Клетки – фундаментальные единицы жизни, составляющие разнообразие всех живых существ на Земле, как отдельных клеток, так и многоклеточных организмов. Чтобы лучше понять, как клетки выполняют важнейшие функции жизни, учёные начали разрабатывать синтетические клетки – неживые фрагменты клеточной биохимии, заключённые в мембрану, которая имитирует определённые биологические процессы.
Исследователи разрабатывают «основополагающий документ» по разработке синтетических клеток. Разработка синтетических клеток может однажды дать ответы на вопросы разработки новых способов борьбы с болезнями, поддержки длительных космических полетов человека и лучшего понимания происхождения жизни на Земле.
В статье опубликованной в журнале ACS Synthetic Biology в начале 2024 года, исследователи описывают потенциальные возможности, которые может открыть разработка синтетических клеток, и задачи, которые предстоит решить в рамках этого новаторского исследования. Они также представляют план действий, который вдохновит и направит инновации в этой интересной области.
«Потенциал этой области невероятен», — сказала Линн Ротшильд, ведущий автор статьи и астробиолог из Исследовательского центра Эймса НАСА в Кремниевой долине, Калифорния. «Для нас большая честь возглавлять эту группу и разрабатывать то, что, как мы считаем, станет основополагающим документом, ресурсом, который подтолкнёт развитие этой области».
Разработка синтетических клеток может принести человечеству множество преимуществ. Анализ тонкостей, связанных с созданием клетки, может помочь исследователям лучше понять, как изначально эволюционировали клетки, или открыть путь к созданию новых форм жизни, более устойчивых к суровым условиям, таким как радиация или низкие температуры.
Разработка синтетических клеток может привести исследователей к новым достижениям в области пищевых наук и медицины, а также к лучшему пониманию происхождения жизни на Земле. NIH/Rhoda Baer
Эти инновации также могут привести к прогрессу в области пищевых наук и медицины — повышению эффективности производства продуктов питания, обнаружению загрязняющих веществ в процессе производства или разработке новых клеточных функций, которые станут новыми методами лечения хронических заболеваний и даже трансплантации синтетических органов, сообщает пресс-служба НАСА.
Создание синтетических клеток также может дать ответ на некоторые из самых важных вопросов о возможности существования жизни за пределами Земли.
«Проблема создания синтетических клеток позволяет понять, одиноки ли мы во Вселенной, — сказал Ротшильд. — Мы начинаем развивать навыки, позволяющие не только создавать синтетические аналоги жизни, которая могла бы существовать на Земле, но и рассматривать пути к жизни, которые могли бы сформироваться на других планетах».
По мере того как исследования в области разработки синтетических клеток продолжаются, Ротшильд видит возможности, которые могли бы расширить понимание сложности естественной жизни.
«Жизнь — удивительная штука. Мы постоянно используем возможности клеток: строим дома из дерева, используем кожу для производства обуви, дышим кислородом. Жизнь поразительно точна, и если её обуздать, то невероятно, чего мы могли бы достичь».
Ученые построили работающую клетку человеческого мозга из соли и воды. Ученые давно имитируют человеческие синапсы, используя обычные твердые материалы, но новое исследование пытается воссоздать их, используя чрезвычайно простые ингредиенты: воду и соль.
Воссоздав человеческие синапсы с использованием той же среды, что и наш биологический мозг, устройства, известные как ионтронные мемристоры, могут имитировать краткосрочную пластичность, обнаруженную в нашем мозге.
Хотя нейроморфные (похожие на мозг) вычисления находятся на начальной стадии развития, многомиллионные проекты, пытающиеся скопировать неврологические способности мозга, показывают, что водный мемристор может открыть новый уровень вычислительной мощности и эффективности.
С тех пор, как ENIAC в 1940-х годах впервые вывел на экраны свои единицы и нули, компьютеры совершили поразительный технологический скачок. Менее чем за столетие компьютеры, когда-то занимавшие целые комнаты, стали несравненно быстрее, эффективнее и даже могут быть надеты на лицо (по какой-то причине). Хотя этот колоссальный прогресс, достигнутый почти за одну человеческую жизнь, является поразительным инженерным достижением, он не идёт ни в какое сравнение с миллиардами лет непрерывной эволюции, которая привела к появлению одного из самых впечатляющих вычислительных устройств: человеческого мозга.
Конечно, подражание природе — хорошо известная стратегия в таких областях, как материаловедение, медицина и даже сельское хозяйство. Так не может ли копирование человеческого мозга привести к прорыву в области искусственных вычислений? Короткий ответ — «да», а развернутый — «очень да».
Ученые из Утрехтского университета (Нидерланды), исследуя зарождающуюся область ионтронных нейроморфных вычислений, успешно создали искусственное устройство, имитирующее синапсы человеческого мозга. Устройство, диаметром всего 150–200 микрометров (толщина человеческого волоса составляет около 100 микрометров), использует соль и воду для обработки сложной информации, подобно нашему мозгу. Подробности создания этого первого в своем роде устройства были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) в апреле 2024 года.
«Хотя искусственные синапсы, способные обрабатывать сложную информацию, уже существуют на основе твёрдых материалов, мы впервые показали, что этого можно добиться и с помощью воды и соли», — заявил в пресс-релизе докторант Утрехтского университета и ведущий автор исследования Тим Камсма. «Мы эффективно воспроизводим поведение нейронов, используя систему, которая использует ту же среду, что и мозг».
TEK IMAGE/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Getty Images
Разработанное южнокорейскими учёными устройство, известное как ионтронный мемристор (резистор памяти), имеет форму конуса и заполнено раствором воды и соли. При подаче на устройство электрического импульса ионы перемещаются по каналу, изменяя окружающую ионную среду. Если импульс особенно сильный или продолжительный, проводимость канала изменяется, что приводит к усилению или ослаблению нейронных связей.
Учёные также обнаружили, что длина канала влияет на время, необходимое для исчезновения изменений. По словам Камсмы, это означает, что ионтронные мемристоры можно настроить так, чтобы они запоминали предыдущие электрические заряды, «по аналогии с синаптическими механизмами, наблюдаемыми в нашем мозге».
Смотрите также... Немного о кошках: история одомашнивания и интересные факты о поведении домашних питомцев |
Австралийский суперкомпьютер DeepSouth, призван стать первой машиной, имитирующей синапсы человеческого мозга. Хотя эти исследования сосредоточены на традиционных твёрдых материалах, работа Камсмы показывает, что водный мемристор может лучше подходить для воспроизведения кратковременной синаптической пластичности нашего мозга.
«Это важный шаг к созданию компьютеров, способных не только имитировать коммуникационные модели человеческого мозга, но и использовать ту же среду», — сказал Камсма. «Возможно, это в конечном итоге проложит путь к созданию вычислительных систем, которые будут более точно воспроизводить выдающиеся возможности человеческого мозга».
ИИ приближает учёных к картированию организованного хаоса в наших клетках. По мере того, как искусственный интеллект проникает в различные сферы нашего общества, он стремительно проникает и в другие. Одна из областей, где он вносит большой вклад, — это наука о белках.
Речь идёт о молекулах, обеспечивающих работу наших клеток. ИИ продвинул эту область вперёд, предсказав, как выглядят эти молекулярные машины, что подсказывает учёным, как они выполняют свою работу — от переработки нашей пищи до превращения света в сахар.
Внутренняя часть клетки представляет собой сложную систему взаимодействий между молекулами. Кит Чемберс/Научная фотобиблиотека
Учёные из Google DeepMind вывели свою модель предсказания белков на новый уровень, выпустив AlphaFold3. Это программа на основе искусственного интеллекта, способная предсказывать уникальную форму белков, а также практически любых других типов молекул, к которым белок присоединяется для своего функционирования.
Продюсер Берли Маккой беседует с ведущей Эмили Квонг о потенциальном влиянии и ограничениях этой новой технологии. Кроме того, они обсуждают более широкую область исследований белков искусственного интеллекта и то, почему исследователи надеются, что она поможет решить целый ряд проблем — от болезней до изменения климата.
В настоящее время некоторые лабораторные модели объединяют два или более мозговых органоида, формируя «ассемблоид», способный имитировать межклеточные взаимодействия между различными областями мозга.
В связи с этим группа исследователей заявила, что в данной области необходимо заблаговременно рассмотреть новые этические и нормативные рамки, если сознательные органоиды станут реальностью.
Учёные обычно считают, что мозговые органоиды — трёхмерные скопления тканей, имитирующие некоторые структуры мозга — слишком просты для поддержания сознания. Но по мере того, как мозговые органоиды становятся всё более сложными, существует теоретическая вероятность того, что некоторые из них когда-нибудь смогут преодолеть этот порог.
Органоиды мозга, созданные до сих пор, обычно представляют только одну его часть. Они используются для изучения развития мозга, его заболеваний и побочных эффектов лекарств, не требуя участия животных или человеческого мозга.
Смотрите также... HTML, CSS-шпаргалка с примерами - тег IMG, figure и picture. Адаптирование, форматирование, эффекты Полный список обработчиков событий HTML / Javascript с примерами |
