Новости биологии и медицины

[kry]

Доказано, что жизнь могла возникнуть в результате химических реакций

Цитата:

Польские ученые создали компьютерную программу, которая выдает все варианты химических реакций между заданными веществами. Заложив в нее шесть простейших молекул, авторы уже среди продуктов третьего этапа взаимодействий получили первые аминокислоты и другие сложные биохимические соединения, составляющие основу жизни. Описание приведено в журнале Science.

Главный вопрос пребиотической химии всегда заключался в том, чтобы понять, какие химические реакции привели к возникновению жизни на Земле. Несмотря на то, что наука за последние годы значительно продвинулась в области органического синтеза, для понимания, как говорят химики, всего пребиотического ландшафта нужно учесть огромное количество повторяющихся химических реакций с последовательным образованием все более сложных продуктов.

Теперь это стало возможным с новой программой Allchemy, способной отображать пребиотический синтез сложных биохимических соединений из простейших предшественников.

В качестве примера авторы взяли шесть веществ-субстратов, которые гарантированно присутствовали на ранней Земле — воду $H_2O$, азот $N_2$, сероводород $H_2S$, метан $CH_4$, аммиак $NH_3$ и цианид $HCN$.

Для расчета реакций ученые использовали проверенные химические механизмы, реализуемые в тех условиях, которые существовали на Земле, когда на ней зарождалась жизнь.

Расчеты выполнили сначала для шести субстратов, взаимодействующих между собой, а затем последовательно — для каждого поколения их продуктов. Это позволило построить полную сеть возможных пребиотических химических реакций.

Моделирование показало, что на первом этапе синтеза из шести исходных соединений произошли десять новых, но все они были абиотические, то есть не имеющие отношения к живым системам. Однако уже на втором этапе появилась первая простейшая аминокислота — глицин.

На пятом этапе число синтезированных молекул достигло десяти тысяч. Большая часть этих новых веществ — абиотические, но есть среди них и сложные биотические молекулы, которые более гидрофильны, более термодинамически стабильны и более сбалансированы с точки зрения донорных и акцепторных водородных связей, а значит — синтезируются в более узком диапазоне условий.

Авторы отмечают, что программа не только выдала все известные биотические соединения, получаемые при синтезе заданных предшественников, но и показала ранее неизвестные маршруты пребиотического синтеза многих органических соединений — ацетальдегида, диглицина, яблочной, фумаровой, лимонной и мочевой кислот. Все эти маршруты исследователи подтвердили экспериментально.

Алгоритм позволил выявить даже целую реакционную систему, ранее неизвестную химикам — саморегенерирующийся цикл иминодиуксусной кислоты, а также определил три основных пути пребиотического синтеза: через возникновение соединений, которые на следующем этапе выполняют роль катализаторов; функциональные химические системы и циклы самовосстановления; и образование поверхностно-активных примитивных биомолекул.

Программа Allchemy находится в открытом доступе.

[Anton_Peplov]

К предыдущей новости приведу ссылку на оригинальную статью в Science и научно-популярный пересказ от Phys.org (у этого ресурса, насколько мне известно, довольно качественный контент). К сожалению, пресс-релиза на популярных агрегаторах не нашёл, и научно-популярный пересказ от самого Science тоже отсутствует (они иногда такое делают).

[Ende]

Выяснение отношений удалено.

[mtz]

kry в сообщении #1485190 писал(а):

Доказано, что жизнь могла возникнуть в результате химических реакций

А, собственно, какой другой вариант может быть?
Понятно что в основе химическая реакция в любом случае. Непонятно как карты удачно сложились для именно такой одной химической реакции, на фоне мириада других химических реакций бесполезных.

[arseniiv]

Аннотация на сайте журнала даёт понять, чем же ново и полезно то, что делали. Авторы прошерстили кучу работ по условиям синтеза разных интересных для возникновения жизни веществам и сгенерировали программой граф таких реакций, которые можно начать с шести достаточно простых веществ — и результат большей частью этот граф. В нём они нашли неожиданные цепочки реакций и кое-что из этих предсказаний перепроверили (можно понять зачем — несмотря на реализуемость отдельных шагов, они могут плохо соединяться в цепочку из-за больших отличий требований к соседним реакциям), и в частности проверили возникновение некоторых ПАВ.

[Anton_Peplov]

Расшифрована ДНК рекордного возраста [1]. Она извлечена из зубов трёх мамонтов, самому младшему из которых 700 тысяч лет, а самому древнему – 1,2 млн, и третьему тоже за миллион. Там сделаны выводы об эволюции мамонтов, но мне интереснее нащупывание границ метода.

Сохранилась эта ДНК, конечно, в вечной мерзлоте (в других условиях она разлагается куда быстрее). Есть надежда, что мерзлота может сохранять и более древнюю ДНК, вплоть до времени появления самой мерзлоты 2,6 млн лет назад.

До этого рекорд держала ДНК лошади возрастом 780–560 тысяч лет [2].

1. van der Valk, T., Pečnerová, P., Díez-del-Molino, D. et al. Million-year-old DNA sheds light on the genomic history of mammoths. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03224-9.
Релиз.

2. Orlando, L. et al. Recalibrating Equus evolution using the genome sequence of an early Middle Pleistocene horse. Nature 499, 74–78 (2013).

[Dan B-Yallay]

Цихлиды и скаты могут складывать и отнимать по единице в пределах от 1 до 5.

https://www.nature.com/articles/s41598-022-07552-2

[Anton_Peplov]

Обнаружена бактерия, у которой средняя клетка длиннее 9 мм и видна невооруженным глазом. Крупнейшие экземпляры достигали 2 см в длину. Бактерия нитевидная, но разные методы исследования показали, что ее нить – единая клетка.

Далее я пересказываю статью Jean-Marie Volland et al. A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles. Science 2022 Vol 376, Issue 6600 pp. 1453-1458 DOI: 10.1126/science.abb363 с вытащенными оттуда ссылками. Полный текст статьи есть на ResearchGate и в виде препринта на biorXiv.

У большинства бактерий и архей размер клеток порядка 1 мкм. Но как минимум в четырех типах бактерий развился гигантизм (Ionescu 2019). Клетки гигантских бактерий достигают десятков и даже сотен мкм. Так, средний размер Thiomargarita namibiensis 180 мкм, а некоторые исключительные экземпляры достигают 750 мкм (Schulz 1999, 2001, Angert 1993).

Новая гигантская бактерия относится к тому же роду Thiomargarita. Авторы предлагают назвать ее Thiomargarita magnifica.


Вообще, есть теоретические ограничения на размер прокариотической клетки.

1. В клетках прокариот нет системы, осуществляющей транспорт веществ, он происходит за счет диффузии, а в больших клетках это не эффективно (Ionescu 2019, Schulz 2001)

2. У большинства бактерий и многих архей АТФ синтезируется в мембране (или в прикрепленных к ней органеллах, я точно не понял). Это значит, что отношение площади мембраны к объему клетки должно быть достаточно большим. Поскольку природа не изобрела фрактальных бактерий, объем растет быстрее площади, что означает ограничение на объем.

3. Слишком большие клетки не могут размножаться делением пополам.

У известных гигантских бактерий есть особенности, противостоящие этим ограничениям. Так, все они полиплоидны и содержат от десятков до десятков тысяч копий своего генома, рассредоточенных по всей клетке (Ionescu 2019, Levin 2015, Angert 2012). Это делает ДНК доступной для всей клетки. Кроме того, значительная часть объема клетки приходится на вакуоль, в которой обмен веществ не нужен. С синтезом АТФ они тоже что-то придумали, но я не понял, что.

У Thiomargarita magnifica тоже огромная вакуоль: $\sim 70\%$ объема клетки. По полиплоидии она, похоже, рекордсмен среди всех организмов: на 1 мм длины клетки приходится $37000 \pm 8000$ копий генома. Синтез АТФ происходит во всей толще цитоплазмы, а не на мембране. Что касается размножения, похоже, от материнской клетки отпочковываются маленькие дочерние с несколькими экземплярами генома. Уже потом дочерняя клетка разрастается и копирует геном нужное количество раз. Авторы наблюдали «почки» на разных стадиях развития, которым, как они предполагают, предстоит стать дочерними клетками. Вместе с тем полный цикл размножения они не наблюдали. Он может быть продолжительным. У большинства бактерий время удвоения от минут до часов, но у бактериям рода Thiomargarita может требоваться до двух недель (Angert, 1993).

Интересно, что ДНК Thiomargarita magnifica располагается в органеллах, имеющих собственную мембрану, что не характерно для прокариот. Вообще, там еще разбираться и разбираться, как она устроена.


D. Ionescu, M. Bizic, “Giant bacteria,” in eLS (Wiley, 2019); https://doi.org/10.1002/9780470015902. a0020371.pub2.

H. N. Schulz, B. B. Jorgensen, Annu. Rev. Microbiol. 55, 105–137 (2001).

H. N. Schulz et al., Science 284, 493–495 (1999).

E. R. Angert, K. D. Clements, N. R. Pace, Nature 362, 239–241
(1993).

Jean-Marie Volland et al. A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles. Science 2022 Vol 376, Issue 6600 pp. 1453-1458 DOI: 10.1126/science.abb363

P. A. Levin, E. R. Angert, Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 7, a019216 (2015).

E. R. Angert, Annu. Rev. Microbiol. 66, 197–212 (2012).

[Anton_Peplov]

Способность живых нейронных сетей к обучению впервые продемонстрирована in vitro

По крайней мере, так утверждается в статье Kagan et al. “In vitro neurons learn and exhibit sentience when embodied in a simulated gameworld.” Neuron, 2022

Цитата:

The ability of neurons, especially in assemblies, to respond to external stimuli adaptively is well established in vivo as it forms the basis for all animal learning (Attinger et al., 2017). However, this work is the first to establish this fundamental behavior in vitro for a goal-directed behavior

Эксперимент проводился на нейронах человека и мыши. Биологи вырастили нейроны из стволовых клеток. Через электроды живая нейронная сеть была подключена к компьютеру. Машина играла с сетью в видеоигру Pong (теннис).

Авторы не просто продемонстрировали обучение живой нейросети в пробирке, хотя это важный прорыв в экспериментальных методах. Они проверяли конкретную теорию обучения: принцип свободной энергии. Насколько я понимаю, речь о том, что нейронная сеть обучается, чтобы получать предсказуемые стимулы и избегать непредсказуемых.

Цитата:

One proposition for how intelligent behavior may arise in an intelligent system embodied in an environment is the theory of active inference via the free energy principle (FEP) (Friston et al., 2012). The FEP suggests a testable implication that at every spatiotemporal scale, any self-organizing system separate from its environment seeks to minimize its variational free energy (VFE) (Friston, 2010; Palacios et al., 2020; Parr and Friston, 2019). The gap between the model predictions and observed sensations (“surprise” or “prediction error”) may be minimized in two ways: by optimizing probabilistic beliefs about the environment to make predictions more like sensations or by acting upon the environment to make sensations conform to its predictions. This model then implies a common objective function for action and perception that scores the fit between an internal model and the external environment. Under this theory, BNNs hold “beliefs” about the state of the world, where learning involves updating these beliefs to minimize their VFE or actively change the world to make it less surprising (Parr and Friston, 2018, Parr and Friston, 2019). If true, this implies that it should be possible to shape BNN behavior by simply presenting unpredictable feedback following “incorrect” behavior. Theoretically, BNNs should adopt actions that avoid the states that result in unpredictable input. By developing a system that allows for neural cultures to be embodied in a simulated game-world, we are not only able to test whether these cells are capable of engaging in goal-directed learning in a dynamic environment, but we are also able to investigate the foundations of intelligence.

Каждый раз, когда нейронная сеть попадала ракеткой по мячу, она получала один и тот же электрический стимул. А вот стимул, подаваемый в ответ на промах, был непредсказуемым. И да, этот алгоритм обучения сработал.