализаторов, субстратов и наборов сокаталитических реакций приведет к все более и более сложной молекулярной связи . Как только они будут созданы, эффективные наборы биохимических реакций будут ограничены существенными эволюционными изменениями. Любое изменение (мутация), угрожающее этой эффективности, означало бы конец пребиотического химического (или, в этом отношении, клеточного) происхождения! Это объясняет, почему мы находим общие пути производства энергии (например,g., автотрофные и ферментативные), воспроизводство (репликация), а также хранение и извлечение информации (ДНК, РНК, синтез белка) у всех потомков LUCA.

Сложная и эффективная коммуникация требует координации. Фактически, эффективная коммуникация определяется координацией , способностью принимать химических решений . Отбор молекулярных агрегатов, которые блокируют метаболические реакции за полупроницаемой мембраной, гарантирует, что только определенные молекулы взаимодействуют друг с другом.Это связывание, вероятно, происходило неоднократно в ходе химической эволюции, начиная с синтеза более крупных полимерных молекул и, возможно, агрегации примитивных липоидных молекул. Мы можем думать о все более эффективном катализе в замкнутой среде как о разговоре при посредничестве хороших ораторов ! Координация — это свойство, которое, вероятно, эволюционировало вместе с самой жизнью!

Б. Истоки координации

Давайте посмотрим на некоторые возможные структуры, перемешанные в наборе пребиотической химии, которые могли бы самоорганизоваться или изолировать совместимые химические составы жизни.Наряду с щелочным вентилем , отсек биопленки , коацерватов , протеиноидных микросфер и липосом были рассмотрены как возможные предшественники биологических мембран. Каждый может быть изготовлен в лаборатории. Они явно полупроницаемы, а в некоторых случаях могут даже повторяться! Микрофотографии и производство коацерватов, протеиноидных микросфер и липосом показаны ниже

.

Опарин предположил, что действие солнечного света в отсутствие кислорода может вызвать ионизированные, противоположно заряженные органические молекулы (например, аминокислоты, углеводы и т. Д.).), чтобы образовать капли из органических молекул в его изначальном супе. Эти коацерваты были фактически произведены в 1932 году, визуализированы под микроскопом и оказались полупроницаемыми. Они даже вели себя так, как если бы они могли расти и воспроизводиться (также, как первоначально предполагал Опарин).

В 1950-х годах Сидни Фокс произвел протеиноидных микросфер из коротких пептидов, спонтанно образовавшихся из нагретых до сухости водных растворов аминокислот (мало чем отличается от того, что происходит в сценарии приливного пула образования полимеров из органических мономеров).Их можно увидеть с помощью световой и электронной микроскопии.

Хотя липосом легко сделать в лаборатории, неясно, существовали ли они на предбиотической земле. Тем не менее, клеточные мембраны должны были приобрести свою двухслойную структуру фосфолипидов ко времени LUCA, поскольку они есть у всех нас! До LUCA, химические перегруппировки должны были произойти, чтобы позволить включение фосфолипидного бислоя в любую начальную границу жизни, с которой начиналась.

Мы уже рассмотрели биопленку , предложенную для клеточного происхождения в щелочном источнике.Образование таких биопленок могло бы отделить кислые протоны океана от внутренней части таких протоклеток, создавая протонный градиент. Такой градиент мог бы стимулировать раннюю эволюцию хемиозоза как средства создания химической энергии, в комплекте с последующим отбором АТФ-синтаз и ферментов протонного транспорта, опять же, потому что все клетки, происходящие от LUCA, обладают этими биохимическими свойствами. Конечно, протеиноидные микросферы, коацерваты, мембраны на основе биопленок и липосомы не являются живыми и, следовательно, не являются клетками.Но тот или иной из них должен был быть там, где началась усиленная координация молекулярной коммуникации , необходимая для жизни.

354 Защищенная молекулярная коммуникация: полупроницаемые мембраны

Важный вывод заключается в том, что независимо от первоначальной структуры первых клеток они возникли вскоре после того, как органические химические предпосылки жизни начали приобретать знакомые метаболические функции. Нам нужно рассматривать химический и структурный прогресс до клеточности как одновременные метаболические эволюционные события.В какой-то момент отбор изолированной биохимии привел к протоклеткам , затем к первым клеткам, каждая из которых обладала всеми свойствами жизни.

Наконец, выбор высокоспецифичной коммуникации между клеточными молекулами позволил самим клеткам разговаривать друг с другом, участвовать в групповой деятельности и в конечном итоге объединяться, образуя многоклеточные организмы. Многоклеточность, конечно, характерна для многих, если не для большинства эукариот. Но посмотрите отличную лекцию на TED Talk о межклеточной коммуникации между бактериями, написанную доктором.Бонни Басслер из Intercellular Communication in Bacteria.

C. Истоки хранения и поиска информации в мире РНК

Давайте пока примем, что молекулярная коммуникация началась одновременно с упаковкой взаимосвязанных сокаталитических наборов в полупроницаемые структуры. Затем были выбраны наиболее подходящие из этих структур для эффективной координации значимых и своевременных сообщений о химических веществах. В конечном итоге для координации требуется обработки информации , хранилище и извлечение , что мы признаем в центральной догме Фрэнсиса Крика о потоке информации от ДНК к РНК и белку.Клетки и организмы хорошо координируют свою работу, но как выглядят ее начала? Ответ может лежать в пребиотическом мире РНК, который мы обсуждали ранее. Центральная догма, измененная с учетом обратной транскрипции и поведения ретровирусов, показана ниже.

Мы действительно не знаем, как клетки стали полагаться на ДНК для хранения, передачи и мобилизации генетической информации, но мы представили причины полагать, что первой реплицирующейся нуклеиновой кислотой была РНК, создавая мир РНК .Вот доказательства, которые подводят нас к такому выводу.

  • Мы знаем, что РНК могут принимать разнообразные и замысловатые формы, исходя из структуры типа «стебель-петля» и других структур, которые образуются, когда молекулы РНК подвергаются внутреннему H-связыванию.
  • Разнообразные конформации согласуются с эволюцией специфичности взаимодействия РНК между собой и / или с другими молекулами в пребиотической среде.
  • РНК, либо отдельно в виде автокатализаторов (например, самосплайсинг мРНК), либо в виде каталитических рибонуклеопротеиновых комплексов (например,g., рибосомы) существуют в клетках сегодня.
  • Некоторые из этих РНК (особенно рРНК) имеют долгое филогенетическое наследие, разделяемое клетками всех трех сфер жизни.

Склонность одноцепочечных молекул РНК складываться на основе внутренней Н-связи может приводить к этим разнообразным трехмерным формам (третичной структуре). Эти структуры могли взаимодействовать с другими молекулами в окружающей среде. Поскольку они могут быть воспроизведены в соответствии с различными пребиотическими сценариями, одни и те же РНК могут также передавать простую генетическую информацию, содержащуюся в их базовых последовательностях.Сочетание информационных и каталитических свойств в одной молекуле проиллюстрировано ниже.

Способность РНК в качестве катализаторов и хранилищ генетической информации говорит об эффективном кандидате на роль первого двойного двойного или многоцелевого полимера , свойство, которое неизвестно и не может быть продемонстрировано для ДНК. Подробнее о предлагаемых «мирах РНК», в которых, возможно, зародилась жизнь, читайте в Cech TR (2012) [ The RNA Worlds in Context Cold Spring Harbor Perspectives in Biology (Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor press) 4 (7): a006742e].

355 Самовоспроизводство: информация, коммуникация и координация

Как мог бы РНК-катализ, помимо самовоспроизведения, выглядеть в более простые времена? Рассмотрим взаимодействие между двумя гипотетическими РНК и разными гипотетическими аминокислотами, связанными с каждой, как показано ниже.

Связывание каждой РНК с ее аминокислотой будет иметь высокое сродство, специфическое взаимодействие, основанное на комплементарности заряда и формы.Точно так же две РНК, показанные на иллюстрации, должны иметь высокое сродство друг к другу, также основанное на химической и физической взаимодополняемости. Можно даже представить себе сильную Н-связь между основаниями в двух РНК, которая может замещать внутрицепочечные Н-связи (здесь не показано). В результате две аминокислоты объединяются таким образом, что катализирует образование пептидной связи. Это потребует ввода свободной энергии (напомним, что пептидная связь — одна из наиболее энергоемких реакций в клетках).А пока предположим, что это химический источник энергии, и давайте сосредоточимся на специфичности, необходимой для каталитической активности РНК.

Теперь мы знаем, что тРНК являются посредниками между нуклеиновыми кислотами и синтезом полипептидов. Так что справедливо спросить, как вид активности, проиллюстрированный выше, мог привести к взаимодействиям тРНК-аминокислоты, которые мы наблюдаем сегодня. Между современными аминокислотами и РНК нет очевидной химии связывания, но может быть менее очевидное наследие предлагаемых связываний. Это связано с тем фактом, что генетический код универсален, а это означает, что любые структурные отношения между РНК и аминокислотами должны быть выбраны на ранней стадии (в самом начале!) Клеточной жизни на Земле.Вот аргумент.

  1. Код действительно универсальный (или почти универсальный)
  2. Существует корреляция между химическими свойствами аминокислот и их кодонов, например
    1. Заряженные (полярные) аминокислоты кодируются триплетными кодонами с большим количеством оснований G (гуанина).
    2. Кодоны
    3. для незаряженных аминокислот чаще содержат средний U (урацил), чем любое другое основание.

Эти корреляции означают, что раннее связывание аминокислот со специфически свернутыми РНК было заменено в эволюции катализируемым ферментами ковалентным присоединением аминокислоты к «правильной» тРНК, как мы видим сегодня.

Какие силы могли выбрать разделение комбинированных матричных / информационных функций от большинства каталитических активностей РНК? Возможно, это был выбор большего разнообразия структуры (т.е. формы), которого могут достичь свернутые полипептиды по сравнению со свернутыми РНК. В конце концов, полипептиды представляют собой цепочки из 20 различных аминокислот по сравнению с четырьмя основаниями, составляющими нуклеиновые кислоты. Этот потенциал для молекулярного разнообразия, в свою очередь, ускорит темпы химической (и, в конечном итоге, клеточной) эволюции.Здесь проиллюстрирован сценарий перехода от более ранних самовоспроизводящихся событий РНК к трансляции белков с мРНК.

Адаптер РНК на иллюстрации станут тРНК. Новая относительно развернутая РНК представляет собой предполагаемую мРНК. Таким образом, еще до проникновения ДНК в наш мир РНК можно представить себе выбор определяющих признаков генетического кода и механизма трансляции (синтеза белка), который характеризует все живое на планете.Затем мы рассмотрим «лучшие предположения» о том, как хранение информации на основе РНК и каталитическая химия могли совершить эволюционный переход к хранению информации на основе ДНК и преимущественно ферментному катализу на основе белков.

D. От рибосом к ферментам; От РНК к ДНК

Термин сокатализ может очень хорошо описывать биохимические реакции, в которых катализатор ускоряет химическую реакцию, продукт которой каким-то образом возвращается в свой собственный синтез. Мы увидели это в действии, когда обсуждали регуляцию аллостерических ферментов и контроль биохимических путей.Каталитические петли обратной связи, должно быть, были важными событиями в эволюции межмолекулярной связи , и , метаболической координации , необходимых для жизни.

Здесь мы рассмотрим несколько сценариев перехода от мира РНК к чему-то более узнаваемому, как сегодняшнее хранение информации о нуклеиновых кислотах и ​​каталитический метаболизм на основе белков.

1. Ответвление рибозимов: репликация, транскрипция и трансляция

Если РНК катализируют собственную репликацию, это может напоминать автокаталитическую репликацию AATE.В то же время некоторые РНК также могли привлекать аминокислоты к своей поверхности и катализировать образование пептидной связи, как уже было описано. Следовательно, красивые пребиотические РНК могли катализировать синтезированные пептиды, некоторые из которых в конечном итоге возьмут на себя катализ синтеза РНК! Сценарий кратко изложен ниже.

356 Хранение и поиск информации в мире РНК

Отбор, благоприятствующий синтезу коротких олигопептидов и полипептидов, согласуется с каталитической диверсификацией, которая привела к преобладанию белковых катализаторов, т.е.е., ферменты. Показанный здесь примитивный фермент, должно быть, был выбран, потому что сначала он помогал автокаталитической репликации самой РНК! Со временем фермент будет развиваться вместе с РНК. Затем эта совместная эволюция в конечном итоге заменила автокаталитическую репликацию РНК синтезом РНК, катализируемым ферментами, который сегодня мы называем транскрипцией. В этом сценарии самосплайсинговые премРНК и рибозимы являются выжившими остатками мира РНК!

Давайте теперь обратимся к некоторым идеям о том, как мир РНК может осуществить переход к миру ДНК-РНК-белков, который мы имеем сегодня.

2.Перенос хранения информации с РНК на ДНК

Передача функций от РНК к ДНК отнюдь не является решенным вопросом среди тех, кто изучает происхождение жизни и раннюю эволюцию. Лучшее предположение состоит в том, что разработка белковых ферментов, начатая в мире РНК, приведет к созданию ферментов, подобных обратной транскриптазе, которые копируют информацию РНК в молекулы ДНК. Информация о ДНК могла быть выбрана потому, что ДНК химически более стабильна, чем РНК. Базовый сценарий передачи показан ниже.

Все живые сегодня клетки хранят информацию в ДНК (только некоторые вирусы имеют геном РНК).Следовательно, переход к использованию ДНК в качестве информационной молекулы должен был предшествовать зарождению жизни. По крайней мере, это должно было произойти в клетках, из которых возник LUCA. Детали этого ключевого изменения включают эволюционные шаги, которые еще предстоит проработать ко всеобщему удовлетворению!

357 Переход от мира РНК к миру ДНК

E. Эволюция биохимических путей

Рассказ об эволюции ферментов из рибозимов и информационной ДНК из РНК, а также других метаболических химических процессов, лежащих в основе полупроницаемых пребиотических границ, продолжается в клетках сегодня.Несомненно, в раннем клеточном метаболизме участвовали только жизненно важные для жизни реакции, катализируемые ограниченным количеством ферментов. Но если эволюция неумолимо стремится к усложнению молекулярной коммуникации и координации, другими словами, к все более и более точной регуляции метаболизма, как расширился репертуар ферментов и как биохимические пути стали более сложными? Мы ответили на первый вопрос в другом месте, когда обсуждали дупликацию генов (например, неравным кроссинговером).Дублирующиеся гены, кодирующие один и тот же фермент, предоставили сырье для новых ферментов и новых ферментативных функций.

Будь то в клетках или в пребиотических структурах, мы можем предположить, как могла развиваться новая химическая реакция. Например, предположим, что клетка получает молекулу D , необходимую для важной функции, из внешнего источника окружающей среды. Что произойдет, если уровень D в среде станет , ограничивающим ? Ясно, что клетки умрут без достаточного количества D .То есть, за исключением клеток, которые уже имеют дублированный, избыточный ген, который мутировал и теперь кодирует фермент, способный производить D в клетке. Такая клетка могла бы существовать с другими клетками без мутации, но окружающая среда, ограниченная D, отбирала бы мутантную клетку для выживания и размножения. Представьте себе сценарий, проиллюстрированный ниже.

358 Истоки и эволюция биохимических путей

По аналогичному сценарию мутация в дублированном гене может привести к новой активности фермента, которая может преобразовать некоторую молекулу (например,g., C или D) в клетке в новый молекулярный продукт. Если новый фермент и молекулярный продукт не убивают или не истощают клетку, клетка может выжить, чтобы быть отобранной по какой-то необходимости в будущем.

Пусть говорят молекулы | Feature

Подумайте о слове «общение», и слова «речь», телефон, текстовое сообщение, электронная почта, Facebook и Twitter обязательно появятся. Если вы старомодны, то можете получить телеграмму или факс. А если вы ученый: вероятными кандидатами могут быть электромагнитные волны и двоичные коды.Но химическое или молекулярное? Возможно нет.

Тем не менее, общение с использованием химических сигналов происходит постоянно внутри каждого живого существа, а также между организмами. Феромоны, передача сигналов между клетками и обнаружение кворума между бактериями — все это формы коммуникации. Но вместо того, чтобы посылать электрические токи по проводам, радиоволны через космос или свет по оптоволоконным кабелям, молекулы отправляются от одной клетки или организма к другому. И количество этих молекулярных мессенджеров в миллионы раз превышает 145 миллиардов текстовых сообщений, отправленных в Великобритании в 2013 году.

В 21 веке у нас под рукой есть множество высокотехнологичных коммуникационных решений, но ученые и инженеры возвращаются к природе, чтобы найти способы общения в средах, где искусственные системы связи по-прежнему работают плохо. Например, в крови или морской воде, где соль мешает передаче радиоволн, или под землей, где радиоволны не могут проникнуть, или в наномасштабе, где объекты меньше длины волны радиоволн.

«Мы пытаемся имитировать то, что делают бактерии, когда они общаются, или то, что клетки делают для межклеточной передачи сигнала, чтобы решить некоторые довольно специфические проблемы коммуникации», — объясняет Эндрю Экфорд, инженер-электрик из Йоркского университета в Торонто, Канада.

Область исследований начала оживать около 10 лет назад и была придумана молекулярной коммуникацией. «Она во многом отличается от нынешних телекоммуникационных технологий, — говорит Тадаси Накано, инженер по коммуникациям из Университета Осаки в Японии. «Молекулярная коммуникация не использует электрические сигналы, оптические сигналы или электромагнитные волны… она использует молекулы для коммуникации».

Учиться у природы

Чтобы имитировать естественные системы связи, инженеры должны знать, как они работают, объясняет биохимик и нанобиолог Джанет Палух из Государственного университета Нью-Йорка, США.«Необязательно понимать всю картину целиком, но нужно понимать ключевые элементы. Во многих случаях биологические системы чрезвычайно сложны, но они самособираются. Эта самосборная природа означает, что нам еще не нужно понимать все о процессе, нам просто нужно понять достаточно, чтобы заставить клетки машин делать то, что они могут делать ».

Например, клетки-«передатчики» выталкивают молекулы за пределы своей клеточной стенки. Затем эти молекулы распространяются и диффундируют в «принимающую» ячейку, которая декодирует отправленную информацию и соответствующим образом реагирует.Предлагаются системы, имитирующие эту модель, которые будут использовать искусственные клетки и другие бионаномашины вместо клеток. Информация может передаваться разными способами: варьируя тип молекулы, время молекулярного сигнала или количество отправленных молекул (например, отсутствие молекул, соответствующих двоичному сигналу 0, а некоторые молекулы будут означать 1).

Получение футуристического

«Основа современной научной фантастики — это введение крошечных роботов в кровоток, они плавают и делают то, что вам сейчас может понадобиться хирургическое вмешательство», — говорит Экфорд.«Например, они могут восстанавливать связки, делать ремонт на месте, уничтожать опухоли и все такое, что сейчас мы считаем очень футуристическим. Мы имеем в виду именно такие приложения ».

Наномашины видения Экфорда быстро становятся реальностью, поскольку группы по всему миру работают над нанороботами, но ключевым препятствием является общение, объясняет он. «Проблема в том, что всего один робот не может много сделать. Им нужен какой-то способ сотрудничества, и, чтобы сотрудничать, им нужно знать, что делают их соседи.Следовательно, этим роботам необходимо общаться друг с другом. Это проблема, которую необходимо решить ».

Проблема в том, что очевидный выбор — радиоволны — на самом деле не работают внутри тела, потому что они плохо распространяются в соленой среде. «В результате микроорганизмы нашли способ использовать молекулы для общения», — объясняет он. Этим роботам также необходимо будет уметь получать сигналы от естественных клеток, тканей или органов, чтобы знать, какие из них являются злокачественными или нуждаются в ремонте.

Большая часть этой работы до сих пор была теоретической, но с помощью химиков и биохимиков это инженерное исследование начинает выходить из компьютерного пакета в лабораторию.

В 2008 году Сатоши Хияма и его коллеги из Токийского университета в Японии опубликовали первую успешную экспериментальную работу. 1 «Они продемонстрировали набор основных процессов молекулярной коммуникации, таких как передача, распространение и прием носителей сообщений с использованием биоматериалов», — поясняет Накано. Эта установка не использует диффузию; вместо этого микротрубочки скользят по иммобилизованным моторным белкам, чтобы транспортировать «носителей сообщений» от передатчика к приемнику.Микротрубочки помечены короткими цепями ДНК, и в месте загрузки комплементарные цепи ДНК селективно связываются с микротрубочкой посредством гибридизации ДНК. Когда микротрубочка достигает приемника, эти дополнительные нити разгружаются за счет обмена нитью.

Послание в бутылке

Однако эта система несколько ограничена по типу и длине сообщения, которое она может отправлять. Но Экфорд и его коллеги смогли отправлять гораздо более длинные сообщения, используя свою систему на основе водки, которая получила широкую огласку в 2013 году. 2 «Раньше было несколько гораздо более простых демонстраций, но наша была первой, где вы могли вставить сообщение, которое длилось столько, сколько вы хотели», — объясняет Экфорд.

Система отправляла сообщения с помощью затяжек изопропилового спирта (хотя она также работает с водкой), которые обнаруживаются с помощью коммерческой системы на основе алкотестера на другом конце лабораторного стола на расстоянии около 4 метров. «Полупроводниковый датчик генерирует напряжение, зависящее от концентрации алкоголя в воздухе», — объясняет Экфорд.Затяжка алкоголя превращается в 1 в двоичном коде, тогда как отсутствие алкоголя дает 0 , первая строка государственного гимна Канады. Экфорд говорит, что если у вас хватит терпения, длина сообщения, которое может быть отправлено таким образом, не ограничена.

Eckford планирует как уменьшить, так и увеличить масштаб этой системы для различных приложений.«Двигаясь в сторону устройств нанометрового масштаба, мы хотели бы уменьшить его», — говорит он. «Мы не собираемся сразу переходить к наномасштабу за один шаг, а вместо этого разработаем версию 2.0, в которой все будет сокращено, скажем, в 10 раз. Затем версия 3.0, еще раз в 10 раз и так далее, пока, наконец, мы не будем достижение цели нанокоммуникаций ».

Что касается масштабирования, Eckford рассматривает приложения в других средах, где радиоволны не очень хорошо работают, например, в морской воде, под землей и в туннелях.«Мы изучаем такие приложения, как поисково-спасательные операции в тяжелых условиях», — объясняет он. «Например, в обрушившемся здании, канализации или шахте вы можете отправить робота внизу, а он может получить сообщение, отправив спрей спирта или что-то в этом роде».

Инфохимия

Тем временем американские химики Джордж Уайтсайдс из Гарвардского университета и Дэвид Уолт из Университета Тафтса разрабатывают альтернативные подходы к коммуникации с использованием молекул.«Мы хотели иметь возможность передавать информацию с помощью химических методов, не связанных с электромагнитной связью», — говорит Уолт. В их подходе молекулы используются не для передачи сообщения, а для кодирования сообщения.

Группы Уайтсайдов и Уолта разработали систему молекулярной коммуникации, которую они назвали «инфохимией». 3 «Идея состоит в том, чтобы передавать информацию в виде цветных импульсов», — говорит Уайтсайдс. «Основная концепция очень широка — например, светофоры передают информацию импульсами цвета.’

Исследователи разработали легковоспламеняющуюся струну, которую они назвали инфузией, с высоким, низким или нулевым содержанием калия, рубидия и цезия по всей ее длине. Когда настойка горит от одного конца до другого, она излучает свет разной частоты, воспламеняя разные металлы, и излучает их с разной интенсивностью в зависимости от концентрации. Эти атомные эмиссионные линии можно обнаружить с помощью инфракрасной камеры на расстоянии до 1 км. Используя комбинацию различных щелочных металлов и концентраций, была разработана система кодирования, позволяющая отправлять заранее заданные сообщения.«Мы смогли передать заранее определенное сообщение на большие расстояния через космос и средь бела дня без какого-либо электромагнитного сигнала», — говорит Уолт.

Исследование финансируется Darpa (Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США), и в этом заключается ключ к его применению. «Инфузор можно использовать, если кто-то оказался в тылу врага и хотел общаться, не привлекая к себе внимания, используя радио, сотовый телефон или любое другое отслеживаемое устройство», — говорит Уолт.«Предохранитель посылал сигнал« вот я »,« я в порядке »,« обратиться за медицинской помощью »или что-то еще».

Биологический секретный агент

Уайтсайдс и Уолт также разработали биологическую версию: «инфобиологию». 4 В этом подходе в качестве носителей информации используются бактерии, а не свет. Настройка работает как невидимые чернила: после того, как сообщение написано, его можно будет прочитать снова, только если оно правильно проявлено. Помимо очевидного использования в военных целях (опять же, эта работа финансировалась Darpa), другие потенциальные приложения включают аутентификацию продукта.

Сообщение было написано с использованием семи различных штаммов бактерий Escherichia coli . Каждый штамм продуцирует свой флуоресцентный белок, который при правильных условиях светится разным цветом.

Команда записывает свои сообщения в чашках с агаром, используя бинарные комбинации семи бактерий для обозначения разных букв, цифр или знаков препинания. Например, два пятна желтого штамма соответствуют букве T, а желтый штамм и красный штамм вместе дают R.Затем лист нитроцеллюлозы прижимается к пластине и вставляется в столб. «Затем получатель может прижать лист бумаги к культуральной пластине с агаром, чтобы получить сообщение», — объясняет Уолт.

Тип используемого агара жизненно важен. «Если вы использовали неправильный антибиотик для исследования бактерий, они могли бы светиться, но полученное сообщение было бы бессмысленным», — говорит Уолт. Это добавляет дополнительный уровень безопасности к системе: получатель должен знать как код, так и правильную культуральную среду.В качестве демонстрации команда сделала сообщение, что при воздействии антибиотика ампициллина говорилось: «Это био-закодированное сообщение из лаборатории Уолта в Университете Тафтса 2011», но при воздействии антибиотика канамицина вместо этого говорилось: «Вы использовали неправильный шифр и сообщение — тарабарщина. ‘

Эти технологии в настоящее время находятся на стадии исследования, и от них легко отказаться просто потому, что они похожи на то, что вы ожидаете найти в разработке Q в его вымышленных научно-исследовательских лабораториях для Джеймса Бонда.Но ожидается, что в будущем они найдут полезное применение. «Я думаю, что важность информации настолько велика, что если вы объедините концепции информации с диапазоном свойств, длин волн и другими характеристиками, которые вы можете получить из химии и материаловедения, то обязательно должна быть какая-то связь, чтобы на самом деле произвести некоторые настоящая полезность », — говорит Уайтсайдс.

Беседа о малых молекулах с Элисон Ондрус

Новый доцент кафедры химии Элисон Ондрус говорит, что она рада применить инструменты традиционной химии для изучения биологических проблем, и считает Калтех с его небольшой междисциплинарной средой как идеальное место для этого. сделай это.

Ондрус получила докторскую степень по органической химии в 2009 году в Массачусетском технологическом институте, где она научилась синтезировать структурно сложные молекулы. Оттуда она заинтересовалась биологией и начала изучать сигнальный путь Hedgehog в качестве постдокторанта в Медицинской школе Стэнфордского университета. Семейство белков Hedgehog отвечает за многие основные функции у животных, включая развитие и организацию общего строения тела. Мутации в генах пути Hedgehog могут привести к врожденным деформациям, а также к раку как у юношей, так и у взрослых.

В Калифорнийском технологическом институте Ондрус планирует использовать свои знания в области химии для продолжения изучения сигнального пути Hedgehog и решения загадок о том, как важные небольшие молекулы, такие как холестерин, контролируют активность Hedgehog во время развития эмбрионов, процесс, известный как эмбриогенез.

Ваша докторская степень была в области синтетической химии. Что это значит?

В синтетической органической химии вы создаете сложные молекулы с нуля. Вы начинаете с гипотезы о том, как создать интересную молекулярную структуру наиболее сходящимся, элегантным и эффективным способом на основе выбранных вами реакций.Оттуда вы идете в лабораторию и пытаетесь построить молекулу.

Как вы перешли от синтеза химических веществ к изучению биологических путей?

Я потратил много времени, просто изучая структуры молекул и оценивая богатство структуры, поэтому, когда у меня была возможность увидеть, как те же принципы переводятся на биологическую активность, открылся новый мир. Я начал понимать, что все больше и больше думаю обо всех маленьких молекулах, которые уже присутствуют в наших телах.Меня всегда восхищали здоровье человека и человеческое развитие, и я начал задаваться вопросом, как эти молекулы участвуют в нормальной физиологии и болезнях. Я начал читать, чтобы попытаться найти примеры, в которых у людей были хотя бы косвенные доказательства того, что небольшие молекулы играют ключевую роль в регулировании биологических путей, в частности, в отношении здоровья человека.

Читая, я наткнулся на действительно увлекательный путь, который сейчас изучаю — сигнальный путь Hedgehog.

Почему важен сигнальный путь Hedgehog?

Ежик важен почти во всех аспектах превращения эмбриона в человеческую форму, и его недостатки демонстрируют его важность.Он отвечает за формирование плана нашего тела, от симметрии влево-вправо до количества цифр. Как вы понимаете, дефекты этого пути приводят к действительно острым фенотипам, потому что они играют важную роль в этих ранних процессах. Этот путь также играет роль в различных раковых заболеваниях, в первую очередь базальноклеточной карциноме — раке кожи — наиболее распространенной форме рака у людей.

Мы знаем, что определенные небольшие молекулы, основанные на холестерине, могут включать или выключать этот путь, но мы не знаем, какие ферменты производят эти молекулы, где они локализуются или как они взаимодействуют с путем Hedgehog.Выяснение этих клеточных процессов важно для понимания того, как этот путь контролирует такие вещи, как формирование паттернов тела и развитие мозга, и как это может пойти не так и привести к раку.

Если мы сможем понять, какие компоненты метаболизма холестерина необходимы для активности Ежика, тогда мы сможем начать гораздо более конкретно решать некоторые из этих заболеваний и вмешиваться способами, которые мы еще не рассматривали.

Как вы собираетесь изучать холестерин по методу Ежика?

Я собираюсь объединить часть своего опыта по синтезу с моим пониманием передачи сигналов, чтобы задать вопросы о холестерине и связанных с ним молекулах, а также об их роли в регуляции пути Hedgehog.Небольшие молекулы часто являются недостающим звеном в гипотезах о передаче сигнала пути Hedgehog. У вас могут быть два белка в пути, которые общаются через эти очень специфические маленькие молекулы, но без химических инструментов, чтобы точно задавать вопросы, механизм остается неизвестным. Каковы точные структуры этих молекул? Как они осуществляют это общение? Уникальность нашей лаборатории заключается в том, что мы можем синтезировать определенные молекулы холестерина, необходимые для ответа на эти вопросы.

Что вам нравится в Калтехе?

В Калтехе действительно нет препятствий. Никто не говорит, что вы не можете что-то сделать или что идея слишком беспрецедентна. В культуре принято считать, что делать что-то новое по своей сути интересно и ценно. Это то, что я действительно ценю в Калтехе.

Чем вы любите заниматься в свободное время?

Я люблю йогу и езду на велосипеде, а также читаю восточную и западную философию. Я только что закончил слушать аудиокнигу Томаса Куна Структура научных революций , которую рекомендую всем.

Обсуждение молекул — ProQuest

Пробный камень жизни: молекулярная информация, клеточная коммуникация и основы жизни. Вернер Р. Левенштейн. 359 стр. Oxford University Press, 1999. 30 долларов.

«Пробный камень жизни», наверное, самая увлекательная книга, которую я когда-либо читал. В нем всемирно известный биофизик Вернер Левенштейн использует концепцию информации для объяснения многих интимных процессов в жизни. Передача информации внутри ячеек и между ячейками — это все, что сосредоточено на Левенштейне.Согласно Левенштейну, количество информации, присущее любому заданному расположению материи или энергии, можно вычислить из числа выборов, которые мы должны сделать, чтобы прийти к определенному расположению среди всех одинаково возможных. Чем больше существует возможных договоренностей, тем больше информации необходимо для достижения какой-либо конкретной договоренности. Легко видеть, что по этому определению умеренный фермент или цепь ДНК могут содержать много информации. Информация передается от молекулы к молекуле, когда молекула-«излучатель» заставляет атомы «приемника» разворачиваться в соответствующем пространственном паттерне с помощью электромагнитной силы.

Используя свою концепцию обмена информацией, Левенштейн ясно объясняет многие интересные аспекты жизни. К ним относятся различия между живым и неживым веществом, «управляемость» биологических молекул, время, отведенное для эволюции, информационная емкость ДНК, очевидная связь между интронами и «простотой» организма, «колебание» кодонов, «контроль». обратная транскрипция ДНК, адаптивные мутации и регуляция транскрипции генов. Он даже включает краткий раздел об алхимических исследованиях Исаака Ньютона.

Иногда автор довольно смелый. Он утверждает, что информационные петли — гипотетические круги, нарисованные для представления системы, в которой вещество A (например, РНК) способствует созданию вещества B (белка), которое, в свою очередь, способствует образованию вещества A и т. Д. — «может быть в глубокое чувство имманентной причины эволюции ». А Лёвенштейн предполагает, что …

: ChemViews Magazine :: ChemistryViews

Дженнифер М. Хемстра, Университет Эмори, Атланта, Джорджия, США, и ее коллеги дали олигомерной системе возможность общаться на обоих основных языках природы одновременно.Новый биополимер, называемый пептидной нуклеиновой кислотой или PNA (на фото), объединяет функциональную информацию, содержащуюся в структуре пептида, с генетической информацией, предоставляемой азотистыми основаниями. По словам исследователей, это первая молекула, которая может легко общаться на обоих языках и взаимодействовать с окружающей средой в зависимости от языка, на котором к ней обращаются. Двуязычные биополимеры могут быть полезны в качестве функциональных адаптеров в биомедицинских или нанотехнологических приложениях.

Обсуждение природы

Нуклеиновые кислоты хранят генетическую информацию и передают ее — или «говорят» — посредством спаривания оснований: азотистые основания образуют водородные связи со своими совпадениями в комплементарных цепях.Белки, напротив, могут общаться со своим окружением и выполнять свою функцию только тогда, когда они получают правильную трехмерную структуру, которая предопределена аминокислотной последовательностью.


Природа разделяет оба языка. Структурно или функционально активная аминокислота никогда не обнаруживается встроенной в биополимер нуклеиновой кислоты, а генетически кодирующее азотистое основание никогда не смешивается с соседними аминокислотами в пептидной или белковой цепи. Однако ученые утверждают, что сочетание обоих кодов в одной молекуле может привести к истинному двуязычию.Двуязычная молекула может быть полезна несколькими способами: например, в биомедицине она может служить центром для адаптации или посредничества между входящими сигналами.

Действительно двуязычный

Простую гибридную ПНК, включающую участки пептида и нуклеиновой кислоты, сделать несложно — химику нужно только соединить два полимерных блока, один с основанием, а другой с информацией о белке. Однако команда обнаружила, что в такой системе оба языка работают отдельно и, возможно, параллельно, но они не могут контролировать друг друга.Поэтому команда разработала ПНА с более переплетенной структурой. Этот гибрид белок-азотистое основание будет переключаться между обоими языками в зависимости от того, какая информация преобладает.


В качестве мономеров они синтезировали γ-функционализированные аминокислоты, которые несут оба объекта в одной молекуле, азотистое основание (B) и боковую цепь аминокислоты (R), или флуоресцирующую молекулу, которая сигнализирует об агрегационном состоянии молекулы. Если различные мономеры соединены пептидными связями, полученный олигомер содержит информацию об основаниях, а также функции, заданные боковыми цепями аминокислот, которые находятся между последовательностями оснований.


В качестве первой по-настоящему двуязычной ПНК исследователи создали олигомер из двенадцати единиц с последовательностью оснований, совпадающей с последовательностью оснований miRNA-21, биомедицинской РНК-мишени, которая обычно активируется в раковых клетках. Команда включила боковые цепи аланина (метильная группа) или лизина (4-аминобутильная группа) в основную цепь так, чтобы С-конец цепи был гидрофобным (два аланина в ряду), но N-конец был гидрофильным (два лизина). .


В водном растворе полученные олигомеры ПНК самоорганизуются через свои гидрофобные части с образованием мицелл.Это индуцированное аланином образование мицелл указывает на то, что их кодируемый аминокислотами язык был доминирующим, потому что аналогичным образом пептиды складываются, образуя трехмерные структуры или агрегаты со своими соседями. Однако при введении miRNA-21 или ДНК с подходящими основаниями цепи гибридизуются, и мицеллы распадаются. В этом случае молекула перешла на другой язык.

Другие архитектуры

Исследователи признают, что их первая по-настоящему двуязычная ПНК все еще была несколько ограничена в речи: пептидный язык давал информацию только о растворимости, тогда как последовательность оснований была выбрана богатой пиримидином — пуриновые основания, по-видимому, препятствовали синтезу и гибридизации ПНК.


Несмотря на эти проблемы, ученые убеждены, что дополнительные исследовательские работы и более широкое разнообразие структурных мотивов могут расширить как структурный, так и генетический язык PNA. В конечном итоге они рассматривают ПНК как возможный посредник или адаптер между медицинскими мишенями, такими как белки и нуклеиновые кислоты.


Молекулярные основы перекрестного взаимодействия цитоскелета

За последние десятилетия становится все более очевидным, что функциональный перекрестный обмен между микротрубочками и актиновыми компонентами цитоскелета лежит в основе многих важных клеточных процессов, таких как митоз, миграция клеток и внутриклеточный груз. распределение (1⇓⇓⇓ – 5).В соответствии с этим представлением, хорошо известные вспомогательные белки микротрубочек или систем актиновой сети, как было обнаружено, взаимодействуют с обоими типами филаментов in vitro и in vivo (6-8). Основные молекулярные принципы того, как эти «общие белки» устанавливают и / или регулируют перекрестные помехи между двумя цитоскелетными системами, остаются в значительной степени загадочными.

Ранее мы обнаружили, что один хорошо охарактеризованный белок актиновой цитоскелетной системы — меланофилин млекопитающих от мыши ( Mm Mlph) — является таким «общим белком», что продемонстрировано его взаимодействием с микротрубочками in vitro (9). Mm Mlph был первоначально идентифицирован как важный адаптер, рекрутирующий мотор миозина Va ( Mm MyoVa) на органеллы или меланосомы, содержащие пигмент, через GTPase Rab27a. Это образует один из немногих хорошо охарактеризованных комплексов мотор-груз in vivo (10), трехкомпонентный комплекс Mm Rab27a / Mm Mlph / Mm MyoVa (рис. 1 A ) (11⇓⇓⇓⇓ –16). Также хорошо установлено, что у млекопитающих Mm Mlph взаимодействует с актиновыми филаментами через свой С-конец (11, 17, 18).Недавно мы показали, что in vitro дефосфорилированный C-концевой филамент-связывающий домен (FBD) размером Mm Mlph явно предпочитает микротрубочки над актиновыми филаментами, тогда как фосфорилирование прототипной протеинкиназой A (PKA) восстанавливает его предпочтение к актину ( 9). Это конкурентное взаимодействие C-концевого FBD Mm Mlph с двумя типами филаментов в конечном итоге оказалось достаточным для регулирования выбора треков его Mm MyoVa двигателя в трехчастном комплексе при воссозданных пересечениях микротрубочек с актином in vitro (рис.1 А ).

Напротив, в модели млекопитающих динамическое переключение пигментных органелл между двумя цитоскелетными сетями физиологически несущественно (4). Чтобы разоблачить молекулярные основы и функциональную значимость такого Mlph-обусловленного отбора треков, здесь мы обращаемся к физиологически релевантным модельным организмам и пытаемся ответить на два ключевых вопроса. Каково молекулярное «происхождение» регулирующей способности Mlph над своим двигателем MyoVa? Более того, достаточна ли способность Mlph направлять свой связанный с актином MyoVa на «неправильный» трек, чтобы вызвать функциональные перекрестные помехи в клеточном масштабе?

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕВ отличие от модели млекопитающих, этим двум модельным организмам фактически предлагается использовать перекрестные помехи, чтобы обратимо распределять свои меланосомные органеллы в меланофорных клетках регулируемым PKA способом (1, 19, 20) (рис. 1

). В ). Последний позволяет рыбам и амфибиям активно контролировать цвет своей кожи — увлекательная черта, которая у млекопитающих утрачена. Однако, несмотря на эти видоспецифические различия, предыдущие исследования in vivo показали, что ранние и низшие позвоночные, скорее всего, используют трехкомпонентные комплексы, гомологичные тем, которые обнаруживаются на органеллах млекопитающих, для обеспечения подвижности цитоскелета (1, 20, 21) (рис.1 А ). Если это так, то последнее представляет собой непревзойденную возможность проследить функциональное происхождение Mlph-обусловленного выбора треков до ранних и низших позвоночных.

Чтобы напрямую проверить эти гипотезы, мы намеревались воссоздать предполагаемые трехчастные комплексы от ранних и низших позвоночных с использованием рекомбинантно экспрессируемых субъединиц, чтобы оценить, действительно ли они образуют функциональные трехчастные комплексы, управляемые MyoVa. С этой целью мы обратились к гомологам Rab27a, Mlph и MyoVa от рыбок данио и Xenopus соответственно ( SI Приложение , рис.S1 A ; подробности см. в Приложении SI). В частности, мы экспрессировали три различных белка Mlph от рыбок данио с различными C-концевыми FBD: Dr Mlph-a, Dr Mlph-b (паралог Dr Mlph-a) и Dr Mlph-bX2 ( изоформа Dr Mlph-b), которая, скорее всего, возникла в результате дупликации гена ( SI Приложение , рис. S1 B ) (21). Мы также экспрессировали одну изоформу из Xenopus , поскольку функционально значимые FBD полностью консервативны среди соответствующих изоформ ( SI Приложение , рис.S1 C ). Чтобы подтвердить, что гомологи Mlph от рыбок данио и Xenopus функционируют как адаптерные белки для образования трехкомпонентных комплексов, как мы продемонстрировали ранее с млекопитающими Mm Mlph (рис. 1 A ), мы обратились к анализам подвижности одиночных молекул. in vitro. Вкратце, мы пометили соответствующие субъединицы Rab27a и MyoVa из рыбок данио и Xenopus двумя разными флуорофорами и проследили их направленное движение на прикрепленных к поверхности актиновых филаментах в микроскопе TIRF (флуоресценция полного внутреннего отражения).Только в присутствии Mlph (без метки) Rab27a и мотор MyoVa перемещаются вместе вдоль филаментов как часть трехчастного комплекса (Movies S1 и S2, Top ). В отсутствие Mlph, напротив, субъединица Rab27a больше не обнаруживает направленного движения, и только мотор MyoVa перемещается вдоль актиновых филаментов (Movies S1 и S2, Bottom ). Вместе наши анализы восстановления демонстрируют, что гомологи Mlph из рыбок данио и Xenopus действуют как адаптер между субъединицами Rab27a и MyoVa, как описано ранее для модели млекопитающих (рис.1 А ).

Затем мы провели скрининг соответствующих гомологов Mlph из рыбок данио и Xenopus на функциональные сайты фосфорилирования, которые мы ранее охарактеризовали на модели млекопитающих (9). Поскольку высококонсервативный сайт фосфорилирования S498 в FBD млекопитающих также был наиболее выраженной мишенью фосфорилирования в наших анализах in vitro (9), мы сосредоточили наше внимание на соответствующих сайтах в различных FBD у рыбок данио и Xenopus ( SI Приложение ). , Инжир.С2 А ). Хотя соответствующий сайт, по-видимому, присутствует в Xenopus Xt Mlph (S492), такой консервативный сайт узнавания для фосфорилирования не обнаруживается ни в одной из последовательностей рыбок данио ( SI Приложение , рис. S2 A ). Однако масс-спектрометрический анализ белков Mlph, фосфорилированных in vitro, выявил несколько PKA-фосфорилированных сайтов в соответствующих FBD у рыбок данио и Xenopus ( SI Приложение , Рис. S2 A и Таблицы S1 – S4).Важно отметить, что в соответствии с нашими предыдущими выводами для млекопитающих Mm Mlph (9), фосфорилирование и дефосфорилирование белков Mlph из рыбок данио и Xenopus не влияли на скорость и процессивность соответствующих моторов MyoVa в трехчастных комплексах. ( SI Приложение , Таблица S5). Подтвердив функциональную целостность соотв. Фосфорилированных и дефосфорилированных гомологов Mlph, мы затем оценили их роль в регуляции отбора треков при реконструированных пересечениях микротрубочек и актина.

Белки меланофилинов из рыбок данио не могут опосредовать отбор треков in vitro.

Во-первых, мы исследовали, способны ли гомологи Mlph от рыбок данио и Xenopus взаимодействовать с микротрубочками и актиновыми филаментами зависимым от фосфорилирования способом in vitro. С этой целью мы прикрепили как микротрубочки, так и актиновые филаменты (помеченные двумя разными флуорофорами) к покровному стеклу и использовали трехцветный микроскоп TIRF для исследования связывающей способности комплексов Rab27a / Mlph (помеченных третьим флуорофором на Rab27a. субъединица) к соответствующим филаментам.В то время как амфибия Xt Mlph легко взаимодействовала с обоими типами волокон ( SI, приложение , рис. S2 B ), все белки Mlph из рыбок данио ( Dr Mlph-a, Dr Mlph-b и Dr Mlph-bX2) не взаимодействовал с микротрубочками ( SI Приложение , рис. S2 C E ). Только Dr Mlph-bX2 взаимодействовал с актиновыми филаментами ( SI, приложение , рис. S2 C ), но не Dr Mlph-a или Dr Mlph-b ( SI, приложение , рис.S2 D и E ).

Неспособность белков Dr Mlph рыбок данио напрямую взаимодействовать с микротрубочками подняла вопрос о том, способны ли эти белки вообще регулировать выбор треков их мотора Dr MyoVa при пересечении микротрубочек с актином in vitro. Чтобы визуализировать поведение соответствующих трехчастичных комплексов в микроскопе TIRF, мы пометили субъединицу Rab27a вместе с микротрубочками и актиновыми филаментами тремя разными флуорофорами.Таким образом, трехчастный комплекс будет либо двигаться направленно к зазубренному концу актиновых филаментов (22), либо обнаруживать одномерную диффузию по микротрубочкам, как показано ранее (9, 23, 24). Затем мы отслеживали, перейдет ли данный комплекс по прибытии на перекресток с одного типа нити накала на другой или просто проигнорирует перекресток и продолжит свой путь ( SI Приложение , рис. S3 A и Фильм S3). В отличие от наших предыдущих результатов с комплексом млекопитающих (9), поведение переключения фосфорилированных и дефосфорилированных комплексов рыбок данио при пересечении микротрубочек и актина было по существу неразличимым (рис.2 A и A ′ и SI Приложение , рис. S3 B C ′). Фактически, комплексы рыбок данио в значительной степени воспроизводят поведение переключения нерегулируемого трехчленного комплекса млекопитающих, у которого отсутствует его регуляторный FBD (9). Вместе эти результаты показывают, что белки Dr Mlph из рыбок данио неспособны регулировать поведение переключения трехчастного комплекса на основе Dr MyoVa на цитоскелетных перекрестках in vitro. Действительно, мотор Dr MyoVa у рыбок данио в отдельности вел себя практически одинаково независимо от того, присутствовал ли Dr Mlph, и точно воспроизводил поведение переключения соответствующих комплексов рыбок данио ( SI, приложение , рис.S3 D и D ′). Поскольку ни один из белков Mlph Dr рыбок данио не был способен регулировать отбор треков при пересечениях микротрубочек и актина, мы решили исследовать, возможно ли сконструировать «регулируемый» комплекс рыбок данио.

Рис. 2.

( Вверху ) Иллюстрация трехкомпонентных комплексов, используемых в экспериментах. Левый столбец: соответствующие направления переключения и состояния фосфорилирования (Phos. И Dephos.) Комплексов. Значения (среднее по экспериментам ± стандартное отклонение) над круговыми диаграммами представляют вероятности переключения с цветовой кодировкой в ​​процентах, которые соответствуют направлению переключения (, слева, ).( A и A ‘). Соответствующие вероятности переключения трехчастного комплекса рыбок данио, собранного с белком Dr Mlph-bX2, не показали зависимости от состояния фосфорилирования Dr Mlph (сравните соответствующие значения для Phos. И Dephos. ), в значительной степени повторяя режимы переключения, показанные в приложении SI , рис. S3. ( B и B ‘) Когда FBD млекопитающих был слит с рыбками данио Dr Mlph-b, переключение химерного комплекса на актин увеличивалось при фосфорилировании и снижалось при дефосфорилировании ( B , 87% для Phos.против 40% для Dephos.) по сравнению с нерегулируемым комплексом рыбок данио дикого типа ( A , ~ 66% для Phos. и Dephos.). ( B ‘) Дефосфорилирование увеличивало переключение химерного комплекса на микротрубочки примерно в пять раз с 4 до 22% ( B ‘, Phos. Vs. Dephos.). ( C ) Предотвращение PKA-зависимого фосфорилирования S498 значительно подавляло переключение на актин ( B против C , Phos. Заявляет), как и ожидалось, в то время как дефосфорилирование все еще эффективно подавляло переключение на актин ( B vs . C , Dephos. состояния). ( C ′) Точечная мутация S498A упразднила способность активировать переключение на микротрубочки ( B ′ против C ′), воспроизводя поведение нерегулируемого комплекса рыбок данио ( A ′ против C ′). n = количество событий из трех независимых наборов экспериментов. ( D и D ‘) Вероятности переключения комплекса млекопитающих для облегчения сравнения (перенесено из исх.9). AF, актин; MT, микротрубочка.

Инженерно-регулируемый выбор трека in vitro.

Возможно, что комплекс MyoVa Mm у млекопитающих развил специфические особенности, позволяющие регуляторный контроль адаптера Mm Mlph над его двигателем Mm MyoVa, который может еще не существовать у ранних позвоночных рыбок данио. Если, однако, FBD-опосредованная регуляция является автономной, то единственное присутствие FBD млекопитающих, как ожидается, будет вызывать PKA-зависимый ответ от нечувствительного комплекса рыбок данио при пересечениях микротрубочек с актином.

Чтобы проверить эту гипотезу, мы слили последние ∼100 остатков FBD млекопитающих, содержащих сайт фосфорилирования S498, с рыбками данио Dr Mlph-b ( SI, приложение , рис. S2 A ; см. SI, приложение ). для подробностей). Присутствия только этого отдаленно родственного FBD млекопитающих было достаточно, чтобы придать способность к регулируемому фосфорилированию переключению при реконструированных пересечениях микротрубочек-актин на комплекс рыбок данио. Такое поведение очень хорошо напоминало комплекс млекопитающих (рис.2 B , B ′, D и D ′) (9). По сравнению с нерегулируемым комплексом рыбок данио, который переключался с практически одинаковой вероятностью с микротрубочек на актиновые филаменты независимо от его состояния фосфорилирования (рис. 2 A , Phos. Vs. Dephos.), Вероятности переключения химерного комплекса, содержащего млекопитающее FBD существенно различается между фосфорилированным и дефосфорилированным состояниями (фиг. 2 B , Phos. Vs. Dephos.). Поразительно, но присутствия одного FBD млекопитающих было достаточно для того, чтобы заставить мотор MyoVa рыбок данио Dr MyoVa встать на «неправильный» путь, значительно активировав переключение химерных комплексов с актиновых филаментов на микротрубочки при дефосфорилировании (рис. 2 B). ′, Phos. Vs. Dephos.). Нам удалось устранить эту повышающую регуляцию, заменив сайт фосфорилирования S498 нефосфорилируемым аланином (S498A) (рис. 2 C ‘, Phos. Vs. Dephos.).

Этот результат подчеркивает регуляторное доминирование консервативного серинового остатка S498 и указывает на то, что включение только нескольких функциональных сайтов фосфорилирования может фактически быть достаточным, чтобы регулировать отбор треков при пересечениях микротрубочек с актином in vitro.Тот факт, что белки Mlph Dr рыбок данио лишены способности одновременно взаимодействовать с микротрубочками и актиновыми филаментами, предполагает, что по крайней мере это конкретное раннее позвоночное не может активировать предпочтение микротрубочек ассоциированного с ним мотора Dr MyoVa. В отличие от рыбок данио, амфибия Xt Mlph, появившаяся позже в эволюции, способна взаимодействовать с обоими типами волокон. Это указывает на то, что амфибия Xt Mlph на самом деле может быть способна регулировать поведение переключения своего мотора Xl MyoVa при пересечении микротрубочек и актина.

Amphibian

Xt Mlph регулирует перекрестные помехи при пересечении микротрубочек и актина.

Как наблюдалось с комплексами рыбок данио (Рис.2 A и SI Приложение , Рис. S3 B и C , Phos. Vs. Dephos.), Фосфорилированные и дефосфорилированные комплексы из Xenopus переключались с в значительной степени неотличимые вероятности от микротрубочек до актиновых филаментов (Fig. 3 A , Phos. vs. Dephos.). Поразительно, однако, переключение в противоположном направлении — с актиновых филаментов на микротрубочки — было значительно увеличено при дефосфорилировании, чего мы не наблюдали с комплексами рыбок данио (рис.3 А ′, Фос. vs. Dephos., рис. 2 A ′ и SI Приложение , рис. S3 B ′ и C ′, Phos. против Dephos.). В соответствии с его ролью в регулировании выбора трека его двигателя Xl MyoVa, удаление FBD отменило это повышающее регулирование ( SI Приложение , рис. S4 A ‘, Phos. Vs. Dephos.). Интересно, что по сравнению с фосфорилированным комплексом млекопитающих, который переключался на актиновый филамент при пересечении микротрубочек с актином с вероятностью ∼100% (рис.2 D , Phos.) (9), ∼50% комплексов амфибий не переключились на актиновый филамент и продолжились на микротрубочке (рис. 3 A , Phos.). Чтобы лучше понять эту значительную разницу между трехкомпонентными комплексами амфибий и млекопитающих (рис. 2 D и D ′ в сравнении с рис. 3 A и A ′), мы исследовали, является ли это Mlph адаптер или мотор MyoVa, который доминирует в поведении переключения при пересечении микротрубочек и актина.С этой целью мы охарактеризовали переключение млекопитающих Mm MyoVa под регуляторный контроль амфибии Xt Mlph и амфибии Xl MyoVa под контролем млекопитающих Mm Mlph. Примечательно, что млекопитающее Mm MyoVa под контролем амфибии Xt Mlph в значительной степени воспроизводило переключательное поведение амфибии Xl MyoVa (рис. 3 B и B ′ по сравнению с рис. 3 A ). и A ′) и наоборот (рис.3 C и C ′ в сравнении с рис.2 D и D ′). Это демонстрирует регулирующую силу адаптивного белка Mlph над двигателем MyoVa, независимо от эволюционного происхождения. Такое регуляторное доминирование предполагает, что C-концевой FBD адапторного белка Mlph может представлять собой функционально доминирующий «командный центр» для регуляции перекрестных помех.

Рис. 3.

Amphibian Xt Mlph регулирует перекрестные помехи при пересечении микротрубочек и актина (описание иллюстраций слева см. На Рис.2). ( A ) Фосфорилированные и дефосфорилированные комплексы Xenopus проявляли в значительной степени неотличимое переключение с микротрубочек на актиновые филаменты (Phos. Vs. Dephos.). ( A ‘) При дефосфорилировании комплекс проявлял значительно усиленное переключение с актиновых филаментов на микротрубочки (Phos. Vs. Dephos.). ( B ) Мотор млекопитающего Mm MyoVa под регулирующим контролем амфибии Xt Mlph продемонстрировал существенно уменьшенное переключение с ~ 100% (9) до ~ 50%, в значительной степени повторяя поведение амфибии Xl MyoVa ( A ).( B ‘) С другой стороны, переключение с актина на микротрубочки усиливалось под регуляторным контролем амфибии Xt Mlph, как ранее наблюдалось с его гомологом у млекопитающих. ( C ) Удивительно низкие вероятности переключения комплекса амфибий на его актиновый филамент были значительно увеличены, когда амфибия Xl MyoVa переключилась под контроль фосфорилированного млекопитающего Mm Mlph (сравните A vs. C , Верх ). Более того, как наблюдалось с комплексом млекопитающих (Fig. 2 D ), дефосфорилирование также подавляло переключение комплекса на актиновые филаменты (сравните C с Fig. 2 D , Bottom ). Следовательно, переключающее поведение амфибии Xl MyoVa под регуляторным контролем млекопитающих Mm Mlph напоминало комплекс млекопитающих, как показано на рис. 2 D , а не комплекс амфибий ( A ).( C ‘) Как и ожидалось, млекопитающее Mm Mlph было способно усиливать переключение амфибий Xl MyoVa на микротрубочки при дефосфорилировании (сравните C ‘ с рис. 2 D ‘). n = количество событий из трех независимых экспериментов для A и A ′ и двух независимых экспериментов для B до C ′. AF, актин; MT, микротрубочка.

Чтобы оценить влияние Mlph-опосредованного выбора треков на всю клетку, мы обратились к компьютерному моделированию, чтобы смоделировать динамическое перераспределение меланосом, как показано на рис.1 В . В частности, мы ответили на следующие вопросы. Способны ли экспериментально определенные вероятности переключения из наших тестов восстановления опосредовать какое-либо значительное перераспределение этих органелл в клеточном масштабе? Если да, то существует ли конкретная функциональная цель для регуляции переключения с актиновых филаментов на микротрубочки (pAF → MT), но не в обратном направлении (pMT → AF), как это наблюдается в наших анализах (рис. 3 A по сравнению с рис. 3). А ′)?

Моделирование движения меланосом у меланофоров амфибий.

Чтобы смоделировать стохастическое движение меланосом в масштабе всей клетки, мы разработали вычислительную модель, как показано на рис. а также время пребывания меланосом на микротрубочках и актиновых филаментах при моделировании перераспределения меланосом, SI Приложение , Рис. S6 – S9). Поскольку наша цель состояла в том, чтобы перевести поведение переключения отдельных меланосом при пересечении одиночных филаментов во внутриклеточную организацию этих органелл, мы явно смоделировали цитоскелетные сети, состоящие из отдельных актиновых и микротрубочек.Такое явное моделирование филаментных сетей недавно разоблачило ранее недоступные теоретические аспекты внутриклеточного транспорта (25–31), в то время как эффективные, непрерывные модели дали первое фундаментальное понимание процессов транспорта, зависящих от цитоскелета (32–36). . Чтобы изучить влияние переключения межфиламентных волокон на распределение внутриклеточных меланосом у меланофоров Xenopus , мы варьировали только вероятности переключения, оставляя неизменными скорости моделируемых меланосом в сетях микротрубочек и актина.В частности, мы установили подвижность меланосом на микротрубочках на постоянную, направленную на минус-конец скорость, соответствующую активности с преобладанием динеина, которая объединяет меланосомы в меланофоры Xenopus (37) (рис.1 B , справа ) , как указано в Приложении SI . Мы выбрали эту реализацию по двум причинам. Во-первых, он представляет собой «наихудший» сценарий для нашего вопроса о том, достаточно ли одной регуляции вероятностей переключения для обратимого распределения меланосом по клетке (т.е.е., явно не регулируя движение микротрубочек). Во-вторых, хорошо известно, что у меланофоров амфибий деполимеризация актиновой сети агрегирует меланосомы на минус-концах микротрубочек, даже если органеллы изначально были рассредоточены по клетке (37, 38).

Рис. 4.

Иллюстрация расчетной (in silico) модели. ( A ) Меланофоры моделировали как двумерные круглые клетки (радиус 30 мкм), которые содержали прямые актиновые филаменты и микротрубочки с внутренней ориентацией (указаны стрелками).Предполагалось, что распределение актиновых филаментов однородно и изотропно как по положению, так и по ориентации. Длины были выбраны из экспоненциального распределения (в среднем 1,5 мкм). Микротрубочки располагались радиально (длина ~ 30 мкм) и тянулись от центра клетки (минус концы) к периферии (плюс концы). ( B ) Предполагалось, что динамика меланосом ( Top ) направлена ​​к зазубренному концу, когда они связаны с актиновыми филаментами, двунаправленно, но со смещением к минус-концу, когда они связаны с микротрубочками, и диффундируют в двух измерениях, когда они не связаны. .( Нижний ) При любом данном пересечении нитей меланосомы могли либо продолжать двигаться вдоль той же нити, либо переключаться на другую нить с соответствующими вероятностями переключения pAF → MT, pMT → AF и pAF → AF (синие стрелки указывают направление движение). Для получения дополнительных сведений о модели и ее надежности см. Приложение SI , таблица S6 и рис. S6 – S9. AF, актин; MT, микротрубочка.

Регуляция переключения в одиночку вызывает перераспределение меланосом в виртуальных меланофорных клетках.

Одно любопытное открытие, полученное с помощью модели Xenopus , заключалось в том, что вероятности переключения с актиновых филаментов на микротрубочки (pAF → MT) зависели от фосфорилирования, в то время как вероятности переключения с микротрубочек на актиновые филаменты (pMT → AF) не регулировались (рис. . 3 A по сравнению с рис. 3 A ′). Поэтому мы сначала исследовали, влияет ли повышающая регуляция pAF → MT на распределение меланосом как таковое. Как и ожидалось, сильное смещение переключения в сторону микротрубочек (большие pAF → MT) привело к кластеризации меланосом в центре клетки (рис.5 A , слева ). Поразительно, однако, наше компьютерное моделирование показало, что одного лишь уменьшения pAF → MT было достаточно для рассеивания меланосом по всей клетке (рис. 5 A , Middle и Right и Movies S4 и S5). Не было необходимости дополнительно регулировать отрицательное смещение движения меланосом (т.е. зависимое от динеина движение; см. Рис. 1 B , Right ) на микротрубочках.

Рис. 5.

Изменений только в pAF → MT достаточно, чтобы сделать возможным перераспределение меланосом в виртуальных меланофорах.( A ) В нашем компьютерном моделировании непрерывного уменьшения pAF → MT достаточно, чтобы затемнить внешний вид виртуальных меланофоров (верхняя часть, слева направо). Каждое среднее расстояние меланосом (среднее радиальное расстояние) от центра клетки при определенном pAF → MT со временем приближается к стационарному значению d. Это значение количественно определяет, насколько широко меланосомы распределены по клетке (нижняя часть отображает возрастающие значения слева направо). В качестве начальных условий мы выбрали однородное распределение меланосом по клетке.( B ) Значения d, полученные в результате моделирования на основе вычислительной модели, значительно варьируются в диапазоне экспериментально определенных значений pAF → MT (заштрихованная область) для комплекса Xenopus (от 2 до 29%, рис. 3 A ′ Phos. Vs. Dephos.). Напротив, возмущения pMT → AF, близкие к значению, определенному для транспортного комплекса Xenopus (∼46%, рис. 3 A ), оказывают лишь незначительное влияние на d. Данные соответствуют в среднем более чем 35 сетям цитоскелета.Планки погрешностей отражают SEM. См. SI Приложение для получения дополнительной информации. AF, актин; MT, микротрубочка.

Чтобы количественно оценить степень дисперсии меланосом по виртуальным меланофорам с помощью одного числа, мы использовали среднее стационарное расстояние d меланосом до центра клетки. Проще говоря, большие значения d соответствуют широкому распределению меланосом по всей клетке, тогда как d уменьшается со степенью кластеризации в центре клетки (рис. 5 A ).Для каждого меланофора и каждого набора вероятностей переключения pAF → MT и pMT → AF, d приближается к (уникальному) стационарному значению с течением времени (рис. 5 B ).

Затем мы исследовали влияние экспериментально определенных вероятностей переключения на степень дисперсии меланосом по всей клетке, что определяется как d. Примечательно, что систематический анализ этого параметра во всем диапазоне pAF → MT показал, что изменение этой вероятности переключения наиболее существенно изменяет d в диапазоне экспериментально определенных значений (рис.3 А ′ Фос. vs. Dephos., рис. 5 B , заштрихованная область, и SI, приложение , рис. S5). Фактически, за пределами этих значений d существенно не изменился в ответ на вариации pAF → MT. Таким образом, эти анализы подтверждают нашу гипотезу о том, что единственной регуляции переключения комплекса Xenopus с актина на микротрубочки, воссозданного в наших анализах, может быть достаточно, чтобы вызвать перераспределение меланосом в масштабах всей клетки (Рис. 5 A ). Однако, в отличие от вариаций pAF → MT, даже сравнительно сильные возмущения pMT → AF, близкие к экспериментально определенным вероятностям, не оказали сколько-нибудь существенного влияния на степень дисперсности меланосом по клетке (рис.5 В ).

Взятые вместе, наши моделирования подтверждают представление о том, что регуляция pAF → MT сама по себе может обеспечить надежные и эффективные средства для регулирования реорганизации меланосом в масштабах всей клетки. Хотя дополнительная регуляция моторов, связанных с микротрубочками, может поддерживать быстрые переходы между дисперсией и агрегацией меланосом in vivo (рис.1 B , слева по сравнению с справа ), наше моделирование показывает, что это само по себе не требуется и что его можно компенсировать, регулируя только перекрестные помехи цитоскелета (Movie S5 и SI, приложение , рис.S5).

Регулирование pAF → MT, но не pMT → AF влияет на глобальное перераспределение меланосом.

Как описано выше, изменение pMT → AF вокруг экспериментально определенного значения ∼46% не оказало существенного влияния на степень дисперсии (рис. 5 B ). Поэтому мы задавались вопросом, могут ли изменения в переключении микротрубочек на актиновые филаменты (pMT → AF) вообще вызвать какое-либо релевантное перераспределение меланосом. С этой целью мы систематически оценивали изменения d во всем диапазоне возможных значений для pAF → MT и pMT → AF, чтобы получить полное соотношение d (pMT → AF, pAF → MT) для любой произвольной пары значений (рис.6 А ; подробности см. в Приложении SI). Результат подтвердил, что степень распределения меланосом d в значительной степени не реагирует на изменения pMT → AF (фиг. 6 A , красные против желтых стрелок). Чтобы количественно разграничить функционально значимый диапазон, в котором меланосомы могут эффективно перераспределяться путем изменения либо pAF → MT, либо pMT → AF, мы определили регуляторную чувствительность d (pMT → AF, pAF → MT) по отношению к таким вариациям. В частности, регуляторная чувствительность рассчитывалась как величина наклона d (pMT → AF, pAF → MT).Как показано на фиг. 6 B , области чувствительной регуляции посредством изменений pMT → AF были намного более ограниченными по сравнению с pAF → MT. Поразительно, что область вероятностей переключения, которая не имеет отношения к эффективной регуляции виртуальных меланофоров, охватывает экспериментально определенные (нерегулируемые) вероятности перехода рыбок данио и комплексов Xenopus с микротрубочек на актин (рис. 6 B , справа ). ). В отличие от нерегулируемого pMT → AF (рис.3 А , Фос. vs. Dephos.), регулируемый pAF → MT, отображаемый комплексом Xenopus (рис. 3 A ‘, Phos. vs. Dephos.), был хорошо расположен внутри регуляторно-чувствительной области (рис. 6 B). , слева , черная стрелка).

Рис. 6.

Степень дисперсии меланосом в клетке эффективно регулируется изменением вероятности переключения с актиновых филаментов на микротрубочки (pAF → MT), но не изменением вероятности переключения в обратном направлении (pAF → AF).( A ) Степень дисперсии меланосом d по всей ячейке была определена для 121 пары значений для pAF → MT и pMT → AF (закрашенные символы). Каждая из точек данных соответствует среднему ансамблю по 35 сетям цитоскелета. Мы интерполировали эти точки данных с помощью двумерного сплайна (серая поверхность), чтобы получить функциональную зависимость d (pMT → AF, pAF → MT) во всем диапазоне возможных значений вероятностей переключения. Затенение поверхности показывает, будет ли виртуальный меланофор темным или ярким.( B ) Регулирующая чувствительность, количественно выраженная величиной уклонов в соответствующих направлениях. Регулирующая чувствительность (темные области) существенно более выражена для изменений pAF → MT, чем pMT → AF. Красные и желтые стрелки указывают на изменения в направлениях pAF → MT и pMT → AF, соответственно, и расположены в тех же положениях в A и B , чтобы направлять взгляд. Черная стрелка относится к экспериментально определенной вероятности переключения комплекса Xenopus , показанного на рис.3 A и A ′. Черная точка расположена на вероятностях переключения, определенных для комплексов рыбок данио (Рис. 2 A и A ′ и SI Приложение , Рис. S3 B C ′). Подробнее см. SI Приложение . AF, актин; MT, микротрубочка.

Взятые вместе, наша вычислительная модель дает убедительное обоснование двух аспектов наших экспериментальных результатов. Во-первых, разграничивая режим наиболее эффективного перераспределения органелл в виртуальных меланофорах, наше моделирование подчеркивает функциональное значение регуляции переключения с актина на микротрубочки, но не наоборот, для обеспечения перекрестных помех (рис.3 A по сравнению с рис. 3 A ′). Во-вторых, поразительное согласие между экспериментально определенными величинами вероятностей переключения (рис. 3 A ′, Phos. Vs. Dephos.) И диапазоном регуляторной чувствительности, предсказываемым нашей вычислительной моделью (рис. 6), обеспечивает сильную поддержку. одной этой регуляции перекрестных помех в принципе было бы достаточно для эффективного и обратимого перераспределения меланосом в масштабах всей клетки (Fig. 1 B ).

Вместе с нашим предыдущим анализом модели млекопитающих (9) мы разоблачили интригующую траекторию того, как перекрестные помехи могли быть установлены в процессе эволюции.В то время как белки Dr Mlph от ранних позвоночных рыбок данио не могут регулировать переключение в любом направлении, амфибии Xt Mlph приобрели способность активировать переключение своего мотора Xl MyoVa с актиновых филаментов на микротрубочки. У млекопитающих Mm и Mlph, с другой стороны, они способны активировать и то, и другое, переключаясь на микротрубочки и переключаясь на актиновые филаменты (9). Мы построили простое филогенетическое дерево, чтобы оценить, коррелируют ли эволюционные отношения между последовательностями Mlph и соответствующими организмами ( SI Приложение , рис.S10). Как ожидалось и согласуется с предыдущими сообщениями (21, 39), в линии рыб произошла дупликация гена, что привело к появлению множественных белков Mlph у рыб, но не у наземных животных или амфибий. Более того, эволюционные отношения между белками Mlph коррелировали с отношениями между организмами.

Каким может быть механистическое обоснование повышенного переключения актин-ассоциированного мотора Xl MyoVa на микротрубочки в модели амфибий? Наше систематическое механистическое вскрытие теперь дает прямое и простое объяснение.Мы обнаружили, что одной только повышающей регуляции вполне достаточно для перераспределения меланосом in silico по всей клетке (рис. 5 и видеоролики S4 и S5), которые опосредуют физиологическое изменение цвета in vivo (1, 20). Таким образом, микроскопический параметр (вероятности переключения между филаментами) диктует коллективное поведение меланосом, которое приводит к макроскопически наблюдаемым изменениям фенотипа.

Неспособность белков рыбок данио Dr Mlph регулировать любую вероятность переключения их мотора Dr MyoVa (рис.2 A и A ‘и SI Приложение , рис. S3 B C ‘), с другой стороны, вызывает вопрос о том, участвует ли система MyoVa / актин в регулируемом перекрестном разговаривают между микротрубочками и сетями актина в модели рыб. Действительно, наиболее заметное различие между рыбами и земноводными — это использование актиновой системы. Давно установлено, что в отсутствие актиновой сети одной системы микротрубочек достаточно для обеспечения перераспределения меланосом в модели рыб (40).Напротив, удаление актиновой сети в меланофорах амфибий предотвращает такое перераспределение в масштабах всей клетки, и меланосомы необратимо группируются в центре клетки (38). Последнее подчеркивает необходимость как системы актина, так и микротрубочек в обратимом перераспределении меланосом, чтобы вызвать физиологическое изменение цвета в модели амфибий (Fig. 1 B ). В соответствии с этими наблюдениями, мы смогли воссоздать регулируемый перекрестный обмен при пересечениях микротрубочек и актина с амфибией, но не с моделью рыбок данио in vitro (рис.2 A и A ′ в сравнении с рис.3 A и A ′).

Основываясь на нашем систематическом анализе и предыдущих исследованиях in vivo, описанных выше, мы предполагаем, что в модели рыб регулируемые перекрестные помехи между системами микротрубочек и актиновой сети через MyoVa / actin еще не развиваются, тогда как перекрестные помехи в Модель амфибии необходима для обеспечения перераспределения меланосом по всей клетке для физиологического изменения цвета in vivo. Мы даем молекулярное объяснение специфической регуляции переключения с актиновых филаментов на микротрубочки и демонстрируем, что переключения в противоположном направлении недостаточно, чтобы регулировать перераспределение меланосом (рис.6 В ). В соответствии с предложенной нами моделью, предыдущие исследования in vivo интактных меланосом показали, что переключение меланосом на актиновую сеть не регулируется в меланофорах рыб (32).

Два аспекта нашего систематического механистического вскрытия Mlph-обусловленных перекрестных помех заслуживают дальнейшего изучения в будущем. Можно ли сконструировать функциональный перекрестный разговор в рыбках данио in vivo, как мы демонстрируем здесь in vitro? Более того, почему модель млекопитающих регулирует вероятности переключения, даже если перекрестные помехи не имеют отношения к физиологическому изменению цвета (4)? И последнее, но не менее важное: учитывая, что подавляющее большинство моторов миозина, кинезина и динеина привлекаются к назначенному им грузу через адаптерные белки, будет интересно посмотреть, не влияют ли другие адаптеры на моторно-зависимую регуляцию транспорта таким же образом, как и что наблюдалось для Mlph.

Доступность данных.

Все данные, подтверждающие выводы этого исследования, доступны в документе и приложении SI . Написанные на заказ коды, используемые в этом исследовании, можно получить у соответствующих авторов по разумному запросу.

Содействие — документация по Molecule 3.3.5.dev14

Содействие — документация по Molecule 3.3.5.dev14

Документация Molecule 3.3.5.dev14

Молекула

Свяжитесь с нами

Присоединяйтесь к нам в # ansible-molle на libera.чат irc, или молекула-форум пользователей.

Полный список списков рассылки Ansible и каналов IRC можно найти на странице связи.

Руководящие принципы

  • Мы заинтересованы в различных улучшениях для Molecule; пожалуйста, не стесняйтесь поднимать вопрос, если вы хотите над чем-то поработать major, чтобы обеспечить эффективное сотрудничество и избежать дублирования усилий.

  • Создайте тематическую ветку, на которой вы хотите основывать свою работу.

  • Убедитесь, что вы добавили тесты для ваших изменений.

  • Хотя это и не обязательно, лучше подписывать коммиты с помощью git commit --signoff и соглашаться что использование --signoff означает согласие с условиями DCO 1.1.

  • Запустите все тесты, чтобы убедиться, что ничего случайно не сломалось.

  • Переформатируйте код, следуя приведенному ниже разделу форматирования.

  • Отправить запрос на вытягивание.

Жизненный цикл запроса на включение и управление

  • Если ваши PR застряли, присоединяйтесь к нам в IRC или добавляйте в повестку дня рабочей группы.

  • Стиль кода — это то, что обеспечивается CI, все остальное не по теме.

  • Все ОР должны быть проверены еще одним лицом. Это обеспечивается GitHub. Для больших изменений требуется +2.

Тестирование

Molecule имеет обширный набор модульных и функциональных тестов.Молекула использует Факторы токсичности для создания матрицы python x Ansible x unit / function тесты. На данный момент требуется ручная настройка.

Зависимости

Тесты будут пропущены, если двоичный файл драйвера отсутствует.

Установите тестовый фреймворк Tox.

 $ python3 -m pip install tox
 

Полный

Запустить все тесты, включая отчеты о линтинге и покрытии. Это должно быть выполнено перед объединением или отправкой запроса на перенос.

Список возможных сценариев

Перечислить все доступные сценарии.Это полезно для нацеливания на конкретный Python и Версия Ansible для функциональных и модульных тестов.

Блок

Запустить все модульные тесты с покрытием.

 $ tox -e 'py {27,35,36,37,38} -unit'
 

Запустить все модульные тесты для определенной версии Python.

Линтинг

Линтинг производится комбинацией линтеров.

Запустить все линтеры (некоторые вносят изменения, чтобы код соответствовал правилам стиля).

Документация

Сгенерируйте документацию, используя sphinx.

Работа с InterSphinx

В conf.py мы определяем intersphinx_mapping , который обеспечивает базовый URL-адреса для удобных ссылок на другие документированные проекты Sphinx. Чтобы найдите правильный синтаксис ссылки и текст, на который вы можете ссылаться, вы можете быстро проверить ссылка из командной строки.

Например, если мы хотим сделать ссылку на определенную часть Ansible документации, мы могли бы сначала запустить следующую команду:

 питон -m сфинкс.ext.intersphinx https://docs.ansible.com/ansible/latest/objects.inv
 

А затем посмотрите весь список сфинксов. Мы видим записи, которые выглядят так:

 py: атрибут
    AnsibleModule._debug api / index.html # AnsibleModule._debug
 

, с помощью которого мы можем ссылаться на следующий синтаксис:

: py: attribute: `AnsibleModule._debug`
 

© Авторское право 2021, Red Hat Inc. Ревизия d0cb7b71 .Последнее обновление: 21 июля 2021 г.

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.