Память в клетках: новое открытие о хранении информации в организме

Удивительное открытие учёных из Нью-Йоркского университета (NYU), которые выяснили, что память может храниться не только в клетках мозга, но и в других клетках человеческого тела. Эта находка, опубликованная в журнале Nature Communications, открывает новые перспективы в понимании памяти и механизмов её работы. Более того, она может повлиять на методы обучения и лечения заболеваний, связанных с нарушениями памяти.

Обычно память и обучение ассоциируются исключительно с клетками мозга. Считается, что именно нейроны мозга формируют и хранят воспоминания за счёт передачи сигналов посредством нейромедиаторов, а также благодаря образованию и укреплению синапсов — соединений между нервными клетками. Однако исследование команды Николая Кукушкина из NYU показало, что другие клетки человеческого тела, такие как клетки почек и нервные клетки (не нейроны), могут также участвовать в процессах запоминания.

Чтобы понять, могут ли другие клетки участвовать в запоминании, учёные использовали принцип, известный как эффект распределённого обучения (massed-spaced effect). Этот эффект давно известен в психологии и предполагает, что информация усваивается лучше, если изучается с интервалами, а не в виде интенсивной «зубрежки». При помощи данного эффекта учёные разработали эксперименты, позволившие моделировать процесс запоминания на клеточном уровне.

В лаборатории исследователи подвергали клетки разным химическим сигналам, имитирующим импульсы, которые нейроны получают при обучении. В частности, клетки обрабатывали различными моделями импульсов, повторяющихся с определёнными интервалами. Это было сделано для того, чтобы оценить, как клетки реагируют на циклические сигналы, которые можно сравнить с нейронными процессами запоминания в мозге.

Обнаружено, что при воздействии таких химических сигналов в клетках, не связанных с мозгом, активировался "ген памяти" — ген, использующийся в нейронах при распознавании и запоминании информации. Чтобы наблюдать за этим процессом, исследователи модифицировали клетки таким образом, что при активации гена памяти он начинали светиться благодаря выделению флуоресцентного белка. Это позволило отслеживать активность гена и лучше понимать, как клетки реагируют на повторяющиеся сигналы.

Результаты показали, что, когда химические сигналы подавались с определёнными паузами, «ген памяти» активировался более интенсивно и сохранялся в активном состоянии дольше, чем при непрерывном воздействии. Этот эффект полностью соответствует тому, что происходит в нейронах мозга при использовании принципа распределённого обучения. Таким образом, учёные пришли к выводу, что способность к обучению и памяти может быть фундаментальным свойством не только мозга, но и всех клеток человеческого организма.

Исследование команды из NYU имеет значительные последствия для науки и медицины. Оно открывает новые горизонты для изучения памяти на клеточном уровне, что может привести к разработке новых методик улучшения процессов обучения, а также методов лечения заболеваний, связанных с памятью. Например, понимание того, что клетки поджелудочной железы могут «запоминать» закономерности приёмов пищи, может быть полезно для контроля уровня глюкозы в крови. Кроме того, знание о «памяти» раковых клеток относительно моделей химиотерапии может позволить более эффективно планировать лечение онкологических заболеваний.

По словам Кукушкина, результаты исследования предполагают, что организм человека может рассматриваться как целостная система, где каждая клетка способна хранить определённую информацию. Это открытие не только помогает переосмыслить традиционные представления о памяти, но и расширяет возможности для междисциплинарных исследований, которые могут привести к новым открытиям в областях нейробиологии, медицины и клеточной биологии.

Источник ✍️
Интересное в науке 🧪

Разрушено 100-летнее правило органической химии
Фундаментальный закон гласит, что двойная связь не может находиться в мостиковом положении в малых кольцевых системах, поскольку такое расположение вызывает чрезмерное напряжение в молекуле, делая её крайне нестабильной.

Правило Бредта стало основой органической химии ещё в 1924 году и было широко принято в академических кругах. Основная идея заключалась в том, что молекулы, обладающие специфическим типом структуры – двойным кольцом с общей частью атомов – не могут иметь двойную связь в мостиковом положении, потому что такое соединение будет слишком напряжённым. Например, в малых кольцевых системах двойная связь не может расположиться в нужной плоскости из-за неудобных угловых искажений, и подобная молекула просто не сможет существовать без разрушения. Это похоже на попытку согнуть прямую палку в круг: существует предел, при котором палка просто сломается.

Это правило помогало химикам прогнозировать поведение органических молекул и формировало их подходы к исследованиям и синтезу новых веществ, особенно тех, которые известны как олефины – соединения с двойной связью между атомами углерода.

Тем не менее, команда профессора Нила Гарга из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA) решила проверить границы применимости правила Бредта. Вместо того чтобы просто следовать устоявшимся научным представлениям, они поставили перед собой цель доказать, что так называемые анти-Бредтовые олефины (ABOs), нарушающие данное правило, могут быть созданы и даже использоваться в практике.

Гарг и его коллеги применили изящный метод, включающий обработку определённых молекул с помощью химических агентов, которые способствуют образованию таких нестабильных ABO. В процессе реакции они добавляли другое химическое вещество, чтобы "захватить" ABO на короткое время до его распада. Это позволило им изучить эти молекулы и даже применить их для создания новых соединений.

Анти-Бредтовые олефины – это соединения, которые буквально бросают вызов правилу Бредта, демонстрируя двойную связь в том самом мостиковом положении, где, по догмату, её не должно быть. Такие соединения нестабильны из-за значительного напряжения, но, тем не менее, существуют, что само по себе является прорывом в понимании поведения молекул под высоким напряжением. Это открытие также даёт ценную информацию о свойствах и возможностях применения таких молекул в органическом синтезе и науке о материалах.

Исследования Гарга и его команды не просто оспаривают догматическое правило, но и открывают двери к новым возможностям в создании лекарств. Как отмечает Гарг, фармацевтическая промышленность стремится к разработке реакций, приводящих к трёхмерным структурам, подобным ABO, поскольку они могут быть полезны для создания новых медицинских препаратов. Вдобавок к этому, создание таких уникальных молекулярных структур открывает ранее закрытые области для исследования соединений, которые могут обладать неожиданными свойствами.

Гарг подчёркивает, что в науке важно избегать жёстких догм, поскольку это ограничивает креативность и затрудняет поиск новых решений. По его мнению, правила должны восприниматься как ориентиры, а не как абсолютные ограничения. Данное исследование является призывом к научному сообществу пересмотреть подход к устоявшимся законам и постоянно проверять их применимость.

Это открытие несёт в себе вдохновение для будущих химиков и исследователей: если можно опровергнуть столетнее правило, возможно, и другие «невозможные» задачи также поддаются решению. Гарг верит, что, расширяя инструментарий, которым располагают учёные, его команда заложила основу для значительных достижений, в частности в области медицины.

В заключение статьи отмечается, что работа команды Гарга может привести к пересмотру химических учебников, в которых правило Бредта использовалось десятилетиями. Этот случай является напоминанием о том, что наука находится в постоянном развитии, и то, что сегодня считается невозможным, завтра может стать научным достижением.

Источник ✍️
Интересное в науке 🧪

Революционный биоэлектронный гель делает живые ткани и технологии ближе

Создан биоэлектронный гидрогель, способный соединять живую ткань с электронными устройствами. Данная инновация была разработана в лаборатории профессора Сихонга Вана в Университете Чикаго и опубликована в журнале Science.

Целью исследования было преодоление ограничения, с которым сталкивались ученые и инженеры, разрабатывающие биоэлектронные устройства. Для успешного соединения с живыми тканями идеальный материал должен быть мягким, эластичным и обладать высокими проводящими свойствами. Однако большинство современных полупроводниковых материалов не отвечают этим требованиям, так как они жесткие, хрупкие и плохо растворимы в воде, что затрудняет их использование для медицинских имплантатов.

Группа Сихонга Вана предложила уникальный подход, объединив свойства гидрогелей (мягкость и эластичность) с полупроводниковыми функциями, что позволило создать биоэлектронный гидрогель, способный к эффективной передаче электрических сигналов между тканью и электронными устройствами.
Ключевые характеристики:

1. Механическая гибкость: Гидрогель имеет модуль упругости 81 кПа, что делает его столь же мягким, как и живая ткань. Это позволяет гидрогелю взаимодействовать с тканями, не повреждая их.
2. Высокая растяжимость: Гидрогель может растягиваться до 150% от своей начальной длины, что позволяет ему адаптироваться к растяжениям и сокращениям тканей.
3. Проводимость: Материал имеет способность переносить заряд (1.4 см²/В*с), что делает его идеальным для передачи электронных сигналов в живую ткань.

Эти качества делают гидрогель отличным материалом для биоэлектронных интерфейсов, особенно для имплантируемых медицинских устройств, которые должны быть совместимыми с мягкой тканью организма.

Новый гидрогель имеет большое количество потенциальных применений, включая имплантируемые устройства, такие как кардиостимуляторы и биосенсоры, а также неинвазивные устройства для улучшения мониторинга здоровья. Его мягкость и гибкость означают, что он может соединяться с тканью без значительного риска воспаления и других иммунных реакций, часто возникающих при использовании традиционных имплантируемых устройств.

Области применения

- Кардиостимуляторы: Гидрогель может улучшить контакт между устройством и сердечной тканью, улучшая эффективность работы кардиостимуляторов.

- Биосенсоры: Благодаря высокой проницаемости и проводимости гидрогель может использоваться для создания сенсоров, которые будут более чувствительны к изменениям биологических маркеров, что поможет отслеживать состояние пациентов.

- Повязки для ран: Гидрогель может эффективно распределять лечебные вещества и создавать контролируемую среду для заживления.

Обычные гидрогели создаются растворением вещества в воде и последующим добавлением гелеобразующих химических веществ. Однако полупроводниковые материалы, такие как кремний, не растворяются в воде, что затрудняет их использование в создании гидрогелей.

Исследователи нашли решение этой проблемы с помощью метода обмена растворителя. В процессе они растворяли полупроводник в органическом растворителе, совместимом с водой, и готовили органогель. Затем материал погружали в воду, чтобы заменить органический растворитель на воду, и тем самым превращали его в стабильный и проводящий гидрогель.

Преимущества новой технологии

1. Биосовместимость: Поскольку гидрогель состоит в основном из воды, он обладает высокой совместимостью с тканями, что снижает риск воспаления.
2. Повышенная чувствительность: Пористая структура материала увеличивает объемный контакт с биомаркерами, что повышает чувствительность устройств.
3. Фотореактивность: Гидрогель улучшает фотомодуляционные свойства, что делает его полезным для устройств, которые работают на основе света, таких как светоуправляемые кардиостимуляторы.

Новый биоэлектронный гидрогель представляет собой шаг вперед в области медицинских технологий, открывая возможности для создания биосовместимых, имплантируемых устройств, способных надежно работать с живыми тканями.

Источник ✍️
Интересное в науке 🧪