sobota, září 24, 2005

DNA kreslí fraktály

Na základě několika mála základních vlastností DNA mohou povstat samoorganizací (např. při obyčejným smísení ve zkumavce) složité prostorové uspořádání: ať už jen útvary např. tvaru X nebo dvojrozměrné vzory a to dokonce v podobě obrázku fraktálu:)



(Molekuly DNA jsou tvořeny vlákny, ty se skládají ze 4 druhů bází(adenin, cytosin, guanin, thymin) za sebe navázaných do lineárního řetězce. Tyto báze, začleněné do vláken, mají dále tu vlastnost(jde vlastně o jejich tvar), že adenin se přednostně páruje(váže, ovšem slabými nekovalentními vazbami) s thyminen a guanin upřednostňuje cytosine. Toto uspořádání se vyskytuje v naprosté většině případů- natolik je jednoznačně energeticky výhodné. Dvě takováto vlákna se k sobě snadno naváží, jsou-li jejich báze komplementární po celé jejich délce a vzniká tak dvoušroubovice DNA

Dvě molekuly dvouvláknové DNA se mohou k sobě dále vázat pomocí tzv. lepivých konců(sticky end): pokud se obě vlákna v dvojvláknu svou délkou nepřekrývají, tedy na koncích nejsou spárována, mohou se tyto konce párovat s konci jiných vláken a tak tvořit větší i nelineární seskupení.)

Kříž respektive X
Není obtížné navrhnout 4 úseky DNA(pořadí jejich bází) tak, aby se samy po smíšení uspořádaly v 4ramenný kříž(viz obrázek níže-a). Stačí aby 2. polovina prvního úseku(jeho bází) byla komplementární s 1. polovinou druhého úseku. 2. polovina druhého úseku komplementární s 1. polovinou třetího úseku, 2. polovina třetího úseku komplementární s 1. polovinou čtvrtého úseku a konečně 2. polovina čtvrtého úseku byla komplementární s 1. polovinou prvního úseku- a kříž je uzavřen(dále je potřeba aby byly komplementární právě jen tyto kombinace úseků DNA, aby nedocházelo k jiným uspořádáním). Bylo ale zjištěno že tento kříž ve skutečnosti(při obyčejných fyziologických podmínkách) zaujímá spíše tvar X a úhel mezi jeho rameny není vždy stejný, ale liší se v docela širokém rozmezí hodnot.

A je nemožné poskládat velkou strukturu s jednoznačně předpověditelným tvarem ze stavebních kamenů, které jsou samy tak trochu neodhadnutelné. K překlenutí tohoto problému byly vytvořeny určité „správně“ se chovající struktury(strukturní motivy)- prvně objevené je například dvojité překřížení(double crossover-DX) a trojité překřížení(triple crossover-TX).


[double crossover na obrázku jako (c) a tripple crossover jako (d)]

V takovýchto strukturách leží dvě nebo tři DNA dvojvlákna vedle sebe a jsou spojeny dalšími DNA vlákny tak, aby se nemohly navzájem zkroutit: viz obrázek(c, d). Tyto a mnohé další útvary, navržené tak aby byly stabilní a udržovaly si svůj tvar(rigidní) jsou již vhodné pro studování samoorganizace.

2D krystaly
Jsou to jednovrstevné(proto dvojrozměrné – jejich výška je zanedbatelná oproti jejich ploše) mnohomolekulární útvary složené z periodicky se opakujících strukturních motivů. První 2D DNA krystaly byly složené z „dvojitě překříženého“(DX) motivu. Každý DX motiv obsahoval 4 lepivé konce(nespárované úseky DNA vlákna). Ty se spojují svými 4 konci s konci 4 dalších motivů a to tak, že každý motiv se spojí jen jedním koncem s jedním okolním motivem(viz obrázek). Takto se tedy DNA uspořádaná do DX motivů pravidelně samoorganizuje.


Algoritmické 2D krystaly
Uspořádáním „trojitě překřížených“(TX) motivů vzniká také krystal, ten ovšem nevykazuje stejnou jednoduchou pravidelnost jako předešlý typ krystalu(složený z DX). Co tedy znamená to „algoritimické“? I samosestavování předešlého krystalu se řídilo nějakým algoritmem(předpisem) ale ne tak rafinovaným jako následující typ krystalu, takže mu tuhle vlastnost výzkumníci zdůraznili i v jeho pojmenování.

V roztoku jsou dva typy TX motivů: jeden označen číslem „0“ a druhý označen „1“ . (tyto dva motivy se navzájem liší sekvencemi svých lepivých nespárovaných konců). Dle obrázku jsou motivy v hotovém krystalu uspořádané do řad a každý motiv je reprezentován číslem: jedničkou nebo nulou. Řekněme, že první řada(samé nuly, uprostřed jednička) je daná předem(třeba sestavena výzkumníky ručně, molekulu po molekule)a představuje v podstatě vstup(zadání).


Jak se projevují rozdíly ve struktuře „0“ oproti struktuře „1“?
Ta struktura(motiv), která je označená nulou, se uchytí jen na takové místo v řadě, kde má v řadě pod sebou dvě navzájem stejné struktury: takže dvě „nuly“ nebo dvě „jedničky“. A „jednička“ se uchytí jen na takové místo, kde má pod sebou rozdílné čísla: tedy napravo „jedničku“ a nalevo „nulu“ nebo naopak.

Takže: pokud jsou na vstupu(v jedné vrstvě vedle sebe) dvě jedničky nebo dvě nuly je výstup nula! To v praxi v znamená, že do další vrstvy se z roztoku naváže „nula“ a krystal dle těchto pravidel dále narůstá.

Ale je ten rozdíl struktury „jednička“ a struktury „nula“ podivné definován, jen co je pravda, nebo ne?;)

XOR
Možná se vám zdálo, že to stejně má nějakou logiku. Má. Je to logická operace XOR. (když jsou na vstupu dvě jedničky nebo dvě nuly, výsledkem je nula. Když jsou na vstupu opačné hodnoty(1 a 0) výsledkem je jedna, jedničku je možno si nahradit hodnotou „pravda(true)“ a nulu jako „nepravda(false)“ , např v počítači jsou také součástky-hradla, které provádí úplně stejný „výpočet“: logické operace, vstupům v podobě jedniček a nul přiřazuje výstupy v podobě jedničky nebo nuly). A jedničky a nuly jsou opravdu reprezentace těch počítačových jedniček a nul: jednotek informace. Šipky ve schématu uspořádání tak představují směr toku informace.


Vzniká Fraktál
Pokud si tedy představíme, že třeba strukturní motivy DNA reprezentované nulou jsou černé a ty motivy reprezentované jedničkou jsou bílé, objeví se na dvojrozměrném krystalu obrázek:obrázek fraktálu!


(fraktál co nejednodušeji: je soběpodobný – jakkoliv fraktál zvětšujeme a pozorujeme ve větším měřítku, pozorujeme stále opakující se určitý charakteristický tvar(oproti třeba oblázku, kdy po jeho dostatečném zvětšení ztrácí veškerou svojí „oblost“ a je vidět krystalická struktura minerálu, ze kterého se skládá a při ještě dalším zvětšení atomy etc). Fraktál má dále na první pohled velmi složitý tvar, ale je vytvořen opakovaným použitím jednoduchých pravidel.)

Sierpinského trojúhelník
Typ fraktálu, který je dvěma strukturními motivy DNA nakreslen, se jmenuje Sierpinského trojúhelník-opakující se motiv je trojúhelník(viz obrázek). O takovém krystalu není možno říct ani že je pravidelný(jako klasický krystal například křemene) nebo náhodný(jako struktura skla).


(zde si můžete vyzkoušet prohlédnout sierpinského trojúhelník s nekonečným zvětšením, budete-li dost trpěliví;))


Počítá, ale počítač to není
Určitý výpočetní výkon to rozhodně je, ale stejně jako u DNA počítače, ani v tomto případě asi nepovede aplikace k nahrazení univerzálních počítačů(žádný supervýkonný DNA počítač v každé kanceláři…spíše nikde). Takže princip DNA počítačů je možno využít například při diagnóze rakoviny a stejně tak se i tento „algoritmický“ způsob samoorganizace DNA vláken uplatní spíše například v materiálovém inženýrství. V současnosti vyráběné materiály nanotechnologickými postupy mají poměrně jednoduchou mikrostrukturu, takto by mohly dostat mnohem zajímavější, fraktální vzhled.


(stejným principem jako Sierpinského trojúhelník je vytvořena i Kochova vločka )

Zdroje: PloS Biology:

Algorithmic self-assembly of DNA sierpinski triangles
The Emergence of Complexity: Lessons from DNA
Using Biology to Create Complex Patterns

čtvrtek, září 22, 2005

Fotky digitálním foťákem + mikroskopem svépomocí

Zkoušel jsem udělat nějaké cool fotky s použitím lup: znáte to - obličej s lupou před okem atd. Od větších lup s menším zvětšením jsem postupoval ke stále menším lupám ovšem s mohutnějším zvětšením až skončil u drobné entomologické lupy(12x). A její průzor nebyl o moc širší než u plastového mikroskopu z Ukrajiny, který jsem kdysi dostal pod stromeček(pro pozorování hmyzáků byl skvělý a jeho 60násobné zvětšení úplně stačilo). Takže jsem se vykašlal na lupy a přešel na mikroskop. Nečekaně digitál Nikon Coolpix(3x optický zoom, 5MPx) zvládal zaostřit(po vychytání nastavení a hlavně osvětlení, s tím nastavením to nebylo zas tak složité - jen makro a zazoomovat tak 2 až 2,5 krát aby se mikroskopem snímaný kruh roztáhl do větší šířky displeje/fotky) po přiložení objektivu k tubusu mikroskopu(které k sobě rozměry skvěle padly- že by standardizace?;)). Osvětloval jsem zvenku lampičkou s 20 watovou zářivkou a to dvěma způsoby: u neprůhledných objektů hlavně z vrchu, u průhledných objektů klasicky průsvitem skrz onen objekt zespodu(na následujících fotkách ale žádný takový opravdu průhledný objekt není, ovšem zespodu je nasvícena končetina potápníka). V popiscích obrázků je uvedeno zvětšení 200x, což je odhad: 60ti násobné zvětšení mikroskopem krát téměř 3násobné zvětšení foťákem a navíc výsledná fotka byla v rozlišení 2592x1944(a z ní byl udělán výřez, takže zdroj dalšího zvětšení při zobrazování na monitoru).

Jestli je to alespoň zhruba správně jsem zkontroloval porovnáním skutečné velikosti oka svižníka(méně než 1mm:odhad 0,7mm) s velikostí na fotce(cca 12 cm,po resize na zhruba třetinu originální velikosti): dle tohohle tedy zoom 170x…různé fotky ale měly různě upravené rozlišení, těch 200 by tedy mělo být objektivní, ne jen machrování;)

Nafoceno je pár kousků z moji staré sbírky brouků a zelný lístek květu slunečnice.

Na dalších fotkách jsou krystalky olova: to jsem olověné potrubí(dříve běžně používané, kvůli toxicitě-ovšem nijak velké, bylo rušeno…ale spíše se už nedávalo do nových budov, vytlačené levnějším plastovým potrubím) dal do octa, nechal pár týdnů reagovat až se všechen ocet volně vypařil(no prostě nechal v garáži a zapomněl tu sklenici sledovat;)), pak zalil další dávkou octa a výsledný roztok(octanu olovnatého) nalil do zkumavky se zinkovým plíškem(ten pro změnu vykuchaný z monočlánku). Plíšek rychle narůstal do objemu tvořícími se krystaly olova.

_____________________________________________










Pb + CH3COOH => (CH3COO)2Pb
(CH3COO)2Pb + Zn => Pb + (CH3COO)2Zn






Úplně jiné nanotrubky - buněčné spoje

Během vývoje spolu buňky musí komunikovat, aby sestavily dohromady správný orgán, funkční tkáň. Navzájem komunikují nejrůznějšími způsoby: ve vnějším prostředí rozpustnými látkami(hormony, neurotransmitery atd) nebo tvorbou mezibuněčných spojení umožňující přímou výměnu regulačních látek. A právě tunelová nanotrubka(Tunneling NanoTubes-TNT) patří k jednomu z nově nalezených typů mezibuněčného spoje.


(zkratka TNTs vyjadřuje i náchylnost- snadnou trhavost těchto spojů při mechanických a chemických podnětech a dokonce i při dlouhodobějším osvětlení)


U jednoho typu krysích buněk byla pozorována ultratenká trubička o průměru 50 až 200 nanometrů a o délce několika buněčných průměrů, která vytváří přímý kontakt mezi propojenými buňkami.Tato trubička je tvořena aktinem ovšem neobsahuje mikrotubuly.

TNTs byly následně pozorovány také v lidských embryonálních ledvinových buňkách a obyčejných krysích ledvinových buňkách, což dokázalo že nejde o nějakou zvláštnost vyskytující se jen u původně zkoumaného typu krysích buněk.

Aby byly zjištěny podrobnosti komunikace skrz TNTs, výzkumníci „obarvili“ dvě skupiny buněk, jednu klasicky barvivy a druhou začleněním genu pro fluorescenci do jejich genomu.Tyto dvě populace byly poté smíchány, společně kultivovány a následně bylo zkoumáno, do jaké míry se mezi buňkami spojenými TNTs promíchaly barvivem označené organely a zeleně fluoreskující bílkoviny.

Překvapivě, molekuly rozpuštěné v cytoplasmě neprocházely skrz TNTs(aktin, zeleně fluorescentně označený, byl jediná výjimka), zatímco bílkoviny vázané na buněčnou membránu byly podél TNTs transportovány. Skrz TNT jsou tedy vlastně spojeny cytoplasmatické membrány obou buněk a tvoří jednu souvislou membránu.


Účinkem látky, která způsobuje polymeraci aktinu, TNTs mizely nebo transport skrz ně přestával fungovat- to ukazuje že aktin je skutečně nezbytný jak pro tvorbu TNTs tak i pro následný transport pomocí něj.

Zajímavý je také vznik TNTs: buďto vyrůstají trubičky z jedné buňky a poté co se jedna z nich napojí(o tom, jestli může z jedné buňky vycházet více než jedna TNT případně kolik maximálně či průměrně bohužel nebyla zmínka) ostatní degenerují, ale ještě snadněji dochází ke sloučení membrán dvou trubiček které se „potkají“.

Vhodná metoda dalšího výzkumu je odstranění TNT spoje(nějakou úpravou aktiniového cytoskeletu buňky, co nejšetrněji ovšem) a následně se bude pozorovat, do jaké míry toto ovlivnilo vývoj tkáně.

Pro zpřehlednění a lepší popis sítě ustanovené pomocí TNTs mezi buňkami by mohly snad posloužit i agarové biočipy: agarové destičky se zahloubeným systémem komůrek a kanálku tyto komůrky propojujících.

Zdroje:
PLoS Biology: Nanotubes make big science


neděle, září 18, 2005

Molekulární motory 2- trochu jiná verze


(navazuji na předchozí článek. Vysvětlování funkce molekulárního motoru na tomto typu by bylo méně názorné než na předchozím minimalistickém motoru. Ale jsou zde další obrázky, které jsou snad o něco přehlednější a názornější, takže by měly pomoci i k pochopení základního principu)

Dva kroužky společně navlečené na jednom kruhu
Tento molekulární motor je tvořen catenanem, který se skládá z dvou menších kroužků nevlečených na větším kruhu, který má 4 vazebná místa, přičemž na těchto místech jsou kroužky drženy vodíkovými můstky.

Po ozáření celé této soustavy kroužků světlem o různých vlnových délkách dojde k malé změně prostorového uspořádání určitých vazebných míst (chemická reakce vyvolaná zářením, která vede k prostorovému přeskupení, v tomto případě jde o cis-trans izomeraci), dík které jsou přerušeny vodíkové vazby. To umožní kroužkům posunout se po kruhu, ovšem správně řízeným ozařováním se kroužky navzájem blokují tak, aby jejich výsledný pohyb byl jen v jednom směru a opisovaly tak kruh, na kterém jsou navlečeny.


Podrobněji, prosím;)
V první fázi jsou modrý i fialový kroužek vázány vodíkovými můstky na svých místech A respektive B. Vlivem ozáření dlouhovlnným ultrafialovým světlem(v obrázku jako proces 1) se tvar molekuly A změní na A`(A s čarou) a vodíkové můstky mezi A´ a modrým kroužkem poleví. Modrý kroužek je tedy volný: ovšem může se pohnout jen proti směru hodinových ručiček, protože opačný směr je blokován stále pevně uchyceným fialovým kroužkem(světlo použité v tomto prvním kroku nevyvolávalo změnu na místu B, tudíž fialový kroužek se neuvolnil). Poté co tedy modrý kroužek doputuje na místo C, je zde opět přichycen vodíkovými můstky(teoreticky se mohl již uchytit na D, vazebná místa catenanu mají nejspíše odstupňovanou afinitu ke kroužkům, takže rotace probíhá směrem, jak ukazuje obrázek a nejde žádnou alternativní cestou).

Další proces(2) je vyvolán pro změnu krátkovlnným ultrafialovým světlem: vazné místo B změní svůj tvar na B´ a vazby mezi fialovým kroužkem a B´ se přetrhají. Tento fialový kroužek se tedy pohybuje jediným možným směrem(druhý je blokován pevně přichyceným modrým kroužkem), na vazebném místu A´ se přichytit nemůže(to má stále změněný tvar po prvním ozáření) a tak doputuje až k místu D, kde je zachycen vodíkovými můstky.

Po ozáření obyčejným bílým světlem(3) se tvar vazebného místa A´ změní zpět na A a B´ změní na B(takže takový restart tvaru vazebných míst). Modrý i fialový kroužek jsou teď na svých místech prohozené!

( při tomto procesu je pravděpodobně podstatné, že místa A a B lákají kroužky více než C a D, jinak by oba kroužky(u velkého podílu molekulárních motorů v roztoku) setrvaly i po ozáření bílým světlem na svých místech C a D a motor by "zamrzl").

K dokončení celé obrátky je již jen třeba procesy 1 až 3 zopakovat. (trajektorie rotace kroužků v průběhu jednoho cyklu: viz obrázek)


Princip je stejný jako u motoru v předešlém článku:
Opět se usměrňuje náhodný brownův pohyb kroužků po obvodu velkého kruhu. V tomto případě ovšem úlohu bariér nezastávají chemické skupiny navázané na velký kruh nýbrž samotné kroužky. Samotným zdrojem energie pro pohon motoru je opět světlo a následná změna tvaru vazebných míst A a B.



Zdroje:
Unidirectional rotation in a mechanically interlocked molecular rotor:
verze popularizační a full article(pdf)



sobota, září 17, 2005

Molekulární motory

Na první pohled se živočichové hodně liší od strojů: nejsou patrné žádné pevné mechanické části po vzoru obyčejných přístrojů, vše je tvořeno plynulými přechody (tedy trochu jako srovnání masivního řetězu a niti, která se již ani nejeví jako složená z dílů ale jako jediný díl), ale při bližším pohledu na úrovni buněk a makromolekul narazíme na množství molekulárních motorů: stroječků, které se značně podobají námi běžně vyráběným makroskopickým pohyblivým mechanismům- tato podobnost není jen zdánlivá(dána naši snahou přirovnat molekuly k něčemu běžnému, za cenu zkreslení). Molekulární motory stojí za mnoha základními biochemickými procesy: Cis-trans izomerace retinalu po ozaření světlem(podstata vzniku zrakového podnětu), dále rotační motory:enzym ATPasa, který produkuje a skladuje energii v buňkách, svaly(které jsou zdrojem makroskopického pohybu na základě pohybu molekul aktinu a myosinu vůči sobě).

Stavění motorů na molekulární úrovni však není zcela intuitivní: fyzika makroskopického světa se přece jen značně liší: například ozubené kola, písty atd. se nepohybují dokud k tomu nejsou přinuceny silou. Zatímco molekuly a jejich části se neustále(při teplotě vyšší než absolutní nula: -273°C) pohybují Brownovým pohybem.

Kontrolování a usměrnění tohoto Brownova pohybu je klíč k tomu, jak vyvinout mechanické molekulární stroje.


Minimalistický design

Funkci a vůbec design motoru si předvedeme na co nejjednodušším modelu. Použijeme k tomu zajímavou molekulu: catenan (katenan) - ta je tvořena malým kroužkem (cyklem) navlíknutým na velký kruh. Tuto molekulu ve dvou krocích modifikujeme a dospějeme až k funkčnímu motoru.

(-dost doporučuji sledovat průběžně obrázky,názvy jednotlivých skupin nejsou příliš důležité: tedy alespoň ne, když ani neuvádím konkrétní reakce jejich odstranění a opětovného navázání etc. Uvažoval jsem o použití označení "červená skupina" , "modré vazebné místo" a tak podobně, snad nakonec uvedené názvy neodrazují nebo nematou)


A:
Části molekuly musí vykazovat brownův pohyb. U nemodifikovaného symetrického catenanu jsou na velkém kruhu dvě identické vazebné místa: sukcinamid. Kroužek je vázán k tomuto místu slabými vodíkovými vazbami, a již za teplot vyšších než -273°C se vodíkové můstky přerušují a kroužek se od jednoho vazebného místa odtrhává a přecestovává na druhé. Takto malý kroužek brownovým pohybem náhodně cestuje podél velkého kruhu,navléknutý na něm. Toto ovšem není motor- rotace je náhodná, není možno ji vybrat nebo ovlivňovat takže neexistuje žádný výsledný směr, spíš se malý kroužek jen neužitečně pocukává po i proti směru hodinových ručiček.

B:
V prvním kroku modifikace použijeme tzv. asymetrické kinetické bariéry: na catenan přiděláme červenou trityl etherovou skupinu a fialovou silylovou skupinu: tak aby horní vazebné místo bylo těmito asymetrickými(na každé straně jinými) bariérami chráněno. Předpokládejme že tedy v roztoku této chemikálie jsou všechny kroužky umístěné na spodním nemodifikovaném vazebném místě. Po odstranění silylové skupiny se ustaví v roztoku rovnováha tak, že u 50% molekul se malý kroužek pohne po směru hodinových ručiček na horní vazebné místo. Poté znovu navážeme silylovou skupinu. Tak jsme tedy získali usměrněný pohyb o 180°, jenže motor to stále není!


Není možno totiž dosáhnout opakovaného pohybu v jednom směru: Další krok by mělo být odstranění trityl etherové skupiny aby se tak dokončila otáčka. Po odstranění této skupiny se opravdu(v rámci zachování rovnováhy v roztoku) 50% kroužků na horním vazebném místu(25% celkového počtu) přesune po směru hodinových ručiček o dalších 180° na dolní vazebné místo a tak dokončí 360° otáčku. Jenže samozřejmě i 50% kroužků na dolním vazebném místě se posune proti směru hodinových ručiček na horní vazebné místo- ve výsledku opět žádný přesun malého kroužku.

C:
Catenan upravíme navíc ještě tak, že modifikujeme jedno z vazebných míst(tvořených sukcinamidem) a tak získáme fumaramid: zelené vazebné místo. Navléknutý kroužek má značně vyšší afinitu(přitažlivost) k fumaramidu než k sukcinamidu. To znamená že i bez bariér v podobě červené a fialové skupiny by stejně kroužek strávil většinu času právě na tomto vazebném místě. Ale toto vazebné místo má další vlastnost: po ozáření světlem konkrétní vlnové délky(254 nm) se změní jeho tvar na maleinamid a takto změněné vazebné místo má afinitu ke kroužku naopak nižší než nemodifikovaný sukcinamid(a důležité je, že tato změna je vratná, takže například po zahřátí na více než 100°C nebo použití určitého katalyzátoru se maleinamid zpět přesmýkne na sukcinamid). Motor je na světě, a takto vypadá

Jedna jeho otáčka:

Všechny kroužky jsou v základním stavu na fumaramid, jelikož ten je pro ně "atraktivnější". Po ozáření se tento změní na svůj cis-izomer maleinamid, po odstranění jedné z bariér(trityl ether nebo silyl- v tomto kroku se vlastně rozhoduje kterým směrem bude motor rotovat) se všechny kroužky nahrnou z maleinamidu na atraktivnější sukcinamid. Znovu navážeme bariérovou skupinu. Všechny kroužky vykonaly rotaci o 180° a jsou uvězněny na horním vazebném místě, z obou stran obklopeném bariérami. Nyní zahřejeme celý roztok a tak nazpět převedeme maleinamid na fumaramid. Odstraníme druhou z bariér a všechny kroužky se opět nahrnou na fumaramid s obnovenou vyšší afinitou a tak dokončí rotaci o 360° ocitnutím se na svém výchozím místě.

Aplikace pro tento molekulární motor je třeba teprve nalézt, nicméně není těžké si jej představit například jako rumpál pro navíjení molekulárních řetězců(např. polymerů), a tak ovlivňovat délku tohoto řetězce.

Zdroje:

Unidirectional rotation in a mechanically interlocked molecular rotor
A reversible synthetic rotary molecular motor

-výzkum David A. Leigha a jeho skupiny z University of Edinburgh, který na sebe nedávno upozornil další aplikací molekulárních motorů a to po vzoru svalů: převedení pohybu vykonaného molekulárními motory do makroskopického měřítka: konkrétně posunování kapek derivátu uhlovodíku po povrchu tvořeném molekulárními motory.

pátek, září 16, 2005

Výroba upraveného viru z dílů-pro lepší přehlednost


Bakteriofág T7(vir infikující bakterie Escherichia coli) byl rozsáhle zkoumán déle než 50 let a i přesto mnoho funkčních detailů zůstávalo neznámých. Detailní modelování samotného infekčního procesu u „divokého“ typu bakteriofága se příliš nedařilo a následky změn geonomu při laboratorních pozorováních i detailních počítačových simulacích byly nepředvídatelné. Těmito neúspěchy motivování, Chan a kolegové dokázali zápis geonomu upravit: zpřehlednit, zjednodušit(na úkor vypuštění jistých úseků DNA, jejichž funkce není známa) a syntetizovat zcela uměle redesignovaného bakteriofága a u takto vyrobené životaschopné verze i otestovat i její vlastnosti při interakci s bakterií E. coli.

Stavebnice

Je doslova složen z dílů: asi 70 víceméně nezávislých úseků DNA. Tyto je možno snadno nahradit jinými úseky a pozorovat změny ke kterým u bakteriofága došlo. Po vzoru označení verzí softwaru jej pojmenovali T7.1.

Jednotlivé úseky byly navrženy tak, aby se každý podílel na nějaké jediné konkrétní funkci- to znamená tak aby mohlo být s jednotlivými částmi manipulováno nezávisle na ostatních a také samozřejmě aby dávaly dohromady životaschopného bakteriofága..

Koncept „stavebnice“ je výhodný svou jednoduchostí. Takovouto stavebnici bude možno upravovat obměnou jejich jednotlivých dílů a stále bude vznikat životaschopný bakteriofág, pokaždé s jinými vlastnostmi- tedy snadno studovatelný model.

Ve skutečnosti je bakteriofág T7.1 tvořen jen 30% genomu původního bakteriofágu- ten byl úmyslně „racionalizován“ aby se tak usnadnily budoucí modifikace.Na počátku tohoto procesu nebylo jisté, kolik změn genom bakteriofága snese- byly provedeny stovky změn a pozorováno, jestli je bakteriofág s tímto geonomem stále ještě „funkční“ – takto bylo také určeno minimální nezbytná délka geonomu.

(z celkového počtu 39 937 párů bází původního bakteriofága bylo ponecháno 11 515 a ty pozměněny a doplněny na 12 179 párů bází bakteriofága T7.1 )

(zjednodušení vedlo například k předvídatelnějšímu chování bakteriofága)

Po rychlém čtení nastupuje i rychlé psaní

Konstruování geonomu je možné dík prudkému zdokonalení technologie syntézy dlouhých řetězců DNA. Samotná rychlost sekvenování(čtení) DNA je značně v náskoku před syntézou DNA.To koreluje i s cenou: přečtení jedné báze stálo v roce 2003 méně než 0,05$ zatímco syntéza jedné báze(v rámci krátkého úseku bází) 0,3$ a v rámci dlouhého úseku(například celého genu) asi 5$.(viz graf)

Ovšem extrapolací trendu nárůstu produktivity(tedy kolik bází je jeden výzkumník schopen s za pracovní den přečíst případně/syntetizovat) lze dojít k zhruba 1010 sekvenovaných případně syntetizovaných bází na výzkumníka a den. Porovnejme to třeba s 3x109 bází lidského genomu…S rostoucí produktivitou klesá i cena za jednu bázi, ovšem zdá se že klesá pomaleji-tudíž pokrok by mohl být trochu zabrzděn oproti výše uvedenému odhadu. Ale syntéza DNA pravděpodobně nebude již dále brzdícím faktorem při „výrobě“ nových mikroorganismů- nepochybně se ale objeví nové problémy: v podstatě celé tělo bakteriofága je jen jeho DNA, ovšem buňky jsou již mnohem složitější.


V příštích několika letech se dá předpokládat designování a následná syntéza genomů menších bakterií.


Zdroje:

Refactoring bacteriophag T7

Engineering novel life

The pace of proliferating of biological technologies(pdf)

čtvrtek, září 08, 2005

Agarový "biočip" pro pozorování srdečních svalových buněk(a neuronů)

Srdeční svalové buňky(srdeční myocyty) se smršťují –„tepají“ všechny synchronně, se stejnou frekvencí. Výsledkem je tepání celého svalu-srdce.Ovšem v obyčejných tkáňových kulturách bylo obtížné studovat, jak je tento soulad vytvořen na základě komunikace mezi jednotlivými buňkami, protože ty tvoří nepřehlednou síť, na které se nedají vztahy na úrovni jednotlivých buněk jednoznačně určovat. K pochopení vzniku této synchronie(a jejímu vzniku v závislosti na počtu komunikujících buněk) pomohlo jen 9 srdečních myocytů umístěných na „mikročipu“ v biologickém slova smyslu: tedy agarové destičce, ve které byly zahloubeny komůrky a kanálky které tyto komůrky spojovaly.

Uspořádání pokusu

Do čtvercové sítě 3 krát 3 izolovaných komůrek bylo umístěno 9 krysích myocytů.Samostatná svalová buňka nepulsovala v pravidelných intervalech nýbrž s výchylkami(fluktuacemi) frekvence tepání asi 50%. Ovšem po propojení dvou komůrek s různě tepajícími myocyty se jejich frekvence nejen synchronizovaly ale i zmenšily nepravidelnosti ve svých kmitech. Takže nakonec celková síť ve které byly zapojeno všech 9 myocytů kmitala synchronně a s fluktuací pouze 10%, což je hodnota vyskytující se i v klasických tkáňových kulturách,které obsahují mnohem více buněk.

Propojování komůrek


Komůrky obsahující po jednom myocytu byly postupně v průběhu experimentu propojovány 2 μm širokými kanálky vypálenými infračerveným laserem do agarové destička(vlnová délka světla laseru byla zvolena tak, aby nebylo pohlcováno ani vodou ani agarem ale až chromem tvořícím podklad: výsledkem byl mikrokanálek nacházející se těsně u tohoto chromového podkladu ).

Sladění

Po propojení dvou komůrek(a v nich obsažených buněk tedy) kanálky docházelo postupně k synchronizaci jejich tepání až za 90 minut dosáhla tato synchronizace svého maxima(b)-myocyty vykazovaly mnohem stabilnější frekvenci tepání než oba předchozí nepropojené(a). Tak byly stále další buňky zapojovány do sítě, až k maximální stabilitě při zapojení všech 9 komůrek(c).


Zajímavý je také průběh synchronizace: pokud se propojí dva původně samostatné myocyty, tak jeden z nich přestane na chvíli tepat a osvojí si frekvenci druhého myocytu(B,C:video1). Pokud se ovšem spojí dvě skupiny synchronizovaných buněk(ovšem tyto skupiny jsou vzájemně asynchronní) sladí se bez zastavení(D,E:video2)


Velkou výhodou tohoto čipového uspořádání pokusu je, že dokáže od sebe oddělit dva typy interakcí: pomocí mezibuněčných tzv. mezerových spojů(gap junctions)-ty umožňují přímé metabolické i elektrické spojení buněk stejného typu-ke komunikaci tedy nejsou nutné žádné speciální signální látky(v tomto pokusu tedy myocyty komunikovaly právě tímto způsobem) a přímým mechanickým kontaktem.

Skupina takovýchto synchronizovaných buněk se chová jako pacemaker: dokáže stabilizovat frekvenci tepů i větší, asynchronní skupiny srdečních buněk.

(pacemaker=udávač tempa:srdce má přirozeně takovýto pacemaker, který přijímá signály z mozku,na jejichž základě upravuje rytmus bití srdce(při fyzické námaze etc) a poté udává tempo celému srdečnímu stavu, nebo také voperované zařízení, které provádí totéž, je-li přirozený pacemaker nefunkční)


[Stejné uspořádání pokusu by bylo možno použít i při pozorování aktivit neuronů-v tomto případě slouží laserem vypálené rýhy jako cestičky pro růst axonů(výběžků neuronů) a vytvoření tak zcela ovlivnitelné axony pospojované sítě neuronů.]



Zdroje: A novel method of cultivating cardiac myocytes in agarose microchamber chips for studying cell synchronization

Stability of beating frequency in cardiac myocytes by their community effect measured by agarose microchamber chips


Modification of neuronal network direction using stepwise photo-termal etching of an agarose architecture

úterý, září 06, 2005

Směrodatný odhad obětí Černobylské havárie?

Nový odhad celkového počtu obětí exploze a následné radiace při havárii Černobylské jaderné elektrárny je: 4000. Dalších 4000 dětí(dle některých zdrojů 40 000,což je asi nesmysl), které byly vystaveny radioaktivnímu izotopu jódu-131(o poločasu rozpadu jen 8 dní) v mléce, trpí rakovinou štítné žlázy, na kontaminovaném území o ploše cca 200 000 km2 .Celkové množství uvolněné radioaktivity bylo 14 exabequerelů (14 x 1018 bequerelů).


Předchozí odhady počtu úmrtí, se pohybovaly mezi 50(pracovníci podílející se na odstranění zamoření přímo v areálu jaderné elektrárny, bezprostředně po výbuchu) a stovkami tisíc po celé Evropě-v závislosti na kritériích ale také na záměrech a přesvědčení těch,kteří předkládali ony odhady.


Ovšem dle nejnovější studie OSN se skutečný počet obětí pohybuje kolem 3940-z celkového počtu 586 000 nejvíce zasažených: 200 000 lidí podílejících se na odstraňování škod, 116 000 evakuovaných z okolí elektrárny a 270 000 obyvatel nejzamořenějších oblastí(nejzamořenější oblasti ne úplně odpovídají jejich vzdálenosti od samotné elektrárny: dík směru větru, typu terénu atd. jsou mnohé oblasti blízko elektrárny méně kontaminované než ty vzdálenější). Další následky na zdraví lidí vystavených radiací samozřejmě způsobil celkový stres.

Údajně by na přirozenou rakovinu stejně zemřelo(a zemře) 25% zasažených, zatímco podíl rakoviny způsobené radiací z havárie na celkovém počtu pozorovaných rakovinných onemocnění jsou jen 3%.Jeden z vědců prohlásil, že tato čísla se budou většině lidí zdát příliš nízká.

[25% mi připadalo příliš mnoho, ale opravdu: 27% úmrtí mužů a 23% úmrtí žen je celosvětově způsobeno rakovinou. Avšak: nejspíše byly tyto 3% brány z celkové populace, kdyby se posuzovalo zastoupení rakoviny způsobené(pravděpodobně) ozářením u mladších lidí, nejspíš by to bylo o mnohem víc než 3%. V roce 1950 připadlo na rakovinu 15% respektive 16 % úmrtí-úmrtnost na rakovinu se takto zvedla mimojité i proto, že v současnosti se mnoho lidí dožívá ještě vyššího věku a umírají(bez šance na vyléčení již celkově věkem poškozeného těla) velmi často právě na rakovinu]


Za nemalou část případů rakoviny štítné žlázy je pravděpodobně zodpovědná zvýšená intenzita prováděných radiologických vyšetření( používá se také jód-131,zjišťuje se správná funkce štítné žlázy, která velmi účinně shromažďuje přijímaný jód), jenž následovaly po havárii jako snaha monitorovat následky u obyvatel. Tyto dvě příčiny rakoviny štítné žlázy je možno jednoduše rozlišit, jelikož rakovina způsobená radioaktivním jódem působícím v dětství ve štítné žláze se projeví zhruba po 10 letech, ovšem vzrůst dětské rakoviny štítné žlázy byl pozorován již rok po havárii(1987).Při takovýchto plošných vyšetřeních mohou statistiky zkreslovat také časté nálezy nezhoubných(benigních) drobných nádorů, které by se nemusely vůbec projevit.


Bývalý vědec WHO (World Health Organisation) zabývající se radiací prohlásil: Při utváření obsahu samotné studie mohla mít značný vliv IAEA (International Atomic Energy Agency), která propaguje jadernou energetiku. Na to odvětil bývalý vědec IAEA zabývající se radiací: Černobyl[ v ústech oponentů jaderné energetiky] posunul vývoj jaderné energetiky o desetiletí nazpět a tato studie pomůže ukázat jeho skutečný dopad.

dodatky:
Vyznamenání pro účástníky na odstraňování následků nehody Černobylské jaderné elektrárny->


hlavní zdroj: newscientist.com