Ученые из Института Вейцмана создали ДНК-чип, способный быстро синтезировать вирусные белки и тестировать реакцию на них иммунной системы конкретного человека.

Человечество было не готово к пандемии COVID-19 и быстрому распространению нового вируса. Пока разрабатывали тест-системы для анализа иммунного ответа на один штамм, уже циркулировали другие варианты. Традиционные методы требуют недель на производство и очистку каждого вирусного белка, а вирус мутирует быстрее.

Команда профессора Роя Бар-Зива из Института Вейцмана разработала биочип, который решает эту проблему за счет универсальности и скорости.

Технология, описанная в журнале Nature Nanotechnology, позволяет синтезировать десятки вирусных белков непосредственно на кремниевой поверхности чипа и тестировать их взаимодействие с антителами из крови конкретного пациента.

На поверхность чипа ученые нанесли фрагменты вирусной ДНК с генетическими инструкциями для синтеза конкретных белков. При добавлении бесклеточной смеси биологических молекул эта ДНК начинает создавать вирусные белки. Затем на чип наносят каплю сыворотки крови пациента и наблюдают, к каким белкам прилипают антитела, то есть каким вирусам готова противостоять иммунная система.

Каждый биочип может производить 30-40 вирусных белков одновременно. Это позволяет определить, защищен ли конкретный человек от разных вариантов вируса. Например, есть ли у него антитела против исходного уханьского коронавируса, дельты или омикрона, и насколько эффективно они работают. Система дает количественные результаты о силе иммунного ответа, а не только отвечает "да" или "нет".

Ученые подчеркивают: "Мы не нуждаемся в долгом предварительном выращивании вирусного белка – каждое пятно на чипе производит собственный белок или его фрагмент. Имея десятки таких антигенов на одном чипе, мы можем протестировать их одновременно".

«Нам не нужно ничего выращивать или очищать заранее — каждая точка на чипе производит свой собственный белок или фрагмент белка», — говорит Дюпен. «Благодаря десяткам таких антигенов на одном чипе мы можем тестировать многие из них одновременно в одном эксперименте, вместо того чтобы проводить отдельные тесты для каждого из них».

Биочип, созданный командой Бар-Зива, предлагает гораздо более простой способ проведения тестирования. Метод не требует насосов или трубок и может быть быстро адаптирован для нового вируса. Его разработкой руководили старший научный сотрудник доктор Ширли Даубе, а также доктора Аврора Дюпен и Охад Воншак из лаборатории Бар-Зива в отделе химической и биологической физики Вейцмана.

Главное преимущество технологии – это готовность к возможной будущей пандемии.

"Если завтра возникнет новая вспышка, мы сможем взять генетическую последовательность этого вируса, произвести его белки на чипе и немедленно протестировать антитела, – говорит соавтор работы профессор Рой Бар-Зив.

– Не нужно месяцами разрабатывать новые тест-системы под каждый вариант".

Команда сравнила данные, полученные с помощью биочипа, с результатами стандартного ИФА (иммуноферментного анализа) образцов сыворотки крови человека. Они обнаружили, что их чип часто выявлял активность антител, которую не обнаруживали стандартные ИФА-тесты, что говорит о том, что традиционные анализы иногда могут упускать из виду более тонкие реакции антител.

Чтобы продемонстрировать потенциал чипа, команда воссоздала взаимодействие между шиповидным белком коронавируса и его человеческим рецептором ACE2 — этап, позволяющий вирусу проникать в клетки человека. И шиповидный белок, и рецептор были синтезированы на чипе и специфически связывались друг с другом. Это говорит о том, что платформу можно использовать для скрининга потенциальных методов лечения непосредственно на чипе путем добавления антител или других лекарственных препаратов, которые блокировали бы это связывание. Если сигнал ослабевает, это означает, что антитело предотвращает прикрепление вируса к рецептору.

Изображение биочипа, полученное с помощью флуоресцентного микроскопа, демонстрирует множество мельчайших отсеков, каждый из которых содержит различный антиген, что позволяет одновременно тестировать взаимодействие всех этих антигенов с человеческим антителом.

«Наш чип открывает возможности для изучения того, как вирусы взаимодействуют с человеческими рецепторами, и как мы могли бы блокировать эти взаимодействия с помощью новых методов лечения», — говорит Бар-Зив.

В настоящее время команда начинает сотрудничество с медицинским центром «Шеба» для отслеживания иммунного ответа у пациентов с COVID-19 с течением времени с помощью нового чипа. Сопоставляя данные об антителах с историей болезни пациентов, они надеются выявить закономерности иммунного ответа, которые могли бы помочь в разработке будущих вакцин.

Научные исследования профессора Роя Бар-Зива поддерживаются Институтом материаловедения и магнитно-резонансных исследований им. Ильзы Кац; Исследовательским фондом биологической физики им. Исаака Фердинанда Двосиа Артмана; и семьей Гарольда Перлмана.

Профессор Бар-Зив занимает профессорскую кафедру химической физики имени Эриха Клигера.

Перевод с английского

ИСТОЧНИК

ИСТОЧНИК

Может кто помнит старый киберпанковский фильм «Джонни Мнемоник». При просмотре меня больше всего поразил аугментированный дельфин, разум которого усиливался имплантами, которые превращали рыбу в ментальное оружие. Что ж, сегодня Китай пошел иным путем, создав роботов-медуз которые неотличимы от настоящих и способны собирать и передавать данные, в целях шпионажа.

Грань между биологией и технологией

Размывая грань между биологией и технологией, ученые Китая вывели биомимикрию на новый уровень. Результат – небольшая бионическая медуза с низким потреблением энергии, которая по форме и движениям идентична обычным медузам. Настолько, что их практически невозможно отличить.

Разработанный в Северо-Западном политехническом университете города Сиань, провинция Шэньси, робот-медуза, получивший прозвище «подводный призрак» (水下幽灵), был тщательно спроектирован, чтобы не только выглядеть как полупрозрачное тело, но и двигаться подобно обычным медузам. Инженеры сообщают, что робот использует новые электрогидравлические мышечные приводы и гидрогелевые электроды для имитации движения медузы в воде. И потребляет при этом всего около 28,5 милливатт энергии.

Робот диаметром всего 12 см и весом 56 граммов также оснащён встроенной камерой и чипом искусственного интеллекта для захвата и идентификации подводных объектов, что потенциально открывает новые горизонты в области глубоководного наблюдения и исследования. Благодаря низкому энергопотреблению этот тип устройств больше подходит для дальнего и постоянного мониторинга, чем для кратковременных исследовательских погружений.

Глубоководный горизонт под прицелом бионических кибер-глаз

Основные характеристики робота раскрыты, но часть остается под вопросом. Мы не знаем его возможную глубину погружения, скорость передвижения, коммуникационные возможности и предназначение. Конечно, робот спроектирован так, чтобы выглядеть как взрослая медуза, из-за чего морским обитателям и людям сложно отличить его от обычных медуз. Но это порождает другую проблему – естественное хищничество. Учитывая, что морские черепахи питаются медузами, легко представить, что эти подводные кибер-призраки могут вместо сбора информации стать высокотехнологическим и опасным кормом.

Тем не менее, медузы уже более десяти лет находятся в центре внимания биомимикрии, и инженеры стремятся использовать природу для создания новых технологий. В прошлом году Калифорнийский технологический институт (Caltech) представил результаты своей работы по созданию глубоководного зонда, вдохновлённого медузами, который использует паттерны движения этих древних свободноплавающих существ.

Медузы — первые исследователи океана, они достигают самых глубоких уголков и прекрасно себя чувствуют как в тропических, так и в полярных водах. Поскольку у них нет мозга и способности чувствовать боль, мы смогли совместно со специалистами по биоэтике разработать эту биогибридную роботизированную систему, соблюдая этические принципы.

Инженер Джон Дабири, профессор кафедры Centennial в Калифорнийском технологическом институте.

Роботы-исследователи как прототипы медуз

В 2020 году в Университете штата Северная Каролина также был разработан прототип гибкого робота, вдохновленный медузами, предназначенный как для использования под водой, так и в качестве потенциального вспомогательного средства при проведении медицинских процедур.

Однако инновация Китая выводит биомимикрию на совершенно новый уровень: прозрачное тело и реалистичные щупальца (к счастью, без жалящих нематоцист). Устройство оснащено электростатическим гидравлическим приводом (ЭГП), который точно имитирует нейронные сигналы, обеспечивающие медузам их знаменитое импульсное движение.

Проект возглавил профессор Кай Тао из школы машиностроения и электротехники NPU, который за свою жизнь создал несколько впечатляющих технологий биомимикрии. Как пример творения: изящный 470-килограммовый гибкий робот, похожий на ската, который скользит под водой почти как настоящий. В 2021 году ученые продемонстрировали его возможности по сбору данных, включая возможность погружаться на глубину до 1025 м, в районе Парасельских островов в Южно-Китайском море. Исследователи из университета также разрабатывают способы оптимизации паттернов прыжков в робототехнике, используя наблюдения за насекомыми, земноводными и позвоночными, а также изучают использование ботов, подобных гекконам.

Там где биология открывает пространство технологиям

По данным китайских СМИ, Тао продемонстрировал медузу в действии на записи видеонаблюдения государственных СМИ, показав, как она перемещается в разных условиях воды и точно распознает объекты, включая изображения эмблем и отдельные виды рыб.

21 октября Тао Кай сообщил официальной газете Министерства науки и технологий Китая Science and Technology Daily , что «низкое энергопотребление, низкий уровень шума и высокие биомиметические характеристики этого биомиметического робота-медузы дают ему уникальные преимущества в таких сценариях, как скрытый мониторинг в глубоководных районах, наблюдение за экологически уязвимыми районами и точный осмотр подводных объектов, предоставляя инновационное решение для ключевых технических проблем, возникающих при исследовании экстремальных глубоководных сред».

Именно с таких первых шагов симбиоза зарождается концепция трансгуманизма. Пересматривая принципы работы живых существ, дублируя и реализовывая их лучшие качества, мы можем использовать их себе во благо. Размывая также грань между «естественным телом человека» и «желаемыми аугментациями извне».

Больше материалов, которые описывают эту тонкую грань, вы найдете в сообществе Neural Hack. Заглядывайте, чтобы держать под рукой актуальные материалы.

В лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института заработал новый суперкомпьютер TX-GAIN. Два экзафлопса вычислительной мощности для развертывания искусственного интеллекта. В основе вычислительной мощности – более шестисот графических процессоров. Суперкомпьютер создан для лучшего понимания биологических процессов, что важно для медицины, а также для моделирования климата.

Суперкомпьютер на экзафлопс

Речь про новую систему TX-Generative AI Next (TX-GAIN). Суперкомпьютер способен выполнять два квинтиллиона операций в секунду! Для сравнения: японский Fugaku завоевал титул самого быстрого суперкомпьютера в мире в 2020 году. NVIDIA DGX GH200, выпущенный в 2023 году, перевернул мир ИИ, объединив 256 чипов Grace Hopper в единую архитектуру. И, всего два года спустя, TX-GAIN выходит в лидеры.

Конечно, есть пример того же Colossus от Илона Маска, но это пример частного суперкомпьютера. Здесь же речь про сугубо научный проект.

Подобный рост и развитие систем стали наглядным доказательством ускоренного прогресса, наглядным воплощением начала технологической сингулярности. Ведь то, на что раньше уходили десятилетия прогресса, теперь происходит за считанные секунды. И аппаратное обеспечение лежит в основе этого скачка.

На что направлены мощности суперкомпьютера TX-GAIN

Созданный на основе более чем шестисот ускорителей NVIDIA, TX-GAIN не просто обеспечивает высокую производительность. Он призван помочь исследователям моделировать сложные системы, такие как изменение погоды и поведение материалов. Особенности развития болезней и защитные функции иммунитета.

TX-GAIN позволит нашим исследователям добиться научных и инженерных прорывов. Система играет важную роль в поддержке генеративного ИИ, физического моделирования и анализа данных во всех областях исследований.

Джереми Кепнер, руководитель Суперкомпьютерного центра лаборатории Линкольна (LLSC).

Используя передовые генеративные модели, TX-GAIN позволяет системам не просто распознавать закономерности, но и создавать их. Речь не про отличие «паттернов болезни» или предупреждениях о формировании грозового фронта, а про создание новых молекул или разработке систем, способных проследить последствия влияния на погоду.

Моделирование белков и погодных изменений

Сейчас команды лаборатории Линкольна используют вычислительные мощности для моделирования погоды, выявления аномалий в сетевом трафике и разработки новых материалов и лекарств путем моделирования химических взаимодействий, на которые в физической лаборатории ранее ушли бы месяцы.

TX-GAIN позволяет нам моделировать не только значительно больше взаимодействий белков, чем когда-либо прежде, но и анализировать гораздо более крупные белки с большим количеством атомов. Эти новые вычислительные возможности кардинально меняют подход к определению роли белков в биологической защите.

Рафаэль Хаймс из группы систем противодействия оружию массового поражения.

То, что раньше требовало от команды специалистов, свободно владеющих сложным кодом, теперь доступно любому, у кого сформирован исследовательский вопрос. Благодаря интерактивному интерфейсу TX-GAIN учёные могут запускать огромные модели, используя лишь свой ноутбук.

В основе LLSC лежит идея: сделать работу на суперкомпьютерах такой же комфортной, как на ноутбуке. Благодаря нашему удобному подходу пользователи могут запускать свои модели и быстро получать ответы прямо на рабочем месте.

Джереми Кепнер, руководитель Суперкомпьютерного центра лаборатории Линкольна (LLSC).

Особенности суперкомпьютера MIT

Суперкомпьютер TX-GAIN уже включен в экосистему Массачусетского технологического института: от обсерватории Хейстек и Центра квантовой инженерии до программы ИИ Министерства ВВС и MIT AI Accelerator.

Сам объект тоже часть эксперимента: расположенный в Холиоке (штат Массачусетс) он работает в рамках программы энергоэффективного центра обработки данных, в котором новое программное обеспечение сократило потребление энергии на обучение ИИ до 80%.

LLSC предоставляет возможности, необходимые для проведения передовых исследований, при этом экономически и энергоэффективно.

Джереми Кепнер, руководитель Суперкомпьютерного центра лаборатории Линкольна (LLSC).

Я мог бы упомянуть экстраполяцию Гордона Мура, но будем честны. С момента её утверждения мир вычислительных технологий разительно изменился. Количество транзисторов на плату перестало быть единственным универсальным маркером. А вычислительные мощности растут, вопреки росту цен и запросам на энергию.

Плоды такого прогресса, разбор открытий и способов хоть немного, но улучшить природу человека, разбираются в сообществе Neural Hack. Заглядывайте, чтобы держать под рукой свежие статьи!

Верните мне мой 2014-тый. Когда только-только вникал в тематику биохакинга и трансгуманизма, новостные сайты пестрили материалами о чудо-звере – голом землекопе. Технически, это грызун, который живет в подземном мире и постоянно сражается за выживание. И живет, соответственно для грызуна, до 5 лет. Но если выдернуть его из агрессивной среды, то голый землекоп будет жить до 40 лет, что в несколько раз превосходит длительность жизни представителей этого вида. Причина? Невероятная регенерация и устойчивость к раку. Что можно присмотреть и для людей.

Голый землекоп и вопрос долголетия

Голый землекоп, что опытный игрок в Фоллауте. Скинул в ноль харизму, но прокачал выносливость. Он способен прожить лет 40, и учёные выяснили главный секрет этого процесса. Голые землекопы восстанавливают свою ДНК, и этот процесс можно повторить в нашем организме, для достижения той же цели.

Исследователи из Шанхайского университета Тунцзи углубились в вопрос регенерации голых землекопов. Сами же грызуны Heterocephalus glaber обладают такой невероятной продолжительностью жизни благодаря четырем аминокислотным основам. Технически, эти соединения снабжают голых землекопов своего рода генетическим набором инструментов, который упрощает восстановление органов и предотвращает гибель клеток, характерную для старения.

Ранее ученые обнаружили, что ДНК-сенсор циклический гуанозинмонофосфат-аденозинмонофосфатсинтаза (cGAS) в целом управляет способностью к регенерации, исправляя двухцепочечные разрывы ДНК и стабилизируя геном. Но как именно это происходит, до сих пор оставалось загадкой.

Регенерация организма. Клетки и мухи

Используя сравнительную молекулярную биологию, ученые проследили разницу в процессах, которые протекают как в организме голых землекопов, так и людей. Причем отслеживались именно процессы, завязанные на cGAS. В результате ученые обнаружили, что фермент голого землекопа отличается по четырем ключевым параметрам.

Эти же отличия поддерживают организм голого землекопа в столь хорошем состоянии для выживания. Когда фермент cGAS землекопов был введен в клеточную культуру клеток человека и клеток мыши в лабораторных условиях, то клеточные культуры стали в разы эффективнее восстанавливать ДНК. Это в свою очередь, уменьшило молекулярные признаки старения.

Тогда ученые модифицировали плодовых мушек для получения cGAS, эквивалентного голому землекопу. В результате насекомые жили примерно на 10 дней дольше, чем ожидалось. Это кажется ничтожно малым прогрессом, вот только этот вид мух живет всего около 40 дней. И модификация дала им: «+25% к длительности жизни».

Генетические модификации мышей и доказанное продление жизни

Ученые модифицировали также живых мышей, наделив их cGAS качествами cGAS голого землекопа. В результате стареющие грызуны стали менее хрупкими, у них было меньше седых волос и более здоровые органы в течение более длительного времени, чем у животных в контрольной группе.

Это интересно в контексте примера с людьми. Другое недавнее исследование было сосредоточено вокруг организма женщины, прожившей 117 лет. В её теле были критически малые теломеры, но при этом идеально работающий липидный обмен и микрофлора ЖКТ.

Именно эти особенности наделяют cGAS голого землекопа способностью стабилизировать геном, противодействовать старению клеток и органов, а также способствуют увеличению продолжительности жизни и укреплению здоровья.
Мнение авторов исследования

Продление жизни человека по лекалам голого землекопа

Итак, насколько всё это способно привести к увеличению нашей функциональной продолжительности жизни? Учитывая биологическое сходство между людьми и голыми землекопами, учёные полагают, что потенциал есть. И изменения дадут нашим телам возможность защищать геном от повреждений. Однако, до этого ещё далеко, и результаты исследования рассматривают восстановление ДНК как изолированный признак старения, не принимая во внимание другие факторы, такие как воспалительные процессы, развитие иных заболеваний и других возрастных проблем со здоровьем.

ДНК-сенсор циклический гуанозинмонофосфат-аденозинмонофосфатсинтаза (cGAS) участвует в регуляции восстановления двухцепочечных разрывов ДНК, подавляя путь гомологичной рекомбинации (HR), тем самым способствуя геномной нестабильности. Наша работа показывает, что негативная регуляторная функция cGAS в восстановлении HR обращается вспять у голого землекопа, путём изменения четырёх специфических аминокислотных остатков. Это изменение наделяет cGAS голого землекопа большей способностью стабилизировать геном, противодействовать старению клеток и органов, а также способствует увеличению продолжительности жизни и улучшению здоровья.
Из материалов исследования.

Учёные давно интересуются способностью этих грызунов, живущих многочисленными колониями под землёй, противостоять старению. Предыдущие исследования позволили понять, почему голые землекопы так долго сохраняют здоровье, в частности, как они защищаются от старения. Исследователи продолжают искать способы, как мы, люди, можем перенять их суперспособности к омоложению.

Но при этом у нас и так есть достаточно много инструментов. От регулирования режима и внедрения полезных привычек, до использования доступных добавок и прекурсоров. Обо всем этом, традиционно, в материалах сообщества Neural Hack. Заглядывайте, чтобы конструктивно забустить свои возможности!