Учёные Чикагского университета сделали шаг, который ещё недавно казался фантастикой: превратили обычный белок — флуоресцентный маркер, знакомый биологам по экспериментам с клетками, — в кубит, то есть носитель квантовой информации.

Что это значит простым языком?
Белок начал вести себя как маленький «датчик», способный улавливать тончайшие магнитные и электронные процессы внутри живой клетки. Причём кубит можно включать, управлять им микроволнами и считывать сигналы лазером — прямо в живой среде.

Зачем это нужно?

• Это первый шаг к генетически запрограммированным квантовым сенсорам, которые сама клетка сможет «собирать» из белков.

• В будущем такие сенсоры помогут врачам и биологам буквально «видеть изнутри» работу организма: например, отслеживать реакции ферментов или работу лекарств с точностью до отдельных молекул.

• Потенциальное применение — нано‑МРТ, новый класс диагностики и понимания работы живых систем на глубочайшем уровне.

Да, пока эти кубиты уступают по чувствительности лучшим искусственным аналогам (например, алмазным сенсорам), но сам факт, что живой белок может работать как квантовый прибор, — огромный прорыв.

📍 Исследование опубликовано в журнале Nature и отмечено экспертами как открывающий путь к целому направлению «биоквантовых технологий».

Будущее - рядом

В начале пандемии многие исследования, в том числе и наши, сосредоточились на разработке лекарств для блокировки вирусного белка-спайка. Однако вирус быстро эволюционировал, и новые варианты приобрели устойчивость из-за изменений в S-белке. Это привело к критической проблеме: будут ли наши методы лечения эффективны при изменениях вируса? Вместо того чтобы гоняться за новыми вариантами, мы задумались о том, как человеческий организм реагирует на вирус.

Эта идея легла в основу нашего исследования, опубликованного в журнале "Chemical Physics". Мы решили воздействовать на ангиотензинпревращающий фермент-2 (ИАПФ-2), важный белок "ворота", который вирус использует для проникновения в клетки. Полное блокирование ACE2 было бы нецелесообразно, так как он играет ключевую роль в регуляции кровяного давления и здоровья сердца. Наша цель заключалась в том, чтобы затруднить вирусу использование ACE2, не нарушая его функции.

Мы использовали вычислительную химию и аллостерический подход для обнаружения скрытого аллостерического участка белка. Этот участок может модулировать поведение всего белка. Моделирование молекулярной динамики (MD) показало, что низкомолекулярный модулятор может связываться с этим участком, вызывая изменения в конформации ACE2. Это изменение ослабляет связывание между ACE2 и вирусным белком, затрудняя заражение клеток.

Что важно, это конформационное изменение не подавляет нормальную функцию ACE2, а, наоборот, усиливает ее. Аллостерическая модуляция повышает каталитическую активность ACE2, что может улучшить регуляцию артериального давления. Таким образом, мы "подталкиваем" ACE2, чтобы он одновременно помогал нам и препятствовал распространению вируса.

Наш подход, нацеленный на хозяина, значительно устойчивее к мутациям вирусов, таких как SARS-CoV-2. В отличие от традиционных противовирусных стратегий, которые направлены на блокировку вируса, воздействие на белки организма делает лечение менее уязвимым к изменениям вируса.

Я горжусь тем, что это исследование было проведено в АЙЗЕР Берхампур, молодом научно-исследовательском институте в Индии. Наша лаборатория использует передовые вычислительные инструменты для разработки методов лечения различных патогенных мишеней. Эта работа подчеркивает ценность нестандартного мышления и фундаментальной науки в решении реальных задач. Вместе с командой, включая Пратьюша Панни и доктора Малая Кумара Рану, мы расширяем границы возможного с помощью вычислительной биологии. Наука не всегда требует борьбы; иногда достаточно умного подхода.

Можно трансплантировать органы, штаммы бактерий в микрофлору или даже гены. Но сегодня речь пойдет о первой в истории трансплантации поведенческого паттерна, да еще и между видами! Ученые перенесли паттерн ухаживания с одного вида на другой. В результате реципиента выполнял совершенно чуждый для его вида акт, но так, словно это его собственный биомеханизм. И хоть для генов естественно мигрировать между видами, ранее этот тип поведения никогда не производился другим организмом.

Один ген и внедрение новых типов поведения

Исследователи из Нагойского университета добились результатов, манипулируя одним геном, чтобы создать новые нейронные связи и перенести паттерны поведения от одного вида плодовой мушки к другому. Речь идет про Drosophila subobscura и D. melanogaster. Хоть оба вида относятся к семейству дрозофил, у них разные нейронные цепи, которые обуславливают совершенно разные формы брачного поведения.

Как генетически перепрограммировать поведение?

Это результат почти десятилетней работы нескольких членов японской группы, включая соавтора Рёю Танаку, который в 2017 году возглавил исследование. Суть исследования сводилась к фиксации процессов и сравнении брачных циклов двух видов мух: D. melanogaster, которые проявляют ухаживание через пение, и D. Subobscura, которые дарят партнеру отрыгнутую пищу.

Используя оптогенетику для запуска механизма отрыгивания у D. subobscura, ученые подтвердили, что ген под названием Fruitless (Fru), который в наличии у обоих видов, играет ключевую роль в механизме ухаживания. Но контролирует совершенно разные паттерны поведения у каждого из представителей вида. Учитывая, что еще несколько лет назад были выявлены генетические паттерны интеллектуального развития человека, подобные исследования открывают широкой пространство для модификаций человечества, как вида. Не это ли тот самый трансгуманизм? Или его первые шаги?

Японские исследователи пошли еще дальше. Используя генную инженерию, они превратили самцов D. melanogaster, которые отделились от других видов около 35 миллионов лет назад, в дарителей подарков, а не певцов. Само собой, найти в истории точный момент разделения в эволюции от общего предка – крайне сложно. Но факторы окружающей среды и предпочтения в брачных отношениях сформировали «язык любви». Один вид усовершенствовал мышцы крыльев и певческие контуры для звукового ритуала ухаживания, другой усилил визуальные и двигательные контуры для отрыгивания и подачи пищи самке.

Самое главное, превращение мух D. melanogaster в дарителей подарков невозможно «разблокировать» манипулируя их родными генами. Так как эта способность исчезла десятки миллионов лет назад.

Один ген, один мозг, новые паттерны поведения

Теперь ученые перевернули этот эволюционный процесс, генетически перепрограммировав мозг D. melanogaster, «включив» ген Fru в нейронах поющих мух. Эти же нейроны отвечают за выработку инсулина, а этот ген находится в головах дарителей. Активация гена позволила манипулировать нейронами и формировать совершенно новые нейронные связи, в результате чего поведение дарителей передается другим видам.

Это первый пример манипулирования одним геном с целью передачи чуждого поведения другому виду.

ДНК эмбрионов и поведение вида

Ученые внедрили ДНК в эмбрионы D. subobscura, чтобы определенные клетки мозга вырабатывали белки, активируемые при нагревании. Кратковременное нагревание мух позволяло им активировать эти нейроны. В результате был выявлен кластер из 16-18 инсулин-продуцирующих нейронов в межмозговой доле (pars intercerebralis). Это нейросекреторный центр мозга насекомого, который вырабатывает специфический для самцов белок FruM. Сравнение этой области с D. melanogaster показало, что у видов, дарящих подарки, инсулиновые нейроны связаны с системой ухаживания, в то время как у поющих видов – нет.

У D. melanogaster нейроны, продуцирующие инсулин, не связаны с системой ухаживания, управляемой генами Fru, а это означает, что срыгивание просто не входит в их набор навыков. Структура мух и генетическое программирование не позволяют сделать это. Однако исследователи выяснили, как включить ген fru в этих нейронах, фактически перестроив систему, чтобы поющие мухи могли демонстрировать чуждое им поведение дарения подарков.

Примечательно, что это переключение поведения произошло без какого-либо обучения или социального воздействия — оно произошло исключительно за счет перенастройки нейронных цепей.

Активация поведения на генетическом уровне

Когда мы активировали ген fru в инсулин-продуцирующих нейронах певчих мух для выработки белков FruM, клетки отрастили длинные нейронные отростки и соединились с центром ухаживания в мозге, создав новые мозговые контуры, которые впервые вызывают поведенческие паттерны дарения подарков у D. Melanogaster.

Рёя Танака, соавтор и преподаватель Высшей школы наук Университета Нагоя.

Генетический перенос ритуала ухаживания демонстрирует, что некоторые животные могут нести скрытые, эволюционно неактивные формы поведения в своей нейронной архитектуре. Поэтому активация правильного генетического переключателя может пробудить эти древние программы, даже если они совершенно чужды конкретному виду.

Наши результаты показывают, что эволюция новых форм поведения не обязательно требует появления новых нейронов. Вместо этого небольшая генетическая перестройка нескольких уже существующих нейронов может привести к поведенческой диверсификации и, в конечном итоге, способствовать дифференциации видов.

Соавтор исследования Юсуке Хара из Национального института информационных и коммуникационных технологий (NICT).

Игра в бога или практический результат?

Разумеется, это нечто больше, чем просто игра в бога. Виды плодовых мушек, хоть и отличаются друг от друга, но генетически на 60% схожи с человеком. Ученые считают, что 75% генетических заболеваний человека несут в себе аналогичную природу и у плодовых мушек. Неудивительно, что исследования плодовых мушек, в частности модельного вида D. melanogaster, принесли ученым шесть Нобелевских премий.

Это последнее исследование предоставляет реальные доказательства того, что небольшие генетические изменения, буквально на уровне одного гена, могут изменить поведение уже на уровне вида. Хотя никто не предполагает, что мы в ближайшее время начнём создавать новые инстинкты у людей, работа показывает, что можно активировать совершенно новые модели поведения, изменяя нейронные связи мозга на генетическом уровне.

Это указывает на то, что некоторые модели поведения могут дремать в нашей биологии – быть запрограммированными, но неактивными – ожидая нужного молекулярного «переключателя».

Мы показали, как можно проследить сложные формы поведения, такие как брачное ухаживание, вплоть до их генетических корней, чтобы понять, как эволюционно развиваются совершенно новые стратегии, помогающие видам выживать и размножаться.

Старший автор исследования, Дайсуке Ямамото из NICT.

Подобные вмешательства выглядят крайне любопытно на фоне того, как в Кремниевой Долине разворачиваются технологии «продвинутой евгеники», позволяющей закладывать склонность к интеллектуальным способностям на уровне эмбрионов.

Больше материалов про дивный новый мир будущего, технологий и передового края прогресса раскрыт на портале Neural Hack. Подписывайтесь, чтобы не пропустить свежие статьи!