Research highlights

Персонализированная медицина (читать 1,5 минуты)
Наше с вами тело – невероятно сложный механизм, где все процессы регулируются химическими реакциями. Когда какие-то реакции перестают протекать, либо протекают неправильно – мы болеем. В такие моменты мы принимаем медикаменты – химические вещества, способные откорректировать неправильную химическую реакцию, либо заменить ее. Однако, при приеме таблеток не исключены и побочные эффекты: вещество повлияет не только на нужную реакцию, но еще и на сотни других, и в некоторых случаях принесет больше вреда, чем пользы. Поэтому сейчас очень популярной стала тема адресной доставки лекарств и персонализированной медицины, чтобы максимально увеличить специфичность медикаментов. Тогда-то и появилась идея использовать РНК для такой персонализированной медицины.
В чем тут сок и что такое вообще эта РНК? Совсем на пальцах для тех, кто далек от медицины. У нас есть клетки, в клетках есть ядра, там есть хромосомы, в них хранится наша ДНК – генетическая информация (почти как у Кащея в зайце утка, в утке яйцо, в яйце игла😁😂 ). ДНК это набор цвеньев, которые работают как интрукция для того, чтобы производить белки в рибосомах. Но ДНК в ядре, а белки производятся в рибосомах, т.е. инструкцию надо доставить из ядра в рибосому. Для этого и нужна РНК. Информация, заложенная в ДНК копируется с помощью специального фермента, таким образом возникает молекула РНК, которая имеет несколько другой вид и поэтому может выйти из ядра и попасть в рибосомы. В реальности все несколько сложнее и есть много разных видов РНК, выполняющих разные функции в наших клетках, но самое главное, что РНК (как и ДНК) содержит генетическую информацию – инструкцию, по которой производятся белки.
Ранее мы уже затрагивали тему манипуляции генами с помощью коррекции ДНК. С таким же успехом можно корректировать РНК, в которой заложена мутация, и белки будут синтезироваться по исправленной инструкции, несмотря на то, что ДНК все еще содержит мутаген. Есть однако и другие более сложные варианты манипуляций с РНК, о которых я расскажу Вам в следующем посте. Всем доброго здоровья и отличного вечера!
😊

Всем привет! Я снова с Вами и за это время ценность новостей из мира науки и технологии заметно возрасла, так как новости вам теперь вещает доктор естествознания 😎 🎓
Сегодняшний пост будет посвящен квантовой механике, поэтому приготовьтесь потренировать мозг

Итак, квантовый эксперимент курица-яйцо (читать 2,5 минуты)

В повседневном мире события происходят в определенном порядке. Однако новые эксперименты с фотонами показывают, что иногда невозможно сказать, в каком порядке происходят два события, полностью уничтожая наше здравое понятие «до и после» и путая понятие причинности. Такое явление называется квантовый коммутатор (quantum switch) и может стать полезным новым инструментом в квантовых информационных технологиях. Казалось бы, только мы начали свыкаться с мыслью, что крошечная частица может быть в нескольких местах одновременно! Квантовый переключатель достигает чего-то подобного для двух событий: A и B, показывая, что A может произойти до того, как B и B могут возникнуть до A.
Нашумевший эксперимент был проведен в Брисбене (Австралия), где физики пропустили пучок фотонов через специально сконструированный интерферометер, в котором пучок может расходиться на два (правый и левый) и обратно сливаться в один. Фотон (он же свет) – одновременно частица и электромагнитная волна, а значит может быть поляризован горизонтально или вертикально. Установка была собрана таким образом, чтобы вертикально поляризованный фотон сначала выбирал левый путь, а затем, отступив назад и войдя в устройство через другой «порт», пойдет по правому пути. Горизонтально поляризованный фотон, напротив, сначала будет двигаться по правому пути, затем по левому.
Квантовая механика позволяет фотону быть одновременно поляризованным по двум направлениям (горизонтально+вертикально=диагонально поляризованный). Когда такой диагонально поляризованный фотон входит в аппарат, описываемая им волна расщепляется на вертикально поляризованную и горизонтально поляризованную части, и фотон одновременно проходит оба пути (правый и левый) до тех пор, пока волны снова сольются на выходе из устройства. Когда фотон повторяет свой путь, он снова проходит оба пути, при этом каждая из частей квантовой волны фотона принимает каждый путь только один раз. Таким образом, невозможно сказать, в каком порядке фотон пошел по тому или иному пути.
Проблема усложняется тем, что физики не могут просто вставить детекторы, которые покажут, где именно находится фотон (спасибо квантовой механике за это). Физики должны найти более мягкий способ пометить след, по которому фотон пошел по определенному пути.
Для этого ученые решили использовать тот факт, что в дополнение к поляризации каждый импульс света имеет форму или пространственное распределение. Экспериментаторы могут мягко изменять эту форму, помещая линзы и другие оптические элементы на каждом пути, чтобы манипулировать проходящим фотоном. В зависимости от того, как расположены эти оптические элементы, поляризация фотона может переходить от одного диагонального направления к другому, так как две его части (квантовые волны) рекомбинируют. Итак, что делают физики: они смотрят наличие корелляции между конкретным положением этих оптических элементов и полярицации фотона на выходе. Если каждая часть фотона действительно проходит сначала один путь а затем другой, то эта корреляция должна подчиняться какому-то закону. Если же обе части фотона одновременно проходят оба пути, корреляции не будет, что и наблюдалось в этом эксперименте (вот тут можно поразбираться в математике https://journals.aps.org/prl/accepted/c707aYdcD481706284939b075dfc347e2ff710b57).
В данном эксперименте, операции по двум путям были независимыми, однако, в принципе, квантовая механика позволяет предположить, что два процесса могут вызывать друг друга. Такой квантовый коммутатор может применяться для передачи информации, закодированной в квантовых состояниях отдельных фотонов и других квантовых частиц. Такие устройства должны пропускать частицы через квантовые каналы (оптические волокна), что позволит передавать информацию даже через очень «шумные» каналы. Это кр

уто!

Квантовые компьютеры для современной химии (читать 1,5 минуты)
Всем привет! После небольших каникул, этот канал возобновляет свою работу. Сегодня мое внимание привлекла статья группы немецких химиков из Аахена, которые предлагают использовать квантовые компьютеры для определения механизма реакции. Ссылка на статью вот тут: http://www.pnas.org/content/114/29/7555
Механизм химической реакции это описание превращения реагентов в продукты, зачастую - довольно сложный многостадийный процесс, включающий в себя образование промежуточных веществ. Понимание механизмов тех или иных реакций очень важно как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения, например, при создании катализаторов или ингибиторов - веществ, которые ускоряют или замедляют те или иные химические реакции. Ингибиторы часто используются в медицине, когда необходимо замедлить какой-либо биохимический процесс в организме.
В вышеупомянутой статье, ученые предлагают использовать квантовые компьютеры для предсказания энергетического состояния нитрогеназы - комплекса ферментов, предназначенных для фиксации азота у архей и бактерий. Такая система оказалось слишком сложной, для рассчетов на классическом компьютере.
Идея квантового компьютера была сформулирована еще в 80-х Ричардом Фейнманом. У такого компьютера единица информации измеряется в кубитах. В отличие от бита, который может принимать лишь два значения 0 или 1, кубит представляет собой квантовую систему с двумя состояниями, и может принимать любое значение, соответствующее суперпозиции двух состояний. Это означает, что кубит может хранить гораздо больше информации. чем классический бит, уменьшая ресурсы, необходимые для хранения молекулярной волновой функции. Количество бит, необходимое для хранения молекулярной волновой функции на классическом компьютере экспоненциально растет с числом спиновых орбиталей, тогда как число кубитов растет линейно. На примере нитрогеназы, авторы статьи показали одно из потенциальных применений квантового компьютера, что поможет разрешить множество проблем современной химии и биологии. В результате ученым удалось оценить вычислительные ресурсы, необходимые для такого исследования с использованием квантового компьютера. Более того, ученые предлагают алгоритм дальнейшего сокращения вычислительных ресурсов квантового компьютера, с использованием разработанных ими "топологических" кубитов. В результате, проблемы, на решение которых сейчас требуются годы, в будущем могут решаться в течение нескольких дней. Осталось только создать, наконец, этот квантовый компьютер 😀

Кажись, какое-то наследственное заболевание? (читать 2 минуты)
Примерно так звучит 80% ответов на вопрос "Чем был болен Стивен Хогинг?". Заболевание, которым страдал великий физик называется латеральный (боковой) амиотрофический склероз (ALS или БАС в русскоязычной литературе). Это довольно редкое заболевание центральной нервной системы (примерно 2 случая на 100 тысяч человек), которое, вопреки всеобщему заблуждению, в 90-95% случаев не наследуется (не все генетические заболевания наследственные!). В ходе БАС, моторные нейроны начинают разрушаться, что приводит к параличу (моторные нейроны - нервные клетки, отвечающие за контроль движения мышц, переносят сигналы от мозга к мышцам). В процессе гибели моторных нейронов, все мышцы теряют работоспособность, в результате чего человек утрачивает способность жевать, двигаться, говорить и в конце концов умирает (в основном) от атрофии дыхательных мышц. Никаких нарушений памяти и способности мыслить пациенты не испытывают.
Это заболевание прогрессирующее, а значит вылечить или остановить процесс дегенерации моторных нейронов невозможно. В среднем продолжительность жизни пациентов после постановки диагноза не превышает трех лет.
Врачи считают Стивена Хокинга уникальным пациентом, так как ему удалось прожить с БАС более 50 лет, хотя генетики относятся к этому случаю более скептически: заболевание ассоциировано с двумя десятками генов, а потому, в зависимости от того, какие из них затронуты, болезнь может протекать по-разному.
И нет, Хокинг не единственный такой везунчик, известен также случай гитариста Джейсона Беккера (род. 1969), он по сей день жив.
В свои 76 лет, Хокинг был почти полностью парализован, не мог ходить и говорить, при этом руководил Центром теоретической космологии в Кембриджском университете. Возможность говорить Хокинг потерял после удаления трахеи, однако вместо собственных голосовых связок он использовал синтезатор речи, закрепленный на его инвалидном кресле. Креслом и синтезатором Хокинг управлял с помощью одной мимической мышцы на щеке, напротив щеки был закреплен датчик. По экрану монитора бежал текст и, когда нужно было выбрать слово из фразу, Хокинг делал это щекой. Скорость общения с ним составляла примерно 1 слово в минуту.

Необычные факты:
* Хокинг родился в 300-летний юбилей смерти Галилея и умер в 139-й годовщине рождения Эйнштейна
** Дочь Стивена Хокинга Люси Хокинг немного говорит по-русски. Нет, русских родственников у нее нет. Она просто УЧИЛА русский

Кто последний тот и папа? (читать 2 минуты)
Сегодня немного о применениях ПЦР (полимеразная цепная реакция - метод для расшифровки ДНК). В генетике считается, что мы сейчас находимся на стадии "печатной машинки": мы уже не переписываем книги вручную, но до макбука нам еще очень далеко. Но уже сейчас технология ПЦР нашла широкое примение, в особенности в клинической практике.
В 90-е годы (сразу после изобретения ПЦР) в научном сообществе начался проект "Геном человека" (HGP - Human Genome Project), который был направлен на расшифровку человеческого генома. В результате него вместе с другими частными проектами, человеческий геном был полностью расшифрован (код последней хромосомы был опубликован в Nature в 2006 году https://www.nature.com/articles/nature04727).
Сейчас технология ПЦР сильно усовершенствована, что позволяет использовать ее не только в научно-исследовательских лабораториях, но и в реальном мире.
1. Криминалистика. Если преступник оставил на месте преступления ДНК-содержащий материал (кровь, волосы, частички кожи и т.д.), то сравнить этот ДНК с ДНК подозреваемого не составит никакого труда.
2. ДНК тест для ребенка еще до его рождения на предмет генных мутаций (к примеру, мутацию, которая приводит к синдрому Дауна, можно обнаружить с 99% вероятностью еще во время развития плода и в результате принять решение о прерывании беременности). Этот метод сравнительно недавно стал появляться в клиниках и сейчас становится все более доступным.
3. Тест на отцовство. Как уже было сказано ранее, геном человека (как вида) на 99% идентичен, и в этом 1% различий скрыта наша индивидуальность. Однако если учесть, что в геноме около 3 миллиардов нуклеотидов (пар оснований), 1% больше не кажется такой маленькой долей. И действительно, в нашем геноме содержатся так называемые "мусорные" участки ДНК, функции которых до сих пор не ясны, и именно эти участки являются нашим профилем. Так как ребенок наследует гены только от отца и матери, то с помощью расшифровывания его ДНК и ДНК обоих родителей можно точно (вероятность 99.99%) установить, действительно ли они его биологические родители. Например, если ДНК ребенка содержит фрагмент ABCD, в ДНК матери содержится AB, то отцом ребенка может быть только человек, содержащий фрагменты CD. Экстраполируем это на сотни тысяч нуклеотидов в геноме, получим высокую вероятность точного определения отцовства.
С помощью этого метода можно находить и более дальних родственников, но чем они дальше, тем меньше точность определения.
Кстати, оказывается, генов у человека не так много, как ожидалось при запуске проекта HGP. По количеству генов мы где-то между курицей и виноградом.😀 Так что далеко не всегда количество переходит в качество!