Новости

Группа ученых из Института имени Макса Планка объединила робототехнику с биологией, оснастив бактерии E. coli искусственными компонентами для создания биогибридных микророботов.     Сначала команда прикрепила к каждой бактерии несколько нанолипосом. Эти носители сферической формы заключают в себе материал, который плавится при освещении ближним инфракрасным светом, и также содержат водорастворимые молекулы химиотерапевтического препарата.    Другой компонент, который исследователи прикрепили к бактериям это магнитные наночастицы. При воздействии магнитного поля частицы оксида железа служат дополнительным стимулятором для этого и без того очень подвижного микроорганизма. Таким образом, легче контролировать перемещение бактерий - улучшенная конструкция для применения в естественных условиях. Связующим звеном между бактериями и магнитными частицами является очень стабильный и трудноразрушимый комплекс стрептавидина и биотина, который был разработан за несколько лет до этого и пригодился при конструировании биогибридных микророботов.    E. coli - быстрые и универсальные пловцы, способные перемещаться по различным материалам - от жидкостей до вязких тканей. Они также обладают высокоразвитыми сенсорными способностями. Бактерии притягиваются к химическим градиентам, таким как низкий уровень кислорода или высокая кислотность - и то, и другое преобладает в опухолевой ткани. Лечение рака путем введения бактерий в непосредственной близости от опухоли получило название бактериопосредованной терапии опухолей. Микроорганизмы попадают в место расположения опухоли, растут там и таким образом активизируют иммунную систему пациентов. Опосредованная бактериями терапия опухолей является терапевтическим подходом уже более века.    В последние несколько десятилетий ученые искали способы еще больше усилить суперспособности E. coli. Они оснащали бактерии дополнительными компонентами, помогающими вести борьбу. Однако добавление искусственных компонентов - задача не из легких. В ход идут сложные химические компоненты, но плотность частиц, загружаемых в бактерии, имеет значение, чтобы избежать их распада. Исследователи подняли планку довольно высоко - им удалось оснастить 86 из 100 бактерий как липосомами, так и магнитными частицами.    В модельном эксперименте с использованием искусственной 3D биологической матрицы ученые показали, что микророботы на основе E. coli, сохранили свою первоначальную подвижность и были способны перемещаться по биологическим матрицам и колонизировать опухолевые сфероиды под воздействием магнитного поля для высвобождения лекарственных молекул по требованию под воздействием ближнего инфракрасного излучения. Затем исследователи направили микророботов через вязкий коллагеновый гель (напоминающий опухолевую ткань) с тремя уровнями жесткости и пористости - от мягкого до среднего и жесткого. Чем жестче коллаген, чем плотнее паутина белковых нитей, тем сложнее бактериям найти путь через матрицу. Авторы показали, что при включении магнитного поля бактериям удается пройти весь путь до другого конца геля.    Как только микророботы накапливаются в нужной точке (опухолевом сфероиде), лазер ближнего инфракрасного диапазона генерирует лучи с температурой до 55 °C, запуская процесс плавления липосом и высвобождения заключенных в них медикаментов. Низкий уровень pH или кислая среда также вызывают разрушение нанолипосом - таким образом, препараты высвобождаются вблизи опухоли автоматически.    "Представьте, что мы вводим таких микророботов в тело ракового больного. С помощью магнитного поля мы могли бы точно направить частицы к опухоли. Когда достаточное количество микророботов окружит опухоль, мы направим на ткань лазер и тем самым запустим высвобождение лекарства. Теперь не только иммунная система пробуждается, но и дополнительные препараты помогают уничтожить опухоль", - говорит Биргюль Аколпоглу, первый автор статьи, опубликованной в журнале Science Advances 15 июля 2022 года. "Такая доставка на место будет минимально инвазивной для пациента, безболезненной, с минимальной токсичностью, а препараты будут оказывать свое действие там, где это необходимо, а не внутри всего организма", - добавляет она.    "Биогибридные микророботы на основе бактерий с медицинскими функциями могут в один прекрасный день более эффективно бороться с раком", - отмечает Аколпоглу. "Терапевтический эффект медицинских микророботов в поиске и уничтожении опухолевых клеток может быть существенным. Наша работа представляет собой многофункциональную микророботическую платформу для управляемой доставки терапевтических препаратов для различных медицинских применений".

Вызванные изменением климата колебания температуры, влажности или состава атмосферы могут оказать значительное влияние на структуру микробных сообществ и последующее воздействие на экосистемы, сельское хозяйство и здоровье человека.     Несмотря на их важную роль, микроорганизмы и участие микробиологов долгое время оставались без внимания в дискуссиях и публикациях о процессах изменения климата. "Это серьезная проблема, потому что значительные потоки веществ на нашей планете [осуществляются] микробами, и мы беспокоимся, что климатические модели и смягчение последствий изменения климата не могут быть эффективными, если не будет привлечена [и использована] микробиология", - говорит председатель совета директоров Американской академии микробиологии Артуро Касадевалл, профессор Школы общественного здравоохранения Джона Хопкинса Блумберга.   Пятилетнее научное портфолио Американской академии микробиологии "Изменение климата и микробы" направлено на позиционирование микробиологов как идейных лидеров, активно участвующих в обсуждении проблем изменения климата. "Цель [Академии] проста: сделать науки о микроорганизмах частью всех дискуссий об изменении климата", - заявил Касадевалл на симпозиуме кафедры Академии на ASM (American Society for Microbiology) Microbe.Включение микробиологических данных в модели изменения климата   Микробы в наземной, городской и водной среде потребляют и производят парниковые газы, которые способствуют изменению климата. Они могут служить источниками или поглотителями углерода, либо увеличивая, либо уменьшая поток глобальных выбросов. Включение микробных процессов в модели климата может помочь в прогнозировании ураганов, урожайности сельскохозяйственных культур и распространения заболеваний, передающихся через воду и переносчиков, под влиянием климата. Эти модели помогут работникам здравоохранения и политикам спланировать и наметить эффективные стратегии борьбы с угрозами изменения климата. "Микроорганизмы важны для понимания стабильности и функционирования экологических, инженерных и связанных с человеком экосистем", - говорит Джей Терренс Леннон, профессор биологии из Университета Индианы. Игнорирование микроорганизмов в условиях изменения климата увеличивает риски и ухудшает работу социальных, экономических и медицинских систем".   Ученые используют то, что известно о биогеохимических циклах, для построения прогностических моделей, которые дают представление о том, каким может быть долгосрочный эффект изменения климата при различных сценариях. Эти модели включают множество взаимодействующих переменных, таких как скорость фотосинтеза и дыхания, чаще всего в глобальном масштабе и в течение длительного периода времени. Хотя микроорганизмы играют ключевую роль в этих процессах (океанические микробы осуществляют большую часть фотосинтеза на Земле), пока трудно оценить влияние микробных процессов на крупномасштабные результаты.   Климатические модели значительно улучшились за последние несколько десятилетий, но большинство современных климатических моделей Земли по-прежнему имеют ограниченное представление о микробных процессах, которые влияют на круговорот углерода и азота в наземных и водных экосистемах. Ученые разных дисциплин не обладают всем необходимым для включения микробных исследований в инициативы по изменению климата и процессы восстановления, заключила Академия на коллоквиуме 2012 года, в котором приняли участие представители биогеохимии, гражданского строительства, экологической биологии, промышленности, морской биологии, политики и здравоохранения. По-прежнему существует потребность в научных исследованиях, инструментах и системах данных, изучающих динамику микробного круговорота питательных веществ и структуру сообществ в ответ на изменение климата, особенно тех, которые могут собирать и анализировать данные в режиме реального времени. Использование микробных данных, связанных с изменением климата, может помочь сделать прогнозы более точными за счет учета тонкостей контуров обратной связи. Изменение климата вызывает изменения в почвенных микробных сообществах. На бактерии, археи и грибковые гифы влияют изменения температуры, осадков, ураганов, почвенного органического углерода и парниковых газов, что приводит к изменениям в структуре сообществ, как показано на диаграмме изменениями цвета. Источник: Jansson & Hofmockel 2019.    Например, микроорганизмы определяют многие аспекты динамики углерода в почве, но поскольку их метаболические процессы зависят от вида, модели компенсации углерода должны учитывать микробный состав экосистемы. "Даже небольшое изменение в работе микробов может иметь большие последствия", - говорит профессор Университета Нью-Мексико Адриана Ромеро-Оливарес, которая изучает использование углерода различными видами грибов в процессе разложения. "Если они сократят производство CO2 даже на 10%, это может компенсировать наши выбросы. С другой стороны, если они удвоят свои выбросы, это может привести к катастрофе". Ромеро-Оливарес, член рабочей группы Академии по изменению климата, также сотрудничает с исследователями углерода, чтобы включить распределение грибов по признакам в более крупные и точные модели системы Земли.Участие в междисциплинарных обсуждениях изменения климата    Микробиологи могут и должны привнести свои уникальные взгляды в дискуссии об изменении климата с представителями промышленности, политиками и обществом, говорится в докладе коллоквиума Академии за 2022 год. Участвуя в таких междисциплинарных дискуссиях, микробиологи могут использовать свой опыт для систематической работы с экспертами других дисциплин с целью создания последовательных протоколов и экспериментальных методик для временных и пространственных факторов.   "Исторически сложилось так, что обучение микробиологов было сосредоточено на процессах и механизмах, которые можно изучать в лабораторных условиях", - отметил Леннон. "Сегодня микробиологов необходимо учить думать и решать проблемы в гораздо больших, даже глобальных масштабах". По его словам, новая рабочая группа Академии по вопросам изменения климата стремится устранить предполагаемый разрыв, обусловленный традициями, культурой, обучением и необходимостью более тесного общения.   Данные о микроорганизмах могут помочь в разработке планов и политики по смягчению последствий изменения климата, особенно если полученные результаты можно применить к конкретным сообществам. Ариан Перальта, доцент кафедры микробной экологии в Университете Восточной Каролины, работал с инженерами-экологами над улучшением планов по смягчению последствий изменения климата на заболоченных землях путем включения выбросов метана в проекты, изначально основанные только на компенсации выбросов углерода. Аналогичным образом, инженеры-строители и аналитики качества окружающей среды могут извлечь пользу из понимания того, как использовать и масштабировать микробные сообщества, которые могут предоставить ценные данные из обычного мониторинга.   Партнерство с исследователями в области гуманитарных, социальных и политических наук добавляет еще один уровень понимания. Перальта также сотрудничал с социологами и антропологами, чтобы изучить поведение фермеров и оценить, какие действия по смягчению последствий будут наиболее приняты, а значит, наиболее эффективны. Общение и сотрудничество между общественными лидерами и учеными может помочь учесть различные точки зрения и взгляды, необходимые для решения проблем.Микробиологи могут выступать в роли ученых, изучающих изменение климата   Ученые, занимающиеся вопросами изменения климата, не ограничиваются работой в какой-то конкретной области; однако микробиологи, занимающиеся смежными темами, обычно начинают разговор об изменении климата со скромной оговорки: "Я не климатолог". Глобальный климатический кризис требует от ученых освободиться от традиционных ярлыков, которые ограничивают их исследования рамками конкретной области. Дисциплинарный жаргон, несовместимые протоколы мониторинга и меры, а также конкурирующие исследовательские интересы создают препятствия для совместных действий. Эксперты могут обеспечить доступность своих исследований и возможность их трансляции для представителей других областей, участвуя в обсуждении на ранних этапах, чтобы выработать общий язык и определить потребности заинтересованных сторон.В докладах коллоквиума ASM содержатся некоторые рекомендации для исследовательского сообщества:- Оценить текущий сбор данных и разработать стратегию мониторинга/сбора данных, которая будет широко применима и доступна. Стремиться к разработке дизайна исследований и типов данных, которые позволяют сравнивать различные экосистемы и микробные сообщества, учитывая при этом местные факторы. - Применять подход "Единое здоровье" к изменению климата, который включает научные, социальные, экономические и физиологические факторы при обсуждении научных фактов.- Содействовать и участвовать в сотрудничестве и междисциплинарном обучении, которые связывают микробиологию и науки о жизни с нормативно-правовым регулированием, рыночной средой и промышленными специалистами. Способствовать увеличению разнообразия среди практикующих ученых и поощрять справедливый обмен идеями и знаниями между учеными.- Использовать ресурсы научных обществ, торговых ассоциаций, а также федеральные и государственные ресурсы для содействия диалогу и взаимоотношениям между фундаментальными учеными, финансирующими агентствами и промышленными специалистами для установления более прямых связей между научными исследованиями и потребностями рынка.