Биосенсоры на основе фагов - средство для выявление патогенов в пище.

Инфекционная доза патогенных бактерий, распространяющихся с пищей, мала и составляет порядка 10 клеток. Наиболее распространённые возбудители пищевых инфекций - Campylobacter, Salmonella, Listeria monocytogenes, Escherichia coli (E. coli) O157:H7, Staphylococcus aureus и  Bacillus cereus .При традиционном способе приготовления и употребления пищи такие патогенны погибают при тепловой обработке, но в современном мире риск заболевания растёт из-за большого количества готовых к употреблению продуктов в рационе человека. Ключевые вопросы, которые должны быть учтены при разработке методов для обнаружения пищевых патогенов, это дифференциации живых и мертвых клеток, автоматизация, простота и точность. Далеко не все лабораторные методы отвечают этим требованиям: культуральный метод требует нескольких суток культивирования, а молекулярные и иммунологические методы не всегда позволяют отличить погибшие микроорганизмы от активных. Одним из способов, отличающихся быстротой, специфичностью и способностью различать живые и мёртвые клетки являются разнообразные методики с использованием бактериофагов. Преимуществом бактериофагов является возможность работать в различных условиях, например в широком диапазоне pH, в присутствии нуклеаз и протеолитических ферментов. Как правило, бактериофаги очень специфично распознают клетки своего хозяина, хотя есть и исключения, когда один и ток же фаг может паразитировать в клетках бактерий различных видов. Полный инфекционный цикл фага протекает в течение часов. Всё это позволяет быстро провести оценку наличия патогена в сложных для исследования образцах продуктов питания, в том числе и вне лаборатории, с использованием биосенсоров. 

Биоремедиация, стимуляция роста, защита растений и забота об окружающей среде: возможности применения биосурфактантов

Биосурфактанты – поверхностно-активные вещества, вырабатываемые микроорганизмами. Они биодеградируемы, нетоксичны, и могут заменить синтетические сурфактанты. Биосурфактанты ускоряют разрушение загрязнителей почвы и рост растений, а также обладают противомикробной активностью. Пока получение биосурфактантов – достаточно дорогой процесс, но интерес к ним растёт в связи с возможностью их применения в охране окружающей среды, нефтяной, пищевой и фармацевтической промышленности вместо синтетических сурфактантов, поскольку они менее токсичны, активны в меньших концентрациях и синтезируются микроорганизмами из возобновляемых материалов. Продуцирующие сурфактанты бактерии находят в воде, в почве и на листьях растений, но, как правило, поиск продуцентов, синтезирующих их в больших количествах, ведут в загрязнённых тяжёлыми металлами и нефтепродуктами почвах. 

Как бактерии-биосенсоры находят загрязнители?

Биосенсоры это устройства, включающие биогенный распознающий элемент. Эта распознающая часть может состоять из клеток, антител, ДНК, РНК, ферментов и рецепторов. Биологический процесс трансформируется биосенсром в электрический или оптический сигнал, который можно принять и интерпретировать. Часто распознающем элементом являются белки, но их не всегда легко получить, и для работы их могут понадобится особые условия или кофакторы. Поэтому иногда проще отказаться от получения очищенных молекул и использовать в качестве чувствительного элемента целые клетки, например бактерии или дрожжи. Такие микроорганизмы-биосенсоры гораздо более стабильны и менее требовательны к условиям хранения, чем очищенные белки. Их получение требует меньших затрат, поскольку они не требуют сложных процедур очистки. Кроме того, они, как полноценные биологические системы, содержат сами по себе необходимые кофакторы, и их внутренняя среда - естественная для протекания биохимических превращений. Микроорганизмы используются в составе биосенсорных систем для решения различных задач, в частности – для выявления загрязнителей в окружающей среде.

Защита от распространения транспозонов и новый механизм РНК-регуляции - комплексы Piwi-piRNA

Распознавание своего и чужого генетического материала – основа защиты генома от мобильных элементов. По крайней мере, одна такая система описана у животных – это разнообразные piRNA и белки Pivi, взаимодействующие с ними. Белки Piwi (P-element induced wimpy testis) родственны белкам, участвующим в регуляции экспрессии, осуществляемой микроРНК. Впервые они были описаны в исследовании стволовых клеток гонад Drosophila melanogaster . Вскоре был найден особый класс РНК, взаимодействующий с этими белками – piRNA. Существует множество мобильных генетических элементов, с различными механизмами функционирования, система защиты клетки должна распознавать все эти варианты. Количество piRNA в геномах животных оценивается как несколько сотен тысяч на геном. Нарушения работы этих молекул ведут к потере у стволовых клеток, участвующих в гаметогенезе, способности к делению и стерильности животных. Кроме того, материнские piRNA могут переходить в потомство и участвовать в ингибировании транспозонов в клетках эмбриона.

Геном единичной клетки - новый уровень в понимании биологии микроорганизмов

Метагеномика позволила описать общий геном сообществ, и, путём анализа этих данных обнаружить присутствие ранее неописанных микроорганизмов и выяснить, какие процессы протекают в той или иной биологической системе. Количество некультивируемых, криптических микроорганизмов оказалось огромным. Это означает, что выделить их в культуру и узнать их свойства невозможно. Развитие технологий, однако, уже позволяет исследовать геном единичных клеток. Такая возможность – огромный шаг вперёд в понимании функционирования биологических систем. Теперь в сложном метагеноме, например, метагеноме кишечника человека или морской воды можно привязать те или иные гены, а значит, и функции, к определённым видам микроорганизмов. Конечно, это развивающиеся методики, использованные, пока, в отдельных исследованиях, тем не менее, первые их результаты уже опубликованы.

Нейродегенеративные заболевания - как процесс захватывает мозг.

Общей чертой нейродегенеративных заболеваний является накопление и распространение белковых агрегатов. Эти агрегаты имеют диаметр 8 – 20 нм и структуру, обогащённую участками бета-складчатости, исключением являются агрегаты TDP-43, формирующиеся при некоторых, не очень распространённых нейродегенеративных заболеваниях, которые имеют гранулярную структуру. Бета-амилоид, агрегаты tau, альфа-синуклеин, хантингтин, супероксид дисмутаза 1 (SOD1) и TDP-43 могут распространяться подобно прионам, перестраивая нормальный белок в окружающих клетках в нерастворимый полимер. Хотя собственно агрегаты могут вызывать формирование фибрилл только того же белка, из которого они состоят сами, из-за воспалительных процессов и нарушений работы нервных клеток, сопровождающих нейродегенерацию, возможно формирование фибрилл других, склонных к данному процессу белков, поэтому иногда при нейродегенеративных заболеваниях находят агрегаты различных типов.

Аллергия в современном мире: что именно делает заболевание таким распространённым?

В последние четыре десятилетия увеличилась частота заболеваемости атопическим дерматитом, астмой и аллергическим ринитом, в первую очередь – среди детей. Подъём заболеваемости наблюдается как в развитых, так и в развивающихся странах. Это явление связывают с массовым переселением людей из сельской местности в города, начавшимся в 1960 – 1980ые годы. Сегодня большая часть населения Земли – жители городов, сталкивающиеся каждый день с веществами и условиями среды, которых ранее не существовало. Сам по себе воздух современного города может вызывать повреждение слизистых оболочек респираторного тракта и нарушение работы ресничек эпителия, очищающих его, и это приводит, в том числе, к повышению возможности контакта аллергенов и клеток иммунной системы, следствием чего является сенсибилизация. Даже психологический стресс, действию которого часто подвержен человек в современном мире может быть одной из причин роста заболеваемости аллергическими заболеваниями, поскольку данная группа болезней имеет многофакторную, сложную, и ещё до конца не понятую природу.

Метилирование РНК и эпитранскриптом - ещё одна ступень в регуляции биологических процессов

Метил-6 аденозин (m⁶A) – модификация аденозина в составе РНК, существование которой было предсказано ещё в 1970-е годы, но настоящие исследования в этой области появились только в последнее время. Метилирование - одна из наиболее распространённых модификаций РНК, а их описано более сотни, правда, в основном для тРНК и рРНК. Данной модификации могут подвергаться практически любые РНК – рибосомные, транспортные, матричные, микроРНК, малые и длинные некодирующие РНК. Помимо аденозина, метилированы могут быть и другие основания РНК, однако, в 80% случаев это именно аденозин. Метилирование РНК найдено практически у всех организмов, включая вирусы. Участки, где находят m⁶A являются высококонсервативными. Даже у таких различных организмов как дрожжи и кишечные палочки, принадлежащих к разным доменам, модификации рибосомных РНК происходят в их функционально схожих регионах. При анализе содержания метилированного аденозина в различных тканях млекопитающих оказалось, что он чаще всего присутствует в РНК мозга, печени и почек, а реже всего – в сердце и лёгких. В исследованиях на дрожжах было показано, что профиль метилирования может меняться под влиянием тех или иных внешних стимулов. 

Биотехнология и освоение новых земель: путь к повышению солеустойчивости растений

Сельскохозяйственные культуры, как правило, не устойчивы к концентрациям соли, составляющим порядка одной трети концентрации солей в морской воде. Большая часть воды на Земле содержит соль NaCl в концентрации около 30 грамм на литр, и растения сельскохозяйственных культур не могут расти, если для их полива использовать такую воду. Даже если такие растения растут на засоленных почвах, они приносят меньший урожай. На помощь здесь может прийти биотехнология: известно, что ризосферные микроорганизмы могут влиять на устойчивость растения к различным неблагоприятным фактором, а внося изменения в геном можно получить растения с новыми свойствами. К сожалению, получить устойчивые сорта путём скрещивания почти невозможно: устойчивость к засолению имеет очень сложную природу и обусловлена рядом механизмов, в реализации которых задействованы разнообразные гены. Только у отдельных видов удалось выявить наследование солеустойчивости по Менделю. Это же препятствие встаёт и на пути генной инженерии, однако при контроле за изменениями, проводимыми подобным путём, всё-таки, выше, и преодолеть затруднения, связанные со сложным механизмом наследования можно данным путём.

Оценка устойчивости сельскохозяйственных растений должна быть максимально полной, прежде чем использовать их для получения зерна. Известно, например, что рост риса гораздо менее страдает от солёности, чем урожай, а конечной целью работы в данном направлении является именно урожайность, а не просто устойчивость растения. Важно, чтобы именно урожай был защищён от воздействия солёности. Растения, в экспериментальных условиях оказавшиеся устойчивыми, не обязательно будут столь же урожайны в поле. Исследования резистентности на клетках в культуре тем более нельзя экстраполировать на растения в полевых условиях. Ещё одна проблема заключается в том, что в ряде случаев полученные растения, устойчивые к повышенной солёности, хуже растут и приносят меньший урожай в нормальных условиях.

Аккумулирование Na⁺  в вакуолях, синтез осмолитиков, защита от активных форм, выведение ионов из клеток и осмотическая устойчивость – вот основные механизмы, защищающие растение при повышении концентрации соли. Разные механизмы резистентности эффективны в различных условиях, например, при высокой солёности важны способность к выведению натрия, а при умеренной – осмотическая устойчивость. Для галофильных растений, которые от природы устойчивы к солёности характерно накопление натрия и в вакуолях клеток листа, но, к сожалению, пока применение генов устойчивых к засолению диких растений для получения новых вариантов культурных растений не оказалось эффективным. Есть и ещё один важный фактор, влияющий на устойчивость растения к повышенной солёности, это наличие симбионтов, эндомикоризных грибов, обитающих внутри клеток растения, грибов эктромикоризы, оплетающих корни и ассоциированных с корнями ризобактерий. Микробиота оказывает комплексное воздействие на растение, она синтезирует молекулы, защищающие от стресса, регулирует поглощение ионов из окружающей среды, воздействует на синтез гормонов. Рассмотрим, как можно использовать возможности генной инженерии и поддержку симбионтов в обеспечении устойчивости к засолению.

Повышение устойчивости корня за счёт увеличения способности к накоплению Na⁺ в вакуолях повышает резистентность растения в целом. Транспортёры Na⁺ , выводящие его из клетки, вообще очищают клетку от токсичных ионов, что более надёжно, чем их накопление в отдельном копартменте. Трансформация, усиливающая экспрессию генов транспортёров может помочь, но важно, чтобы они экспрессировались в нужное время и в нужном мете. Микориза тоже может влиять на экспрессию и работу транспортёров, защищая корень от поступления токсичных ионов, также она создаёт вокруг корня особую среду за счёт выделяемых веществ. Кроме того, ризосферные бактерии снижают осмотический стресс, поддерживая выведение ионов через устьица и фотосинтез. Селективное поглощение микоризой Cl⁻ (но не Na⁺ ) может облегчить стресс, испытываемый растением. Транспортёры калия с высоким сродством (HKT) и компоненты пути сверхчувствительности к соли (SOS), системы, функционирующие в растительном организме, которые регулируют транспорт натрия. Их также рассматривают как белки, повышение концентрации которых генноинженерным путём помогло бы сделать растение более устойчивым. Соединения, выделяемее бактериями ризосферы, могут снижать экспрессию транспортёров HKT1 в корне и активировать её в побеге, снижая поступление натрия в организм растения и облегчая его выведение в надземной части. Экзополисахариды бактерий могут связывать ионы натрия, предотвращая их перенос в листья. В солёной почве возможность растения получать и сохранять воду ограничена. Эндосимбиотические грибы могут влиять на присутствие аквапоринов, белков мембраны, участвующих в поступлении и выведении воды.

Такие растворимые вещества как трегалоза защищают аппарат синтеза белка и снижают повреждение клеток активными формами кислорода. Рис, трансформированный таким образом, что гены, продукты которых задействованы в синтезе трегалозы, лучше растёт при повышенных концентрациях соли, при этом в его тканях меньше накапливается натрий. Однако, трегалоза может быть токсичной для растений, при повышении её концентрации в тканях может замедляться рост и нарушаться морфология растения, поэтому, для полноценной защиты растения необходимо, чтобы синтез трегалозы активировался только когда это действительно нужно, а это, в свою очередь, зависит от структуры промотора, который будет находиться перед геном при трансформации. Трегалоза, синтезируемая ризобактериями, тоже может защищать растение от осмотического стресса. Грибы эндомикоризы способны к синтезу трегалозы, однако интенсивность этого процесса у них не меняется в ответ на повышение солёности почвы, поэтому нельзя утверждать, что он может способствовать защите растения. Повышение содержания низкомолекулярных сахаров может быть также следствием гидролиза крахмала, не востребованного в корнях и других нефотосинтезирующих частях растения из-за остановки роста. С другой стороны, при ответе на стресс происходит активация метаболизма – ведь для защиты требуется энергия. Так, под влиянием метаболической перестройки и реакции микробиоты происходит повышение концентрации растворимых сахаров, растворимых белков и органических кислот в листьях, а содержание муравьиной и янтарной кислоты снижается. Не известно, поступает ли пролин, синтезируемый микроорганизмами при засолении в растения или также синтезируется в них заново, но его содержание в тканях растения также повышается и он участвует в защите фотосинтетического аппарата.

Можно применять микроорганизмы и как регуляторы гормонального статуса растения. Использование бактерий, продуцирующих цитокинины (гормоны растений, которые регулируют деление клеток, морфогенез побега и корня, созревание хлоропластов, линейный рост клетки, образование добавочных почек и старение) повышает урожай сельскохозяйственных культур на засоленных почвах. Такие бактерии могут помочь получить урожай и в неблагоприятных условиях, связанных, например, с недостаточной влажностью. При стрессе, связанном с воздействием соли, активируется синтез этилена, который подавляет рост растений в ответ на стресс, однако ризосферые бактерии, разрушающие этот гормон растений, могут снижать его эффект.

Принимая во внимание сложность механизмов устойчивости к повышенным концентрациям солей, можно предположить, что следует воздействовать на пути регуляции всех этих систем для улучшения устойчивости культуры, например на путь, задействованный в ответе на активные формы кислорода. Он, в частности, контролирует накопление натрия в корнях. Активация кальциевых сигнальных путей улучшает рост растений в условиях повышенной солёности. Экспрессия генов в трансгенном растении должна быть тканеспецифична, то есть гены должны встраиваться в геном под соответствующими промоторами. Для правильной работы сигнальных систем важно не только наличие определённых белков, но и их посттранскрипционные модификации. Путь до какого-либо первого решения этих проблем ещё далёк. Однако, надо понимать, как это важно, в условиях растущего населения Земли, которое становится всё сложнее прокормить.

Депривация сна и её влияние на работу мозга

Минимальной необходимой продолжительностью сна является сон 7 часов в сутки. Хроническая частичная депривация сна, состояние, в котором живёт множество людей в развитых странах, может тать причиной нарушения сна, снижения работоспособности, стресса, ожирения, гипертонии, диабета и рака. Депривация сна снижает внимание, ослабляет память, способность  абстрактному мышлению и приятию решений. Реакция организма на отсутствие сна индивидуальна и сильно различается между людьми. Как правило, у одного и того же человека раз от раза реакция на недосыпание будет стабильной – либо выраженной, либо слабой, либо умеренной. Не так уж много возможностей узнать, что именно происходит с мозгом, когда мы недосыпаем, и каковы причины этих процессов.