Этот канал посвящен самым передовым достижениям человечества в области естествознания. Здесь вы найдете краткий обзор статей, опубликованных в самых цитируемых научных журналах. О дивный новый мир!
Недавно группа ученых из Израиля опубликовала невероятно интересное исследование, в котором им удалось воссоздать процесс эволюции головного мозга.
На самом деле, подобные эксперименты уже проводились ранее: развитие мозга и образование характерных складок люди давно пытаются смоделировать. Понимание этого процесса поможет в борьбе со многими психомоторными заболеваниями. До сегодняшнего дня в качестве материала для таких моделей использовали специальные полимерные гели, однако протестировать эти модели в живых системах не удавалось.
Орли Райнер и его коллеги сумели вырастить из стволовых клеток человека так называемые «органоиды» - трехмерные скопления клеток, которые подражали развивающемуся мозгу.
В процессе эксперимента органоиды пространственно ограничивали и наблюдали развитие складок в течение второй недели созревания. Образование складок было вызвано более быстрым ростом внешних областей органоида по сравнению с его внутренними регионами.
Таким образом, ученые создали путеводитель по физическим силам, которые придают головному мозгу его классический морщинистый вид.
Ссылка на оригинал
http://www.nature.com/articles/s41567-018-0046-7
На самом деле, подобные эксперименты уже проводились ранее: развитие мозга и образование характерных складок люди давно пытаются смоделировать. Понимание этого процесса поможет в борьбе со многими психомоторными заболеваниями. До сегодняшнего дня в качестве материала для таких моделей использовали специальные полимерные гели, однако протестировать эти модели в живых системах не удавалось.
Орли Райнер и его коллеги сумели вырастить из стволовых клеток человека так называемые «органоиды» - трехмерные скопления клеток, которые подражали развивающемуся мозгу.
В процессе эксперимента органоиды пространственно ограничивали и наблюдали развитие складок в течение второй недели созревания. Образование складок было вызвано более быстрым ростом внешних областей органоида по сравнению с его внутренними регионами.
Таким образом, ученые создали путеводитель по физическим силам, которые придают головному мозгу его классический морщинистый вид.
Ссылка на оригинал
http://www.nature.com/articles/s41567-018-0046-7
Nature
Human brain organoids on a chip reveal the physics of folding
Nature Physics - Wrinkling in human brain organoids suggests that brain development may be mechanically driven, a notion supported only by model gels so far. Evidence in this simple living system...
В глубины истории CRISPR/Cas9
Инструмент CRISPR/Cas9 - революция в области биотехнологий, позволяющая редактировать ДНК.
Еще 1987 году, японские ученые, изучающие E. coli, впервые обнаружили некоторые необычные повторяющиеся последовательности в ДНК бактерий, о биологическом значении которых тогда еще не было известно. Позднее сходные кластеры были обнаружены в ДНК многих других бактерий (и архей) и были названы Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats - или CRISPR.
В 2007 году, ученые, изучающие бактерии Streptococcus, используемые для приготовления йогурта, показали, что такие кластеры являются частью иммунной системы бактерий и жизненно им необходимы.
Дело в том, что бактерии постоянно подвергаются нападениям вирусов и производят ферменты для борьбы с ними. Всякий раз, когда ферменту бактерии удается убить заражающий вирус, другие маленькие ферменты «подбирают» остатки генетического кода вируса, перерезают его на маленькие кусочки и затем сохраняют в тех самых пространствах CRISPR. Так бактерии вырабатывают стойкость к вирусам, с которыми они уже имели дело.
Однако эту же генетическую информацию, хранящуюся в CRISPR, бактерии используют, чтобы предотвратить и будущие атаки. В случае возникновения новой инфекции, бактерии продуцируют специальные агрессивные энзимы, известные как Cas9, которые выстраиваются вокруг сохраненных участков вирусного генетического кода. Когда ферменты Cas9 сталкиваются с вирусом, они сравнивают код РНК вируса с тем кодом, что сохранен в CRISPR. Если эти коды совпадают, фермент Cas9 начинает измельчать ДНК вируса и нейтрализует угрозу.
До недавнего времени эти открытия не представляли большого интереса никому, кроме микробиологов, пока в 2011 году ученые не совершили научную революцию, используя этот созданный природой механизм. О том, как человечество адаптировало этот механизм для редактирования генов, читайте следующий пост 😊
Источник: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867414006047
Инструмент CRISPR/Cas9 - революция в области биотехнологий, позволяющая редактировать ДНК.
Еще 1987 году, японские ученые, изучающие E. coli, впервые обнаружили некоторые необычные повторяющиеся последовательности в ДНК бактерий, о биологическом значении которых тогда еще не было известно. Позднее сходные кластеры были обнаружены в ДНК многих других бактерий (и архей) и были названы Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats - или CRISPR.
В 2007 году, ученые, изучающие бактерии Streptococcus, используемые для приготовления йогурта, показали, что такие кластеры являются частью иммунной системы бактерий и жизненно им необходимы.
Дело в том, что бактерии постоянно подвергаются нападениям вирусов и производят ферменты для борьбы с ними. Всякий раз, когда ферменту бактерии удается убить заражающий вирус, другие маленькие ферменты «подбирают» остатки генетического кода вируса, перерезают его на маленькие кусочки и затем сохраняют в тех самых пространствах CRISPR. Так бактерии вырабатывают стойкость к вирусам, с которыми они уже имели дело.
Однако эту же генетическую информацию, хранящуюся в CRISPR, бактерии используют, чтобы предотвратить и будущие атаки. В случае возникновения новой инфекции, бактерии продуцируют специальные агрессивные энзимы, известные как Cas9, которые выстраиваются вокруг сохраненных участков вирусного генетического кода. Когда ферменты Cas9 сталкиваются с вирусом, они сравнивают код РНК вируса с тем кодом, что сохранен в CRISPR. Если эти коды совпадают, фермент Cas9 начинает измельчать ДНК вируса и нейтрализует угрозу.
До недавнего времени эти открытия не представляли большого интереса никому, кроме микробиологов, пока в 2011 году ученые не совершили научную революцию, используя этот созданный природой механизм. О том, как человечество адаптировало этот механизм для редактирования генов, читайте следующий пост 😊
Источник: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867414006047
Как же ученые сумели использовать CRISPR/Cas9 для редактирования генов?
Было обнаружено, что фермент Cas9 можно «обмануть», подав ему искусственную РНК. Тогда он, распознав объект с тем же кодом (не только вирусы), начнет его измельчать. В 2012 году в Science вышла статья, где группа ученых показала, что они могут использовать систему CRISPR/Cas9 для уничтожения любого генома в любом месте (http://science.sciencemag.org/content/337/6096/816)
Дальше лучше. Фэн Чжан из Бостона (Broad Institute, совместные лаборатории Гарварда и MIT) в феврале 2013 года впервые успешно продемонстрировал CRISPR/Cas9 для редактирования геномов культивируемых клеток мыши или клеток человека.
Тогда-то исследователи и обнаружили, что CRISPR/Cas9 универсален. Теперь стало возможным не только вырезать определенные участки ДНК, но и заменять «плохие» гены на «хорошие». Так, например, ученые смогли заставить фермент Cas9 вырезать ген, который вызывает синдром Гентингтона, и вставить «здоровый» ген вместо него.
(заболевание нервной системы, подробности тут ➡️ https://ru.m.wikipedia.org/wiki/Болезнь_Гентингтона).
К слову, сама идея редактирования генома далеко не нова. Что делает CRISPR настолько революционным, так это то, что он невероятно точен: фермент Cas9 работает именно с тем участком, который вас интересует. Теперь заменить ген можно в течение пары часов за 75 долларов 😀.
Но что нам это дает?
1. Новые инструменты для лечения генетических заболеваний. Если известно, в каком гене произошла мутация, вызывающая данную болезнь, его можно заменить на здоровый ген. Однако о функциях многих генов мы до сих пор не знаем. CRISPR и тут может прийти на помощь исследователям, например, выбивая отдельные гены можно определять какие признаки затронуты.
2. Мощные новые антибиотики и противовирусные препараты. Одна из самых острых проблем современной медицины: вирусы эволюционируют быстрее, чем мы создаем методы для борьбы с ними. Технология CRISPR/Cas9 имеет огромный потенциал в этой области.
3. Создание новых видов живых организмов. Летающие коровы, правда, вряд ли получатся 🙈. Генетики хотят искоренить паразитов (например, москитов, генетически закодировав появление на свет только мужских особей), однако пока не ясно к каким последствиям для экосистемы это приведет. За последние годы многие крупные компании, такие как Monsanto (ныне часть немецкой компании Bayer ☺️) начали лицензировать технологию CRISPR для редактирования генома сельскохозяйственных культур. Пока традиционные методы ГМО это не заменит, но поможет значительно усовершенствовать продукты питания (не только вкусовые характеристики, но и, скажем, устойчивость к неблагоприятным погодным условиям/паразитам, или отсутствие аллергенов).
4. Дизайн детей. Эта тема вызвала жаркие споры в научном мире, но на самом деле, мы еще очень-очень далеки от этого. Мы еще совсем мало знаем о человеческом геноме и о последствиях его редактирования, поэтому пока не мечтайте запрограммировать себе ребенка-вундеркинда.
Несмотря на это, стремительное развитие генетики обещает сделать наше с вами будущее невероятно захватывающим и интересным!
P.S. С праздником! 🍾
Было обнаружено, что фермент Cas9 можно «обмануть», подав ему искусственную РНК. Тогда он, распознав объект с тем же кодом (не только вирусы), начнет его измельчать. В 2012 году в Science вышла статья, где группа ученых показала, что они могут использовать систему CRISPR/Cas9 для уничтожения любого генома в любом месте (http://science.sciencemag.org/content/337/6096/816)
Дальше лучше. Фэн Чжан из Бостона (Broad Institute, совместные лаборатории Гарварда и MIT) в феврале 2013 года впервые успешно продемонстрировал CRISPR/Cas9 для редактирования геномов культивируемых клеток мыши или клеток человека.
Тогда-то исследователи и обнаружили, что CRISPR/Cas9 универсален. Теперь стало возможным не только вырезать определенные участки ДНК, но и заменять «плохие» гены на «хорошие». Так, например, ученые смогли заставить фермент Cas9 вырезать ген, который вызывает синдром Гентингтона, и вставить «здоровый» ген вместо него.
(заболевание нервной системы, подробности тут ➡️ https://ru.m.wikipedia.org/wiki/Болезнь_Гентингтона).
К слову, сама идея редактирования генома далеко не нова. Что делает CRISPR настолько революционным, так это то, что он невероятно точен: фермент Cas9 работает именно с тем участком, который вас интересует. Теперь заменить ген можно в течение пары часов за 75 долларов 😀.
Но что нам это дает?
1. Новые инструменты для лечения генетических заболеваний. Если известно, в каком гене произошла мутация, вызывающая данную болезнь, его можно заменить на здоровый ген. Однако о функциях многих генов мы до сих пор не знаем. CRISPR и тут может прийти на помощь исследователям, например, выбивая отдельные гены можно определять какие признаки затронуты.
2. Мощные новые антибиотики и противовирусные препараты. Одна из самых острых проблем современной медицины: вирусы эволюционируют быстрее, чем мы создаем методы для борьбы с ними. Технология CRISPR/Cas9 имеет огромный потенциал в этой области.
3. Создание новых видов живых организмов. Летающие коровы, правда, вряд ли получатся 🙈. Генетики хотят искоренить паразитов (например, москитов, генетически закодировав появление на свет только мужских особей), однако пока не ясно к каким последствиям для экосистемы это приведет. За последние годы многие крупные компании, такие как Monsanto (ныне часть немецкой компании Bayer ☺️) начали лицензировать технологию CRISPR для редактирования генома сельскохозяйственных культур. Пока традиционные методы ГМО это не заменит, но поможет значительно усовершенствовать продукты питания (не только вкусовые характеристики, но и, скажем, устойчивость к неблагоприятным погодным условиям/паразитам, или отсутствие аллергенов).
4. Дизайн детей. Эта тема вызвала жаркие споры в научном мире, но на самом деле, мы еще очень-очень далеки от этого. Мы еще совсем мало знаем о человеческом геноме и о последствиях его редактирования, поэтому пока не мечтайте запрограммировать себе ребенка-вундеркинда.
Несмотря на это, стремительное развитие генетики обещает сделать наше с вами будущее невероятно захватывающим и интересным!
P.S. С праздником! 🍾
Science
A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity
Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-associated (Cas) systems provide bacteria and archaea with adaptive immunity against viruses and plasmids by using CRISPR RNAs (crRNAs) to guide the silencing of invading nucleic acids.…
Бит размером с атом.
Ученые из IBM Research научились кодировать один бит информации на одном атоме, о чем они опубликовали статью в Nature. Сейчас для хранения одного бита жесткие диски используют от 100 тысяч до миллиона атомов. В данном исследовании ученые создали самый маленький в мире магнит из атома гольмия, прикрепленного к поверхности из оксида магния, имеющего две устойчивые магнитные ориентации (северный и южный полюса), которые и определяют значения 1 или 0 бита. Острая игла сканирующего туннельного микроскопа при приблежении к поверхности атома подает электрический ток, который меняет полюса магнита, а значит и значения бита с 1 на 0 и наоборот - это соответствует процессу записи информации на диск. Затем ученые смогли измерить магнитный ток, проходящий через этот атом, чтобы определить значение бита 1 или 2 - считывание информации с диска.
Сканирующий туннельный микроскоп, кстати, был также изобретен учеными из IBM, за что они получили Нобелевскую премию по физике в 1986 году. Теперь его можно использовать не только для исследования поверхности, но и для перемещения атома в точку, выбранную оператором. Если напряжение между иглой микроскопа и атомом станет достаточно большим, то атом превращается в ион и перескакивает на иглу. После этого слегка переместив иглу и изменив напряжение, можно заставить сбежавший атом "спрыгнуть" обратно на поверхность образца. Таким образом, можно манипулировать атомами и создавать наноструктуры. Используя этот принцип, ученые из IBM создали самый маленький в мире фильм "A boy and his atom", где анимируется последовательность изображений, собранных из отдельных атомов.
Ссылка на фильм (видео длится 1,5 минуты): https://youtu.be/oSCX78-8-q0
Ссылка на источник: https://www.nature.com/articles/nature21371
Ученые из IBM Research научились кодировать один бит информации на одном атоме, о чем они опубликовали статью в Nature. Сейчас для хранения одного бита жесткие диски используют от 100 тысяч до миллиона атомов. В данном исследовании ученые создали самый маленький в мире магнит из атома гольмия, прикрепленного к поверхности из оксида магния, имеющего две устойчивые магнитные ориентации (северный и южный полюса), которые и определяют значения 1 или 0 бита. Острая игла сканирующего туннельного микроскопа при приблежении к поверхности атома подает электрический ток, который меняет полюса магнита, а значит и значения бита с 1 на 0 и наоборот - это соответствует процессу записи информации на диск. Затем ученые смогли измерить магнитный ток, проходящий через этот атом, чтобы определить значение бита 1 или 2 - считывание информации с диска.
Сканирующий туннельный микроскоп, кстати, был также изобретен учеными из IBM, за что они получили Нобелевскую премию по физике в 1986 году. Теперь его можно использовать не только для исследования поверхности, но и для перемещения атома в точку, выбранную оператором. Если напряжение между иглой микроскопа и атомом станет достаточно большим, то атом превращается в ион и перескакивает на иглу. После этого слегка переместив иглу и изменив напряжение, можно заставить сбежавший атом "спрыгнуть" обратно на поверхность образца. Таким образом, можно манипулировать атомами и создавать наноструктуры. Используя этот принцип, ученые из IBM создали самый маленький в мире фильм "A boy and his atom", где анимируется последовательность изображений, собранных из отдельных атомов.
Ссылка на фильм (видео длится 1,5 минуты): https://youtu.be/oSCX78-8-q0
Ссылка на источник: https://www.nature.com/articles/nature21371
YouTube
A Boy And His Atom: The World's Smallest Movie
You're about to see the movie that holds the Guinness World Records™ record for the World's Smallest Stop-Motion Film (see how it was made at http://youtu.be/xA4QWwaweWA). The ability to move single atoms — the smallest particles of any element in the universe…
Клеточная алхимия (читать 1,5 минуты)
Наверняка, многие из вас слышали о стволовых клетках. Зигота - клетка из которой мы с вами появились - пример такой клетки. После многочисленных циклов деления, стволовые клетки начинают дифференцироваться: так мы и получаем разные типы клеток, такие как клетки мозга, печени, кожи и т. д. Несмотря на то, что стволовые клетки были открыты еще в начале прошлого столетия, шумиха вокруг этой темы поднялась в 2006-2008 годах, после публикации в журнале Cell. В этой статье японские ученые показали, что можно запустить и обратный процесс: превращать уже дифференцированные клетки в стволовые.
Сейчас мы уже умеем превращать практически любые зрелые клетки в стволовые, подвергая их воздействию "коктейля" химикатов. Затем другой "химический коктейль" используется для превращения полученных клеток в желаемый тип ткани.
Но этого оказалось мало, и сейчас ученые пытаются превращать клетки одного типа в клетки другого типа минуя стадию образования стволовых клеток. Этот процесс называется трансдифференциация, то есть превращение одного типа клеток в другой. В 2014 году в журнале Neuron вышла статья, где американские ученые за 4 недели сумели превратить клетки кожи в нейроны с помощью специального химического коктейля. Эти нейроны затем поместили в мозг мышей, которых наблюдали в течение 6 месяцев. За это время клетки не только выжили, но и стали "общаться" с другими клетками, то есть прижились. Таким образом, можно постепенно заменять "больные нейроны" на "здоровые", выращенные из собстенных клеток другого типа, что поможет при лечении многих заболеваний. При этом, вероятность того, что организм будет отторгать новые клетки крайне мала, так как они несут такой же генетический материал. Похожий пример с трансдифференциацией клеток был опубликован в Nature, где учеными из Японии и Америки удалось создать клетки сердца.
Настоящая клеточная алхимия!
P.S. Ура хоккеистам!! 😊
Ссылка на статью в Cell: http://www.cell.com/abstract/S0092-8674(06)00976-7
Ссылка на статью в Neuron: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0896627314009143?via%3Dihub
Ссылка на статью в Nature: https://www.nature.com/articles/nature08039
Наверняка, многие из вас слышали о стволовых клетках. Зигота - клетка из которой мы с вами появились - пример такой клетки. После многочисленных циклов деления, стволовые клетки начинают дифференцироваться: так мы и получаем разные типы клеток, такие как клетки мозга, печени, кожи и т. д. Несмотря на то, что стволовые клетки были открыты еще в начале прошлого столетия, шумиха вокруг этой темы поднялась в 2006-2008 годах, после публикации в журнале Cell. В этой статье японские ученые показали, что можно запустить и обратный процесс: превращать уже дифференцированные клетки в стволовые.
Сейчас мы уже умеем превращать практически любые зрелые клетки в стволовые, подвергая их воздействию "коктейля" химикатов. Затем другой "химический коктейль" используется для превращения полученных клеток в желаемый тип ткани.
Но этого оказалось мало, и сейчас ученые пытаются превращать клетки одного типа в клетки другого типа минуя стадию образования стволовых клеток. Этот процесс называется трансдифференциация, то есть превращение одного типа клеток в другой. В 2014 году в журнале Neuron вышла статья, где американские ученые за 4 недели сумели превратить клетки кожи в нейроны с помощью специального химического коктейля. Эти нейроны затем поместили в мозг мышей, которых наблюдали в течение 6 месяцев. За это время клетки не только выжили, но и стали "общаться" с другими клетками, то есть прижились. Таким образом, можно постепенно заменять "больные нейроны" на "здоровые", выращенные из собстенных клеток другого типа, что поможет при лечении многих заболеваний. При этом, вероятность того, что организм будет отторгать новые клетки крайне мала, так как они несут такой же генетический материал. Похожий пример с трансдифференциацией клеток был опубликован в Nature, где учеными из Японии и Америки удалось создать клетки сердца.
Настоящая клеточная алхимия!
P.S. Ура хоккеистам!! 😊
Ссылка на статью в Cell: http://www.cell.com/abstract/S0092-8674(06)00976-7
Ссылка на статью в Neuron: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0896627314009143?via%3Dihub
Ссылка на статью в Nature: https://www.nature.com/articles/nature08039
Молекулярные машины
В 2016 году Нобелевская премия по химии была присуждена за создание молекулярных машин - молекул с движущимися частями. Инновационная идея первоначально заключалась в создании нового типа связи - не столь химической, сколь механической. В обычных органических молекулах атомы соединены друг с другом общим электронным облаком (ковалентная связь). Идея профессора Sauvage (Страсбург, Франция) заключалась в создании молекул, которые соединены между собой примерно как олимпийские кольца: химической связи между ними нет, но молекулы сосуществуют вместе. Такую систему колец Sauvage сумел получить, используя 5 ключевых шагов: 1) создание первого кольца 2) введение внутрь него иона меди 3) присоединение второго полукольца к иону меди (внутри первого кольца) 4) замыкание второго кольца 5) удаление иона меди. В последствии профессору Sauvage удалось получить еще много структур с замысловатыми геометрическими формами (например, в виде узла Соломона ) и стать создателем топологической химии.
Тем временем группа профессора Stoddart в Шотландии синтезировала вещество, части которого можно целенаправленно двигать. Для этого сначала получили химическое вещество в виде цепи с двумя электрон-донорными фрагментами в середине, несколько пространственно разделенными. Электрон-акцепторное "незамкнутое кольцо" подходило к участку между этими фрагментами, огибало его, после чего его химически замыкали. Таким образом ось находилась внутри кольца, причем при нагревании его можно заставить слоняться между двумя электрон-донорными фрагментами туда-сюда, что в последствии назвали "молекулярным лифтом".
Затем Голландский ученый Feringa создал "молекулярный мотор". Другими словами, он также научился направленно двигать циклическую молекулу, но уже 1) вращать, а не двигать по оси 2) вращение полностью контролируемо. Кульминацией его исследований стало создание в 2011 году "нано-машины": структуры с четырьмя колесами, движением которой можно управлять.
Развлекаются химики, подумаете вы, а нам-то что с того? Считается, что за такими струтурами будущее в компьютерной технике. Например, ученые уже создали молекулярный компьютерный чип (с памятью 20 килобайт). Нам остается только удивляться этим открытиям и ждать, когда же они изменят наш мир к лучшему!
Пример структур, полученных Sauvage: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja00080a045
Статья с наномашиной: https://www.nature.com/articles/nature10587
В 2016 году Нобелевская премия по химии была присуждена за создание молекулярных машин - молекул с движущимися частями. Инновационная идея первоначально заключалась в создании нового типа связи - не столь химической, сколь механической. В обычных органических молекулах атомы соединены друг с другом общим электронным облаком (ковалентная связь). Идея профессора Sauvage (Страсбург, Франция) заключалась в создании молекул, которые соединены между собой примерно как олимпийские кольца: химической связи между ними нет, но молекулы сосуществуют вместе. Такую систему колец Sauvage сумел получить, используя 5 ключевых шагов: 1) создание первого кольца 2) введение внутрь него иона меди 3) присоединение второго полукольца к иону меди (внутри первого кольца) 4) замыкание второго кольца 5) удаление иона меди. В последствии профессору Sauvage удалось получить еще много структур с замысловатыми геометрическими формами (например, в виде узла Соломона ) и стать создателем топологической химии.
Тем временем группа профессора Stoddart в Шотландии синтезировала вещество, части которого можно целенаправленно двигать. Для этого сначала получили химическое вещество в виде цепи с двумя электрон-донорными фрагментами в середине, несколько пространственно разделенными. Электрон-акцепторное "незамкнутое кольцо" подходило к участку между этими фрагментами, огибало его, после чего его химически замыкали. Таким образом ось находилась внутри кольца, причем при нагревании его можно заставить слоняться между двумя электрон-донорными фрагментами туда-сюда, что в последствии назвали "молекулярным лифтом".
Затем Голландский ученый Feringa создал "молекулярный мотор". Другими словами, он также научился направленно двигать циклическую молекулу, но уже 1) вращать, а не двигать по оси 2) вращение полностью контролируемо. Кульминацией его исследований стало создание в 2011 году "нано-машины": структуры с четырьмя колесами, движением которой можно управлять.
Развлекаются химики, подумаете вы, а нам-то что с того? Считается, что за такими струтурами будущее в компьютерной технике. Например, ученые уже создали молекулярный компьютерный чип (с памятью 20 килобайт). Нам остается только удивляться этим открытиям и ждать, когда же они изменят наш мир к лучшему!
Пример структур, полученных Sauvage: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja00080a045
Статья с наномашиной: https://www.nature.com/articles/nature10587
pubs.acs.org
Synthesis of a doubly interlocked [2]-catenane
Читая мысли (читать 1,5 минуты).
А вы знали, что существуют методы, позволяющие "декодировать" ваш мозг и расшифровать то, что вы видите, слышите, чувствуете, что вы помните и о чем мечтаете? Работы по декодирвоанию мозга стали появляться примерно десять лет назад, когда нейробиологи стали использовать функциональную магнитно-резонансную томографию (fMRI) для исследования активности мозга. Этот метод позволяет определить области мозга, куда подается кислородсодержащая кровь, которая "светится" при сканировании, позволяя определить в каком вокселе (3D пикселе) наблюдается наибольшая мозговая активность при заданном стимуле. Однако, помимо сильных всплесков активности мозга, существуют более тонкие связи, которые стало возможным увидеть только в последнее десятилетие. Именно наличие этих тонких и распределенных нейронных связей сильно затрудняло исследование мозга ранее.
Группа профессора Gallant из Беркли (Калифорния, США) совсем недавно создала так называемый "классификатор шаблонов" - компьютерный алгоритм, который изучает шаблоны мозговой активности связанные с определенным изображением. Это стандартный подход машинного обучения: компьютеру предоставляется набор шаблонов, связанных с изображением обуви, после чего, компьютер в состоянии выявить обувь на других изображениях, ему не известных. Такие исследования позволят изучить мозговую деятельность человека и даже предсказывать его поведение в той или иной ситуации (наш мозг до сих пор очень мало изучен). Уже сейчас Gallant научился предсказывать намерения человека двигаться вправо или влево, изучая активность мозга людей, играющих в компьютерные игры. Основная проблема, возникающая при постановке подобных эспериментов - дифференцировать мысли и намерения, а также уловить низкоинтенсивные сигналы на фоне высокоинтенсивных (другими словами, если вы решаете пойти направо на перекрестке и при этом думаете о мороженном, то ваши эмоции сделают практически невозможным декодировку намерения движения). Но по мнению Gallant, совершенствуя математические алгоритмы, мы постепенно приближаемся к цели извлечь из мозга все мыли и намерения в данную секунду времени.
Некоторые крупные компании уже смотрят в будущее и инвестируют в подобные исследования, чтобы предсказать поведение потребителей по отношению к тому или иному продукту (например, Daimler). Это завораживает и пугает одновременно :)
Ссылка на лабораторию в Беркли, где занимаются декодированием мозга: http://gallantlab.org/index.php/brain-decoding/
Ссылка на одну из статей: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982211009377?via%3Dihub#fig1
А вы знали, что существуют методы, позволяющие "декодировать" ваш мозг и расшифровать то, что вы видите, слышите, чувствуете, что вы помните и о чем мечтаете? Работы по декодирвоанию мозга стали появляться примерно десять лет назад, когда нейробиологи стали использовать функциональную магнитно-резонансную томографию (fMRI) для исследования активности мозга. Этот метод позволяет определить области мозга, куда подается кислородсодержащая кровь, которая "светится" при сканировании, позволяя определить в каком вокселе (3D пикселе) наблюдается наибольшая мозговая активность при заданном стимуле. Однако, помимо сильных всплесков активности мозга, существуют более тонкие связи, которые стало возможным увидеть только в последнее десятилетие. Именно наличие этих тонких и распределенных нейронных связей сильно затрудняло исследование мозга ранее.
Группа профессора Gallant из Беркли (Калифорния, США) совсем недавно создала так называемый "классификатор шаблонов" - компьютерный алгоритм, который изучает шаблоны мозговой активности связанные с определенным изображением. Это стандартный подход машинного обучения: компьютеру предоставляется набор шаблонов, связанных с изображением обуви, после чего, компьютер в состоянии выявить обувь на других изображениях, ему не известных. Такие исследования позволят изучить мозговую деятельность человека и даже предсказывать его поведение в той или иной ситуации (наш мозг до сих пор очень мало изучен). Уже сейчас Gallant научился предсказывать намерения человека двигаться вправо или влево, изучая активность мозга людей, играющих в компьютерные игры. Основная проблема, возникающая при постановке подобных эспериментов - дифференцировать мысли и намерения, а также уловить низкоинтенсивные сигналы на фоне высокоинтенсивных (другими словами, если вы решаете пойти направо на перекрестке и при этом думаете о мороженном, то ваши эмоции сделают практически невозможным декодировку намерения движения). Но по мнению Gallant, совершенствуя математические алгоритмы, мы постепенно приближаемся к цели извлечь из мозга все мыли и намерения в данную секунду времени.
Некоторые крупные компании уже смотрят в будущее и инвестируют в подобные исследования, чтобы предсказать поведение потребителей по отношению к тому или иному продукту (например, Daimler). Это завораживает и пугает одновременно :)
Ссылка на лабораторию в Беркли, где занимаются декодированием мозга: http://gallantlab.org/index.php/brain-decoding/
Ссылка на одну из статей: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982211009377?via%3Dihub#fig1
Полимеразная цепная реакция (ПЦР) (читать 2 минуты)
Сегодняшний праздничный пост будет посвящен методу, совершившему революцию в химии и биотехнологии еще в 80-х, но настолько мощную, что его просто невозможно игнорировать. Метод ПЦР - метод, с помощью которого ученые сейчас могут расшифровывать ДНК, делать ее копии и вводить мутации. ПЦР широко используется для диагностики заболеваний (как наследственных, так и инфекционных), для установления отцовства, клонирования генов и др. Как же это работает?
Для начала разберемся, что такое ДНК. ДНК - это два соединенных друг с другом фрагмента. Каждый из них - последовательность нуклеотидов, которые отличаются друг от друга основанием. Этих оснований всего 4 вида - аденин (A), тимин (T), цитозин (C), гуанин (G), причем они попарно комплементарны A-T, C-G, то есть аденин образует связь только с тимином, а цитозин только с гуанином. Таким обрзом, два фрагмента ДНК - фрагменты, состоящие из комплементарных друг другу оснований, то есть по одному фрагменту можно однозначно "достроить" другой. (Например, если участок ДНК состоит из оснований ТАСССТСАСТТG, то комплементарный ему будет участок ATGGGAGTGAAC, так как A-T, C-G).
Вернемся к ПЦР. 1. Берем ДНК (в пробирке), которую надо клонировать и нагреваем до 94-96 градусов, при этом происходит ее денатурация (разрыв связей комплементарных оснований, из одной цепи, получаем две одинарные, комплементарные друг другу)
2. добавляем праймеры, комплементарные к противоположным концам полученных фрагментов. Праймер - это небольшая синтетическая ДНК, которая может связаться только с определенной последовательностью нуклеотидов. В предыдущей задаче наша цепь ДНК ТАСССТСАСТТG, соответственно праймер может быть ATGGGA, то есть он будет комплементарен первым 6-ти нуклеотидам (в реальности, конечно, ДНК гораздо больше и праймеры обычно состоят из 20-30 нуклеотидов).
3. Далее добавляем ДНК-полимеразу - специальный фермент, который начинает "достраивать" цепь ДНК с места, где прикреплен праймер. Таким образом из одной ДНК мы в итоге получаем две абсолютно идентичные.
Те, кто дочитал до этого места и все понял, должны уже задаться вопросом, откуда же мы знаем, какой праймер нужно добавлять. Действительно, чтобы этот метод работал, при добавлении праймера ATGGGA мы должны заранее знать, что в цепи ДНК содержится последовательность ТАСССТ, иначе праймер не присоединится к участку ДНК и ДНК-полимераза не начнет работать. Но мы же с вами знаем, что геном всех людей совпадает на 99% и только 1% делает нас уникальными, а значит можно сделать универсальные праймеры, которые подойдут для клонирования ДНК любого человека (или банана, ведь наши гены схожи на 50% 😀)
О том, где и как применяется метод ПЦР читайте следующий пост.
Ссылка на статью в Science 1985 года http://science.sciencemag.org/content/230/4732/1350
P.S. C Праздником дорогие леди! 🙃
Сегодняшний праздничный пост будет посвящен методу, совершившему революцию в химии и биотехнологии еще в 80-х, но настолько мощную, что его просто невозможно игнорировать. Метод ПЦР - метод, с помощью которого ученые сейчас могут расшифровывать ДНК, делать ее копии и вводить мутации. ПЦР широко используется для диагностики заболеваний (как наследственных, так и инфекционных), для установления отцовства, клонирования генов и др. Как же это работает?
Для начала разберемся, что такое ДНК. ДНК - это два соединенных друг с другом фрагмента. Каждый из них - последовательность нуклеотидов, которые отличаются друг от друга основанием. Этих оснований всего 4 вида - аденин (A), тимин (T), цитозин (C), гуанин (G), причем они попарно комплементарны A-T, C-G, то есть аденин образует связь только с тимином, а цитозин только с гуанином. Таким обрзом, два фрагмента ДНК - фрагменты, состоящие из комплементарных друг другу оснований, то есть по одному фрагменту можно однозначно "достроить" другой. (Например, если участок ДНК состоит из оснований ТАСССТСАСТТG, то комплементарный ему будет участок ATGGGAGTGAAC, так как A-T, C-G).
Вернемся к ПЦР. 1. Берем ДНК (в пробирке), которую надо клонировать и нагреваем до 94-96 градусов, при этом происходит ее денатурация (разрыв связей комплементарных оснований, из одной цепи, получаем две одинарные, комплементарные друг другу)
2. добавляем праймеры, комплементарные к противоположным концам полученных фрагментов. Праймер - это небольшая синтетическая ДНК, которая может связаться только с определенной последовательностью нуклеотидов. В предыдущей задаче наша цепь ДНК ТАСССТСАСТТG, соответственно праймер может быть ATGGGA, то есть он будет комплементарен первым 6-ти нуклеотидам (в реальности, конечно, ДНК гораздо больше и праймеры обычно состоят из 20-30 нуклеотидов).
3. Далее добавляем ДНК-полимеразу - специальный фермент, который начинает "достраивать" цепь ДНК с места, где прикреплен праймер. Таким образом из одной ДНК мы в итоге получаем две абсолютно идентичные.
Те, кто дочитал до этого места и все понял, должны уже задаться вопросом, откуда же мы знаем, какой праймер нужно добавлять. Действительно, чтобы этот метод работал, при добавлении праймера ATGGGA мы должны заранее знать, что в цепи ДНК содержится последовательность ТАСССТ, иначе праймер не присоединится к участку ДНК и ДНК-полимераза не начнет работать. Но мы же с вами знаем, что геном всех людей совпадает на 99% и только 1% делает нас уникальными, а значит можно сделать универсальные праймеры, которые подойдут для клонирования ДНК любого человека (или банана, ведь наши гены схожи на 50% 😀)
О том, где и как применяется метод ПЦР читайте следующий пост.
Ссылка на статью в Science 1985 года http://science.sciencemag.org/content/230/4732/1350
P.S. C Праздником дорогие леди! 🙃
Science
Enzymatic amplification of beta-globin genomic sequences and restriction site analysis for diagnosis of sickle cell anemia
Two new methods were used to establish a rapid and highly sensitive prenatal diagnostic test for sickle cell anemia. The first involves the primer-mediated enzymatic amplification of specific beta-globin target sequences in genomic DNA, resulting in the exponential…
Кто последний тот и папа? (читать 2 минуты)
Сегодня немного о применениях ПЦР (полимеразная цепная реакция - метод для расшифровки ДНК). В генетике считается, что мы сейчас находимся на стадии "печатной машинки": мы уже не переписываем книги вручную, но до макбука нам еще очень далеко. Но уже сейчас технология ПЦР нашла широкое примение, в особенности в клинической практике.
В 90-е годы (сразу после изобретения ПЦР) в научном сообществе начался проект "Геном человека" (HGP - Human Genome Project), который был направлен на расшифровку человеческого генома. В результате него вместе с другими частными проектами, человеческий геном был полностью расшифрован (код последней хромосомы был опубликован в Nature в 2006 году https://www.nature.com/articles/nature04727).
Сейчас технология ПЦР сильно усовершенствована, что позволяет использовать ее не только в научно-исследовательских лабораториях, но и в реальном мире.
1. Криминалистика. Если преступник оставил на месте преступления ДНК-содержащий материал (кровь, волосы, частички кожи и т.д.), то сравнить этот ДНК с ДНК подозреваемого не составит никакого труда.
2. ДНК тест для ребенка еще до его рождения на предмет генных мутаций (к примеру, мутацию, которая приводит к синдрому Дауна, можно обнаружить с 99% вероятностью еще во время развития плода и в результате принять решение о прерывании беременности). Этот метод сравнительно недавно стал появляться в клиниках и сейчас становится все более доступным.
3. Тест на отцовство. Как уже было сказано ранее, геном человека (как вида) на 99% идентичен, и в этом 1% различий скрыта наша индивидуальность. Однако если учесть, что в геноме около 3 миллиардов нуклеотидов (пар оснований), 1% больше не кажется такой маленькой долей. И действительно, в нашем геноме содержатся так называемые "мусорные" участки ДНК, функции которых до сих пор не ясны, и именно эти участки являются нашим профилем. Так как ребенок наследует гены только от отца и матери, то с помощью расшифровывания его ДНК и ДНК обоих родителей можно точно (вероятность 99.99%) установить, действительно ли они его биологические родители. Например, если ДНК ребенка содержит фрагмент ABCD, в ДНК матери содержится AB, то отцом ребенка может быть только человек, содержащий фрагменты CD. Экстраполируем это на сотни тысяч нуклеотидов в геноме, получим высокую вероятность точного определения отцовства.
С помощью этого метода можно находить и более дальних родственников, но чем они дальше, тем меньше точность определения.
Кстати, оказывается, генов у человека не так много, как ожидалось при запуске проекта HGP. По количеству генов мы где-то между курицей и виноградом.😀 Так что далеко не всегда количество переходит в качество!
Сегодня немного о применениях ПЦР (полимеразная цепная реакция - метод для расшифровки ДНК). В генетике считается, что мы сейчас находимся на стадии "печатной машинки": мы уже не переписываем книги вручную, но до макбука нам еще очень далеко. Но уже сейчас технология ПЦР нашла широкое примение, в особенности в клинической практике.
В 90-е годы (сразу после изобретения ПЦР) в научном сообществе начался проект "Геном человека" (HGP - Human Genome Project), который был направлен на расшифровку человеческого генома. В результате него вместе с другими частными проектами, человеческий геном был полностью расшифрован (код последней хромосомы был опубликован в Nature в 2006 году https://www.nature.com/articles/nature04727).
Сейчас технология ПЦР сильно усовершенствована, что позволяет использовать ее не только в научно-исследовательских лабораториях, но и в реальном мире.
1. Криминалистика. Если преступник оставил на месте преступления ДНК-содержащий материал (кровь, волосы, частички кожи и т.д.), то сравнить этот ДНК с ДНК подозреваемого не составит никакого труда.
2. ДНК тест для ребенка еще до его рождения на предмет генных мутаций (к примеру, мутацию, которая приводит к синдрому Дауна, можно обнаружить с 99% вероятностью еще во время развития плода и в результате принять решение о прерывании беременности). Этот метод сравнительно недавно стал появляться в клиниках и сейчас становится все более доступным.
3. Тест на отцовство. Как уже было сказано ранее, геном человека (как вида) на 99% идентичен, и в этом 1% различий скрыта наша индивидуальность. Однако если учесть, что в геноме около 3 миллиардов нуклеотидов (пар оснований), 1% больше не кажется такой маленькой долей. И действительно, в нашем геноме содержатся так называемые "мусорные" участки ДНК, функции которых до сих пор не ясны, и именно эти участки являются нашим профилем. Так как ребенок наследует гены только от отца и матери, то с помощью расшифровывания его ДНК и ДНК обоих родителей можно точно (вероятность 99.99%) установить, действительно ли они его биологические родители. Например, если ДНК ребенка содержит фрагмент ABCD, в ДНК матери содержится AB, то отцом ребенка может быть только человек, содержащий фрагменты CD. Экстраполируем это на сотни тысяч нуклеотидов в геноме, получим высокую вероятность точного определения отцовства.
С помощью этого метода можно находить и более дальних родственников, но чем они дальше, тем меньше точность определения.
Кстати, оказывается, генов у человека не так много, как ожидалось при запуске проекта HGP. По количеству генов мы где-то между курицей и виноградом.😀 Так что далеко не всегда количество переходит в качество!
Nature
The DNA sequence and biological annotation of human chromosome 1
Nature - Nature's series of papers on the finished sequences of the human chromosomes concludes with publication of the analysis of chromosome 1. And it is last but not least: it is the largest...
Кажись, какое-то наследственное заболевание? (читать 2 минуты)
Примерно так звучит 80% ответов на вопрос "Чем был болен Стивен Хогинг?". Заболевание, которым страдал великий физик называется латеральный (боковой) амиотрофический склероз (ALS или БАС в русскоязычной литературе). Это довольно редкое заболевание центральной нервной системы (примерно 2 случая на 100 тысяч человек), которое, вопреки всеобщему заблуждению, в 90-95% случаев не наследуется (не все генетические заболевания наследственные!). В ходе БАС, моторные нейроны начинают разрушаться, что приводит к параличу (моторные нейроны - нервные клетки, отвечающие за контроль движения мышц, переносят сигналы от мозга к мышцам). В процессе гибели моторных нейронов, все мышцы теряют работоспособность, в результате чего человек утрачивает способность жевать, двигаться, говорить и в конце концов умирает (в основном) от атрофии дыхательных мышц. Никаких нарушений памяти и способности мыслить пациенты не испытывают.
Это заболевание прогрессирующее, а значит вылечить или остановить процесс дегенерации моторных нейронов невозможно. В среднем продолжительность жизни пациентов после постановки диагноза не превышает трех лет.
Врачи считают Стивена Хокинга уникальным пациентом, так как ему удалось прожить с БАС более 50 лет, хотя генетики относятся к этому случаю более скептически: заболевание ассоциировано с двумя десятками генов, а потому, в зависимости от того, какие из них затронуты, болезнь может протекать по-разному.
И нет, Хокинг не единственный такой везунчик, известен также случай гитариста Джейсона Беккера (род. 1969), он по сей день жив.
В свои 76 лет, Хокинг был почти полностью парализован, не мог ходить и говорить, при этом руководил Центром теоретической космологии в Кембриджском университете. Возможность говорить Хокинг потерял после удаления трахеи, однако вместо собственных голосовых связок он использовал синтезатор речи, закрепленный на его инвалидном кресле. Креслом и синтезатором Хокинг управлял с помощью одной мимической мышцы на щеке, напротив щеки был закреплен датчик. По экрану монитора бежал текст и, когда нужно было выбрать слово из фразу, Хокинг делал это щекой. Скорость общения с ним составляла примерно 1 слово в минуту.
Необычные факты:
* Хокинг родился в 300-летний юбилей смерти Галилея и умер в 139-й годовщине рождения Эйнштейна
** Дочь Стивена Хокинга Люси Хокинг немного говорит по-русски. Нет, русских родственников у нее нет. Она просто УЧИЛА русский
Примерно так звучит 80% ответов на вопрос "Чем был болен Стивен Хогинг?". Заболевание, которым страдал великий физик называется латеральный (боковой) амиотрофический склероз (ALS или БАС в русскоязычной литературе). Это довольно редкое заболевание центральной нервной системы (примерно 2 случая на 100 тысяч человек), которое, вопреки всеобщему заблуждению, в 90-95% случаев не наследуется (не все генетические заболевания наследственные!). В ходе БАС, моторные нейроны начинают разрушаться, что приводит к параличу (моторные нейроны - нервные клетки, отвечающие за контроль движения мышц, переносят сигналы от мозга к мышцам). В процессе гибели моторных нейронов, все мышцы теряют работоспособность, в результате чего человек утрачивает способность жевать, двигаться, говорить и в конце концов умирает (в основном) от атрофии дыхательных мышц. Никаких нарушений памяти и способности мыслить пациенты не испытывают.
Это заболевание прогрессирующее, а значит вылечить или остановить процесс дегенерации моторных нейронов невозможно. В среднем продолжительность жизни пациентов после постановки диагноза не превышает трех лет.
Врачи считают Стивена Хокинга уникальным пациентом, так как ему удалось прожить с БАС более 50 лет, хотя генетики относятся к этому случаю более скептически: заболевание ассоциировано с двумя десятками генов, а потому, в зависимости от того, какие из них затронуты, болезнь может протекать по-разному.
И нет, Хокинг не единственный такой везунчик, известен также случай гитариста Джейсона Беккера (род. 1969), он по сей день жив.
В свои 76 лет, Хокинг был почти полностью парализован, не мог ходить и говорить, при этом руководил Центром теоретической космологии в Кембриджском университете. Возможность говорить Хокинг потерял после удаления трахеи, однако вместо собственных голосовых связок он использовал синтезатор речи, закрепленный на его инвалидном кресле. Креслом и синтезатором Хокинг управлял с помощью одной мимической мышцы на щеке, напротив щеки был закреплен датчик. По экрану монитора бежал текст и, когда нужно было выбрать слово из фразу, Хокинг делал это щекой. Скорость общения с ним составляла примерно 1 слово в минуту.
Необычные факты:
* Хокинг родился в 300-летний юбилей смерти Галилея и умер в 139-й годовщине рождения Эйнштейна
** Дочь Стивена Хокинга Люси Хокинг немного говорит по-русски. Нет, русских родственников у нее нет. Она просто УЧИЛА русский
Квантовые компьютеры для современной химии (читать 1,5 минуты)
Всем привет! После небольших каникул, этот канал возобновляет свою работу. Сегодня мое внимание привлекла статья группы немецких химиков из Аахена, которые предлагают использовать квантовые компьютеры для определения механизма реакции. Ссылка на статью вот тут: http://www.pnas.org/content/114/29/7555
Механизм химической реакции это описание превращения реагентов в продукты, зачастую - довольно сложный многостадийный процесс, включающий в себя образование промежуточных веществ. Понимание механизмов тех или иных реакций очень важно как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения, например, при создании катализаторов или ингибиторов - веществ, которые ускоряют или замедляют те или иные химические реакции. Ингибиторы часто используются в медицине, когда необходимо замедлить какой-либо биохимический процесс в организме.
В вышеупомянутой статье, ученые предлагают использовать квантовые компьютеры для предсказания энергетического состояния нитрогеназы - комплекса ферментов, предназначенных для фиксации азота у архей и бактерий. Такая система оказалось слишком сложной, для рассчетов на классическом компьютере.
Идея квантового компьютера была сформулирована еще в 80-х Ричардом Фейнманом. У такого компьютера единица информации измеряется в кубитах. В отличие от бита, который может принимать лишь два значения 0 или 1, кубит представляет собой квантовую систему с двумя состояниями, и может принимать любое значение, соответствующее суперпозиции двух состояний. Это означает, что кубит может хранить гораздо больше информации. чем классический бит, уменьшая ресурсы, необходимые для хранения молекулярной волновой функции. Количество бит, необходимое для хранения молекулярной волновой функции на классическом компьютере экспоненциально растет с числом спиновых орбиталей, тогда как число кубитов растет линейно. На примере нитрогеназы, авторы статьи показали одно из потенциальных применений квантового компьютера, что поможет разрешить множество проблем современной химии и биологии. В результате ученым удалось оценить вычислительные ресурсы, необходимые для такого исследования с использованием квантового компьютера. Более того, ученые предлагают алгоритм дальнейшего сокращения вычислительных ресурсов квантового компьютера, с использованием разработанных ими "топологических" кубитов. В результате, проблемы, на решение которых сейчас требуются годы, в будущем могут решаться в течение нескольких дней. Осталось только создать, наконец, этот квантовый компьютер 😀
Всем привет! После небольших каникул, этот канал возобновляет свою работу. Сегодня мое внимание привлекла статья группы немецких химиков из Аахена, которые предлагают использовать квантовые компьютеры для определения механизма реакции. Ссылка на статью вот тут: http://www.pnas.org/content/114/29/7555
Механизм химической реакции это описание превращения реагентов в продукты, зачастую - довольно сложный многостадийный процесс, включающий в себя образование промежуточных веществ. Понимание механизмов тех или иных реакций очень важно как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения, например, при создании катализаторов или ингибиторов - веществ, которые ускоряют или замедляют те или иные химические реакции. Ингибиторы часто используются в медицине, когда необходимо замедлить какой-либо биохимический процесс в организме.
В вышеупомянутой статье, ученые предлагают использовать квантовые компьютеры для предсказания энергетического состояния нитрогеназы - комплекса ферментов, предназначенных для фиксации азота у архей и бактерий. Такая система оказалось слишком сложной, для рассчетов на классическом компьютере.
Идея квантового компьютера была сформулирована еще в 80-х Ричардом Фейнманом. У такого компьютера единица информации измеряется в кубитах. В отличие от бита, который может принимать лишь два значения 0 или 1, кубит представляет собой квантовую систему с двумя состояниями, и может принимать любое значение, соответствующее суперпозиции двух состояний. Это означает, что кубит может хранить гораздо больше информации. чем классический бит, уменьшая ресурсы, необходимые для хранения молекулярной волновой функции. Количество бит, необходимое для хранения молекулярной волновой функции на классическом компьютере экспоненциально растет с числом спиновых орбиталей, тогда как число кубитов растет линейно. На примере нитрогеназы, авторы статьи показали одно из потенциальных применений квантового компьютера, что поможет разрешить множество проблем современной химии и биологии. В результате ученым удалось оценить вычислительные ресурсы, необходимые для такого исследования с использованием квантового компьютера. Более того, ученые предлагают алгоритм дальнейшего сокращения вычислительных ресурсов квантового компьютера, с использованием разработанных ими "топологических" кубитов. В результате, проблемы, на решение которых сейчас требуются годы, в будущем могут решаться в течение нескольких дней. Осталось только создать, наконец, этот квантовый компьютер 😀
PNAS
Elucidating reaction mechanisms on quantum computers
Our work addresses the question of compelling killer applications for quantum computers. Although quantum chemistry is a strong candidate, the lack of details of how quantum computers can be used for specific applications makes it difficult to assess whether…
Всем привет! Я снова с Вами и за это время ценность новостей из мира науки и технологии заметно возрасла, так как новости вам теперь вещает доктор естествознания 😎 🎓
Сегодняшний пост будет посвящен квантовой механике, поэтому приготовьтесь потренировать мозг
Итак, квантовый эксперимент курица-яйцо (читать 2,5 минуты)
В повседневном мире события происходят в определенном порядке. Однако новые эксперименты с фотонами показывают, что иногда невозможно сказать, в каком порядке происходят два события, полностью уничтожая наше здравое понятие «до и после» и путая понятие причинности. Такое явление называется квантовый коммутатор (quantum switch) и может стать полезным новым инструментом в квантовых информационных технологиях. Казалось бы, только мы начали свыкаться с мыслью, что крошечная частица может быть в нескольких местах одновременно! Квантовый переключатель достигает чего-то подобного для двух событий: A и B, показывая, что A может произойти до того, как B и B могут возникнуть до A.
Нашумевший эксперимент был проведен в Брисбене (Австралия), где физики пропустили пучок фотонов через специально сконструированный интерферометер, в котором пучок может расходиться на два (правый и левый) и обратно сливаться в один. Фотон (он же свет) – одновременно частица и электромагнитная волна, а значит может быть поляризован горизонтально или вертикально. Установка была собрана таким образом, чтобы вертикально поляризованный фотон сначала выбирал левый путь, а затем, отступив назад и войдя в устройство через другой «порт», пойдет по правому пути. Горизонтально поляризованный фотон, напротив, сначала будет двигаться по правому пути, затем по левому.
Квантовая механика позволяет фотону быть одновременно поляризованным по двум направлениям (горизонтально+вертикально=диагонально поляризованный). Когда такой диагонально поляризованный фотон входит в аппарат, описываемая им волна расщепляется на вертикально поляризованную и горизонтально поляризованную части, и фотон одновременно проходит оба пути (правый и левый) до тех пор, пока волны снова сольются на выходе из устройства. Когда фотон повторяет свой путь, он снова проходит оба пути, при этом каждая из частей квантовой волны фотона принимает каждый путь только один раз. Таким образом, невозможно сказать, в каком порядке фотон пошел по тому или иному пути.
Проблема усложняется тем, что физики не могут просто вставить детекторы, которые покажут, где именно находится фотон (спасибо квантовой механике за это). Физики должны найти более мягкий способ пометить след, по которому фотон пошел по определенному пути.
Для этого ученые решили использовать тот факт, что в дополнение к поляризации каждый импульс света имеет форму или пространственное распределение. Экспериментаторы могут мягко изменять эту форму, помещая линзы и другие оптические элементы на каждом пути, чтобы манипулировать проходящим фотоном. В зависимости от того, как расположены эти оптические элементы, поляризация фотона может переходить от одного диагонального направления к другому, так как две его части (квантовые волны) рекомбинируют. Итак, что делают физики: они смотрят наличие корелляции между конкретным положением этих оптических элементов и полярицации фотона на выходе. Если каждая часть фотона действительно проходит сначала один путь а затем другой, то эта корреляция должна подчиняться какому-то закону. Если же обе части фотона одновременно проходят оба пути, корреляции не будет, что и наблюдалось в этом эксперименте (вот тут можно поразбираться в математике https://journals.aps.org/prl/accepted/c707aYdcD481706284939b075dfc347e2ff710b57).
В данном эксперименте, операции по двум путям были независимыми, однако, в принципе, квантовая механика позволяет предположить, что два процесса могут вызывать друг друга. Такой квантовый коммутатор может применяться для передачи информации, закодированной в квантовых состояниях отдельных фотонов и других квантовых частиц. Такие устройства должны пропускать частицы через квантовые каналы (оптические волокна), что позволит передавать информацию даже через очень «шумные» каналы. Это кр
Сегодняшний пост будет посвящен квантовой механике, поэтому приготовьтесь потренировать мозг
Итак, квантовый эксперимент курица-яйцо (читать 2,5 минуты)
В повседневном мире события происходят в определенном порядке. Однако новые эксперименты с фотонами показывают, что иногда невозможно сказать, в каком порядке происходят два события, полностью уничтожая наше здравое понятие «до и после» и путая понятие причинности. Такое явление называется квантовый коммутатор (quantum switch) и может стать полезным новым инструментом в квантовых информационных технологиях. Казалось бы, только мы начали свыкаться с мыслью, что крошечная частица может быть в нескольких местах одновременно! Квантовый переключатель достигает чего-то подобного для двух событий: A и B, показывая, что A может произойти до того, как B и B могут возникнуть до A.
Нашумевший эксперимент был проведен в Брисбене (Австралия), где физики пропустили пучок фотонов через специально сконструированный интерферометер, в котором пучок может расходиться на два (правый и левый) и обратно сливаться в один. Фотон (он же свет) – одновременно частица и электромагнитная волна, а значит может быть поляризован горизонтально или вертикально. Установка была собрана таким образом, чтобы вертикально поляризованный фотон сначала выбирал левый путь, а затем, отступив назад и войдя в устройство через другой «порт», пойдет по правому пути. Горизонтально поляризованный фотон, напротив, сначала будет двигаться по правому пути, затем по левому.
Квантовая механика позволяет фотону быть одновременно поляризованным по двум направлениям (горизонтально+вертикально=диагонально поляризованный). Когда такой диагонально поляризованный фотон входит в аппарат, описываемая им волна расщепляется на вертикально поляризованную и горизонтально поляризованную части, и фотон одновременно проходит оба пути (правый и левый) до тех пор, пока волны снова сольются на выходе из устройства. Когда фотон повторяет свой путь, он снова проходит оба пути, при этом каждая из частей квантовой волны фотона принимает каждый путь только один раз. Таким образом, невозможно сказать, в каком порядке фотон пошел по тому или иному пути.
Проблема усложняется тем, что физики не могут просто вставить детекторы, которые покажут, где именно находится фотон (спасибо квантовой механике за это). Физики должны найти более мягкий способ пометить след, по которому фотон пошел по определенному пути.
Для этого ученые решили использовать тот факт, что в дополнение к поляризации каждый импульс света имеет форму или пространственное распределение. Экспериментаторы могут мягко изменять эту форму, помещая линзы и другие оптические элементы на каждом пути, чтобы манипулировать проходящим фотоном. В зависимости от того, как расположены эти оптические элементы, поляризация фотона может переходить от одного диагонального направления к другому, так как две его части (квантовые волны) рекомбинируют. Итак, что делают физики: они смотрят наличие корелляции между конкретным положением этих оптических элементов и полярицации фотона на выходе. Если каждая часть фотона действительно проходит сначала один путь а затем другой, то эта корреляция должна подчиняться какому-то закону. Если же обе части фотона одновременно проходят оба пути, корреляции не будет, что и наблюдалось в этом эксперименте (вот тут можно поразбираться в математике https://journals.aps.org/prl/accepted/c707aYdcD481706284939b075dfc347e2ff710b57).
В данном эксперименте, операции по двум путям были независимыми, однако, в принципе, квантовая механика позволяет предположить, что два процесса могут вызывать друг друга. Такой квантовый коммутатор может применяться для передачи информации, закодированной в квантовых состояниях отдельных фотонов и других квантовых частиц. Такие устройства должны пропускать частицы через квантовые каналы (оптические волокна), что позволит передавать информацию даже через очень «шумные» каналы. Это кр
Персонализированная медицина (читать 1,5 минуты)
Наше с вами тело – невероятно сложный механизм, где все процессы регулируются химическими реакциями. Когда какие-то реакции перестают протекать, либо протекают неправильно – мы болеем. В такие моменты мы принимаем медикаменты – химические вещества, способные откорректировать неправильную химическую реакцию, либо заменить ее. Однако, при приеме таблеток не исключены и побочные эффекты: вещество повлияет не только на нужную реакцию, но еще и на сотни других, и в некоторых случаях принесет больше вреда, чем пользы. Поэтому сейчас очень популярной стала тема адресной доставки лекарств и персонализированной медицины, чтобы максимально увеличить специфичность медикаментов. Тогда-то и появилась идея использовать РНК для такой персонализированной медицины.
В чем тут сок и что такое вообще эта РНК? Совсем на пальцах для тех, кто далек от медицины. У нас есть клетки, в клетках есть ядра, там есть хромосомы, в них хранится наша ДНК – генетическая информация (почти как у Кащея в зайце утка, в утке яйцо, в яйце игла😁😂 ). ДНК это набор цвеньев, которые работают как интрукция для того, чтобы производить белки в рибосомах. Но ДНК в ядре, а белки производятся в рибосомах, т.е. инструкцию надо доставить из ядра в рибосому. Для этого и нужна РНК. Информация, заложенная в ДНК копируется с помощью специального фермента, таким образом возникает молекула РНК, которая имеет несколько другой вид и поэтому может выйти из ядра и попасть в рибосомы. В реальности все несколько сложнее и есть много разных видов РНК, выполняющих разные функции в наших клетках, но самое главное, что РНК (как и ДНК) содержит генетическую информацию – инструкцию, по которой производятся белки.
Ранее мы уже затрагивали тему манипуляции генами с помощью коррекции ДНК. С таким же успехом можно корректировать РНК, в которой заложена мутация, и белки будут синтезироваться по исправленной инструкции, несмотря на то, что ДНК все еще содержит мутаген. Есть однако и другие более сложные варианты манипуляций с РНК, о которых я расскажу Вам в следующем посте. Всем доброго здоровья и отличного вечера!
😊
Наше с вами тело – невероятно сложный механизм, где все процессы регулируются химическими реакциями. Когда какие-то реакции перестают протекать, либо протекают неправильно – мы болеем. В такие моменты мы принимаем медикаменты – химические вещества, способные откорректировать неправильную химическую реакцию, либо заменить ее. Однако, при приеме таблеток не исключены и побочные эффекты: вещество повлияет не только на нужную реакцию, но еще и на сотни других, и в некоторых случаях принесет больше вреда, чем пользы. Поэтому сейчас очень популярной стала тема адресной доставки лекарств и персонализированной медицины, чтобы максимально увеличить специфичность медикаментов. Тогда-то и появилась идея использовать РНК для такой персонализированной медицины.
В чем тут сок и что такое вообще эта РНК? Совсем на пальцах для тех, кто далек от медицины. У нас есть клетки, в клетках есть ядра, там есть хромосомы, в них хранится наша ДНК – генетическая информация (почти как у Кащея в зайце утка, в утке яйцо, в яйце игла😁😂 ). ДНК это набор цвеньев, которые работают как интрукция для того, чтобы производить белки в рибосомах. Но ДНК в ядре, а белки производятся в рибосомах, т.е. инструкцию надо доставить из ядра в рибосому. Для этого и нужна РНК. Информация, заложенная в ДНК копируется с помощью специального фермента, таким образом возникает молекула РНК, которая имеет несколько другой вид и поэтому может выйти из ядра и попасть в рибосомы. В реальности все несколько сложнее и есть много разных видов РНК, выполняющих разные функции в наших клетках, но самое главное, что РНК (как и ДНК) содержит генетическую информацию – инструкцию, по которой производятся белки.
Ранее мы уже затрагивали тему манипуляции генами с помощью коррекции ДНК. С таким же успехом можно корректировать РНК, в которой заложена мутация, и белки будут синтезироваться по исправленной инструкции, несмотря на то, что ДНК все еще содержит мутаген. Есть однако и другие более сложные варианты манипуляций с РНК, о которых я расскажу Вам в следующем посте. Всем доброго здоровья и отличного вечера!
😊