Ãîðèçîíò 8 ìàðòà 2012 ãîäà
НАУКА И ЖИЗНЬ
Открытие очень долгоживущих белков может объяснить причины старения клетки и возникновения нейродегенеративных заболеваний дна из самых больших тайн биологии – почему стареют клетки. Ученые из Института биологических исследований Солка (Salk Institute for Biological Studies), США, нашли «ахиллесову пяту» нейронов головного мозга, вполне вероятно, вносящую решающий вклад в процесс его старения и развитие нейродегенеративных заболеваний. Исследователи установили, что так называемые очень долгоживущие белки (extremely long-lived proteins, ELLPs), входящие в состав ядерных мембранных каналов нейронов, отличаются чрезвычайно большой продолжительностью существования. В статье, опубликованной в журнале Science, исследователи сообщают, что в мозге крыс им удалось обнаружить ELLPs, возраст которых равен возрасту самого организма. (Для сравнения, продолжительность жизни большинства белков составляет около двух дней.) Профессор лаборатории молекулярной и клеточной биологии Мартин Хетцер (Martin Hetzer) и его группа первыми открыли важную внутриклеточную молекулярную машину, компонентами которой являются ELLPs, и показали, что в течение всей жизни эти белки не подвергаются замене. Белки ELLPs составляют транспортные каналы в мембране ядра, так называемые ядерные поровые комплексы (nuclear pore complex, NPC),– ворота, контролирующие поступление и выход в ядро и из ядра различных веществ. Большой «срок службы» этих бел-
О
ков мог бы быть их преимуществом, если бы не происходящий с течением времени износ. В отличие от других белков организма аберрантные химические изменения и другие повреждения, постепенно накапливающиеся в ELLPs, не приводят к их замене. Накопившиеся в ELLPs повреждения снижают способность состоящих из этих белков трехмерных транспортных каналов защищать ядро клетки от токсинов. Проникающие в ядро токсины могут вызвать изменения в ДНК и, следовательно, в активности генов, способствуя тем самым старению всей клетки. Многочисленные предыдущие исследования позволяют заключить, что в основе процесса старения лежат изменения в экспрессии генов. Но до открытия лабораторией профессора Хетцера «слабого звена» ядерных поровых комплексов млекопитающих, позволяющего повреждающим ДНК токсинам проникать в ядро, у научного сообщества не было ясного представления о том, чем именно вызываются эти изменения в экспрессии. Микрофотография очень долгоживущих белков на поверхности ядра нейронов головного мозга крысы, светящихся зеленым светом. ДНК внутри ядра показана синим. Ученые из Института Солка доказали, что ELLPs, входящие в состав каналов в ядерной мембране нейронов, существуют более года. Разрушение этих белков позволяет токсинам проникать в ядро, что ведет к старению клетки. «Основной определяющей чертой старения является общее снижение функциональных
возможностей различных органов, например, сердца и мозга», – объясняет профессор Хетцер. «Это снижение объясняется нарушением гомеостаза, или состояния внутреннего равновесия, клеток, составляющих эти органы. Недавними исследованиями нескольких лабораторий срыв белкового гомеостаза был связан с ослаблением функций клеток». Полученные профессором Хетцером и его группой результаты предполагают, что ослабление функций нейронов берет свое начало в ELLPs, разрушающихся параллельно с накапливающимися с течением времени повреждениями. «Большинство клеток, но не нейроны, борются с ослаблением функциональных способностей своих белковых компонентов посредством замены белков, когда их потенциально поврежденные части заменяются новыми функциональными копиями», – продолжает ученый. «Наши результаты дают основания предполагать, что изнашивание ядерных пор может являться общим механизмом старения, приводящим к возрастным дефектам в функции ядра, таким как потеря программы экспрессии генов, характерной для юношеского возраста». Полученные результаты могут оказать влияние на понимание молекулярных основ старения и таких нейродегенеративных заболеваний, как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона. В предыдущих исследованиях профессор Хетцер и его группа обнаружили крупные филаменты в ядрах нейронов ста-
¹10 (932)
19
рых мышей и крыс, происхождение которых восходит к цитоплазме нервной клетки. Такие филаменты связываются учеными с различными нейродегенеративными заболеваниями, включая болезнь Паркинсона. Являются ли эти аномальные молекулы причиной или результатом заболевания? Ученые пока не пришли к единому мнению. С другой стороны, профессор Хетцер зафиксировал возрастной спад в функционировании ядерных поровых комплексов в нейронах нормально стареющих крыс, являющихся лабораторными моделями биологии человека. Финансируемая Медицинским фондом Эллисона (Ellison Medical Foundation) и Фондом медицинских исследований Гленна (Glenn Foundation for Medical Research) группа профессора Хетцера – единственная в мире лаборатория, занимающаяся изучением роли транспортных каналов – ядерных поровых комплексов – в процессе старения. n www.nanonewsnet.ru
Создана травяная Ученые впервые расшифровали солнечная батарея произвольные слова в мозге сследователь из Массачусетского технологического института (США) Андреас Мершин разработал панель солнечной батареи из… сельскохозяйственных отходов, таких как срезанная трава и опавшие листья. Как надеется создатель сбмой «зелёной» в мире батареи, через несколько лет можно будет замешать траву с газона в мешке с некоторыми дешёвыми химикатами, отнести всё это на крышу и немедленно начать получать электричество. Если немного напрячь извилины и постараться вспомнить программу средней школы по курсу биологии, то большинство непременно выдавит из себя вот это слово: фотосинтез. Процесс, посредством которого растения Самая «зелёная» в мире батарея, принципиальная схема конвертируют солнечный свет в полезную химическую энергию. Г-н Мершин сумел докопаться до реакции, позволяющей экстрагировать из растительной массы задействованные в фотосинтезе молекулы, которые называются фотосистемой I. Одним из основных фигурантов процесса является хлорофилл, белок, который и конвертирует фотоны в поток электронов. Эти молекулы затем стабилизируются и распределяются по стеклянной подложке, которая предварительно была покрыта нанопроволочками из оксида цинка и губкой из оксида титана. Когда солнечный свет падает на панель, оксид титана и новый материал абсорбируют свет и превращают его в электричество, а нанопроволочки отводят ток. То есть, по сути, исследователь заменил слой кремния, который обычно является основой солнечных батарей, на суспензию фотоконверсирующих молекул. Звучит неплохо, даже заманчиво, но перейдём к цифрам. На сегодня наилучшая эффективность конверсии, которой удалось достичь г-ну Мершину с помощью оптимизации неорганической части системы, достигает 0,1%. Насколько это мало? Очень мало. Скажем, чтобы обеспечить энергией всего один светодиод, необходимо обклеить вот такими батареями весь дом, но и тогда их эффективность должна быть на уровне 1–2%. Однако Андреас не унывает: он надеется, что учёные всего мира заинтересуются его идеей и помогут усовершенствовать прототип. И, да, наконец-то стрижка газона перестанет быть таким бестолковым занятием… n
И
Àíäðåàñ Ìåðøèí compulenta.ru
овый эксперимент приближает время, когда парализованные люди смогут полноценно общаться при помощи декодируемой мысленной речи. Возможно, развиваемый метод также пригодится для налаживания связи с пациентами, находящимися в коме или состоянии минимального сознания. Пока, правда, технология сырая и делает первые шаги. Брайан Пэйсли (Brian Pasley), Роберт Найт (Robert Knight) и их коллеги из Калифорнийского университета в Беркли воспользовались помощью 15 пациентов, которым делали операции на мозге в связи с опухолью или эпилепсией. Этим добровольцам вживили 256 электродов в верхнюю (STG) и среднюю (MTG) височные извилины, где находятся зоны, отвечающие за восприятие звуков, в том числе – понимание речи. Учёные решили прояснить, как реагируют клетки в этих областях, когда человек слышит слова. А дальше авторы работы составили программу, способную синтезировать звуки по картине активности коры. Общий подход, применённый калифорнийской командой, был идентичен тому, что использовался в опыте с чтением из мозга зрительных образов. Сначала испытуемые прослушивали по 5–10 минут разговоров, а в это время компьютер записывал сигналы с электродов. Затем, после наработки обширной библиотеки соответствий, исследователи создали две пробные модели, способные реконструировать звуки, которые слышит пациент, по одной лишь активности нейронов. При этом учёные выявили в картине отклика клеток реакцию на узкие полосы звуковых частот. Потому программа не узнавала отдельные шаблонные слова путём простого сравнения, но спускалась на уровень глубже – она восстанавливала спектрограмму слов. И важно, что это могли быть слова, ранее не использованные в эксперименте.
Н
Для проверки правильности реконструкции синтезированная спектрограмма сравнивалась со спектрограммой воспроизведённого через динамики исходного слова, а ещё – переводилась в реальный звук. Оказалось, что машина позволяет восстанавливать произвольное слово с приемлемой степенью похожести (что оценивалась и на слух) после всего одного предъявления этого слова испытуемому. «У этой работы двухсторонний характер. — заявил Найт. – Это фундаментальная наука, понимание того, как работает мозг. А цель – протезы для людей с нарушениями речи. Аппарат воспроизводил бы то, что они не могут произнести, но могут представить, что они хотят сказать». Пэйсли пояснил идею: «Существует ряд доказательств, что при прослушивании звука и воображении звука активируются аналогичные области головного мозга. Если вы можете понять отношения между мозговой записью и звуками, вы способны либо синтезировать звук, о котором человек думает, либо просто написать слова». Брайан сравнил данную технику со способностями профессионального пианиста, который может просто смотреть на клавиши под пальцами другого музыканта, находящегося в звуконепроницаемой комнате, и «слышать» Схема эксперимента. музыку. Электроды на поверхноДобавим, что исследости коры (красные точки ватели не первый раз справа) записывают сигэкспериментируют с нал от нейронов в то вресопоставлением услымя, когда человек слушашанных или произноет речь в динамиках (обсимых про себя слов с разец слева). Изменение рисунком активности потенциала во времени нейронов. Ранее учё(внизу справа) накладыные уже записывали отвается на модель реконпечатки звуков в коре струкции звука (внизу в головного мозга и изцентре). В результате влекали из головы пакомпьютер выдаёт восрализованного и немостановленную спектрого человека отдельные грамму (внизу слева). форманты. Она показывает распреРаспознавание неделение мощности акускольких слов тоже достического сигнала (отрастигнуто. Но словарный жено цветом на диаграмзапас той программы ме) в зависимости от чаневелик, да и точность стоты (шкала по вертикаработы невысока. n ли, кГц) и времени (по гоwww.nanonewsnet.ru ризонтали, секунды)