Образовательный блог МТИ

Эритромицин А удалось синтезировать с помощью бактерий Escherichia coli

Исследователи из университета Тафтса (Tufts University School of Engineering) сообщили о первой успешной попытке синтеза антибиотика эритромицина А с помощью кишечной палочки (бактерий E. coli). Учёным удалось разработать эффективный метод синтеза указанного выше антибиотика, а так же препаратов, направленных на борьбу с инфекционными агентами, устойчивыми по отношению к действию многих химических соединений, применяемых в наши дни. Важно отметить, использование кишечной палочки даёт возможность синтезировать широкий спектр биологически активных соединений.

«В настоящее время мы адаптировали бактерий E. coli под синтез эритромицина А, а так же других соединений — аналогов данного антибиотика. Наша способность в полной мере управлять процессом биосинтеза эритромицина А с целью увеличения молекулярного разнообразия продукта и активности антибиотиков позволяет синтезировать другие аналогичные соединения, обладающие подобными медицинскими свойствами» — говорит Блейн Пфайфер (Blaine Pfeifer, ведущий автор исследований, работник университета Тфтса)

Напомним, эритромицин А является мощным антибиотиком, направленным на борьбу с бактериальными инфекциями. Различные виды эритромицина продуцируются бактериями Saccharopolyspora erythraea, которые обнаруживаются в почве. Эритромицин А является наиболее часто используемым видом и обладает высокой биологической активностью.

В силу различных проблем, возникающих при работе с Saccharopolyspora erythraea, авторы исследований решили искусственно синтезировать эритромицин А с помощью бактерий Escherichia coli. Отметим, в ходе синтеза указанного выше антибиотика принимают участие более 20 ферментов. По этой причине создание штаммов бактерий, способных синтезировать эритромицин А — это очень сложная задача. В ходе более ранних исследований учёным с помощью Escherichia coli удалось получить промежуточные продукты синтеза эритромицина А, но, к сожалению, не конечные продукты.

«Воссоздать систему биосинтеза эритромицина А — это достаточно сложная задача» — говорит Блейн Пфайфер. По его словам, воссоздание любого этапа биосинтеза данного антибиотика требует проведения сложных исследований. Так же учёный отметил, что исследователи из университета Тафтса, занимавшиеся созданием нового метода синтеза эритромицина А, действовали не так, как другие учёные, работавшие над данной проблемой. Работники университета Тафтса уделили основное внимание именно созданию оригинальных ферментов синтеза, но отказались от использования аналогичных ферментов.

Основная цель, которую авторы исследований преследовали в своей работе, — это создание более эффективного и более дешёвого метода синтеза биологически активных соединений: антибиотиков, вакцин и противораковых агентов. Отметим, Блейну Пфайферу и его коллегам в лабораторных условиях с помощью бактерий E. coli удалось получить промежуточное соединение, возникающее в ходе синтеза противоракового вещества таксола (Taxol).

Следует отметить, в течение последних 10-15 лет заинтересованность в разработке методик синтеза биологически активных соединений с помощью микроорганизмов растёт, так же растут и затраты на проведения исследований в данной области.

Более подробные результаты исследований опубликованы в журнале «Chemistry and Biology».

По материалам www.sci-lib.com

Единичные молекулы позволяют наблюдать электромагнитные поля

Ученые из США были первыми, кто смог использовать отдельные флуоресцентные молекулы, чтобы исследовать электромагнитные поля в особых наноразмерных «хот-спотах» на поверхности металла. Предложенная ими техника отображения позволяет визуализировать структуры размерами порядка 15 нм с разрешением около 2 нм, что намного лучше текущих достижений оптической микроскопии.

Когда свет попадает на металлическую поверхность, к примеру, из золота или серебра, отдельные наноразмерные структуры на ней могут создавать так называемые «хот-споты», области сконцентрированного света, где интенсивность электромагнитного поля может достигать чрезвычайно высокого уровня. О существовании подобных областей ученые знают уже более 30 лет; ранее этот эффект уже использовался в научных целях для усиления сигнала Рамановского рассеяния при отображении небольших групп и даже единичных молекул. Несмотря на подтвержденный успех подобной методики, до конца природа «хот-спотов» была не известна. К примеру, ученые до сих пор не могли измерить их физические размеры и понять феномен того самого усиления Рамановского сигнала.

Исследования «хот-спотов» традиционно сталкиваются с двумя принципиальными проблемами. Во-первых, «хот-споты» случайным образом разбросаны по поверхности металла, поэтому их достаточно сложно обнаружить. И, во-вторых, они, очевидно, меньше длины волны видимого света, поэтому для их поиска не может использоваться оптическая микроскопия (фундаментальный дифракционный предел для разрешения оптической микроскопии — половина длины волны излучения). Альтернативные методы исследования (например, ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия) здесь также трудно применимы из-за ограничений, накладываемых на площадь отображаемой поверхности.

Но группа ученых из University of California (США) нашла способ обойти эти проблемы. Для этого они использовали в качестве «пробников» отдельные флуоресцирующие молекулы. Ученые считают, что примененные ими молекулы являются чуть ли не идеальным средством подобных исследований, ведь их геометрические размеры менее нанометра. Предложенная исследовательской группой методика подразумевает размещение металлического образца или кластера металлических наночастиц на кварцевой поверхности в растворе флуоресцирующего вещества, что позволяет отдельным молекулам из раствора произвольным образом адсорбироваться на поверхности. Рассеяние молекул происходит естественным образом за счет броуновского движения. При освещении исследуемой поверхности лазерным лучом, на ней проявляются «хот-споты», в которых могут «фиксироваться» флуоресцирующие молекулы. Группа утверждает, что можно подобрать такую концентрацию раствора, что каждый «хот-спот» будет занят только одной молекулой.

Как только молекула достигает «хот-спота», ее свечение многократно усиливается. Она проявляется как яркое пятно, интенсивность которого может быть измерена. Таким образом, команда смогла получить профиль увеличения флуоресценции от одного единственного «хот-спота».

В результате проведенных исследований были не только оценены размеры «хот-спотов» (они, по мнению ученых, достигают примерно 15 нм), но и отмечено экспоненциальное уменьшение интенсивности свечения «пробной» молекулы при удалении от его центра. Ранее этот результат уже предсказывался вычислительными экспериментами, но ни разу не был получен на практике.

Предложенная методика позволит не просто изучать новые явления, но и проектировать оптические материалы, управляющие потоком света на наноуровне, в будущем.

По материалам www.sci-lib.com

Ученые нашли ген, связанный с депрессией

Американские ученые утверждают, что обнаружили ген, который появляется и играет ключевую роль при возникновении депрессии. Открытие может дать новые возможности для конструирования лекарств. 

Ген под названием MKP-1 идентифицирован исследователями Йельского университета после сравнения генетических кодов 21 умершего человека, которым был поставлен диагноз «депрессия» с 18 другими здоровыми людьми. Ген играет роль выключателя каскада мозговых химических реакций под названием MAPK, которые имеют решающее значение для выживания и функционирования нейронов, согласно статье, которая вышла в журнале Nature Medicine. По словам Рональда Думана, возглавляющего данное исследование, профессора по психиатрии и фармакологии, это может быть основной причиной или, по крайней мере, основным фактором сигнализирующим отклонения, которые приводят к депрессии. Ученые приготовили «пораженных» мышей, чьи MKP-1 были дезактивированы для изучения предположения о том, что изменение уровней MAPK играет роль в возникновении депрессии. Мыши без MKP-1 были легко устойчивы к стрессу. Но мыши, подвергнутые стрессу с помощью гена, вызвали симптомы, подобные депрессии, которые затем были облегчены с помощью антидепрессантов. Депрессия, как и многие другие расстройства, имеют несколько причин. 40% пациентов с депрессией не реагируют на препараты, которые в основном основаны на повышении содержания химического вещества в мозгу под названием серотонин.

По материалам www.sci-lib.com

Перемещения электронов в атомах могут в будущем оказаться заснятыми «на пленку»

Физики достаточно давно научились получать изображения с атомарным разрешением при помощи пучка электронов, направляемого в цель. Но при этом отображение того, как электронная структура атома меняется с течением времени, всегда было задачей следующего, более сложного уровня.

Последние теоретические исследования показывают, что эту задачу помогут решить электронные импульсы длительностью менее одной миллионной миллиардной секунды. Благодаря численному моделированию, ученые доказали, что ультрабыстрые электроны могли бы визуализировать как возбужденные атомы, так и перемещение электронов между молекулами в процессе химических реакций.

Электронное облако вокруг ядра атома с точки зрения квантовой физики описывается волновой функцией, дающей в каждой точке пространства вероятность нахождения электрона в определенный момент времени. Обычно эта вероятность не изменяется со временем. Но когда квантовая система получает дополнительную энергию за счет света или в ходе химической реакции, волновая функция начинает изменяться. Скачок происходит не мгновенно, а за вполне ощутимый, хоть и крайне малый период времени. Расчеты показывают, что подобные видоизменения обычно происходят в течение 10-18 секунды. Чтобы «захватить» это движение в «объектив» прибора, исследователи нуждаются в очень быстрой вспышке и обычные методы тут не подойдут.

Подобный измерительный прибор гораздо ближе к реальности, чем может показаться. Не так давно ученые смогли получить вспышку света такой длительности (порядка 10-18 секунды), но длина волны этого излучения была в 1000 раз больше, чем необходимо для получения картинки с разрешением на субатомном уровне. Альтернативных решений для работы со светом пока не предложено. Но недавно было показано, что у электронов более «правильная» волновая природа, которая может быть использована для визуализации с нужным масштабом.

Столь короткий импульс электронов — это серьезная научная задача. Сложность при ее решении заключается в том, что электроны отражают друг друга. Однако несколько научных групп предложили свои пути для ее решения. Причем, предложенный вариант не обладает недостатками ультракороткой световой электромагнитный волны. Процессу все еще могут помешать неупругие столкновения электронов между собой, ведь невозможно измерить систему, которая изменяется под воздействием прибора наблюдателя. Таким образом, новой целью ученых стало полноценное трехмерное моделирование процесса взаимодействия ультракороткого электронного импульса с потенциальными объектами наблюдения в попытках обойти это ограничение.

Детально результаты вычислительного эксперимента изложены в статье в журнале Physical Review Letters. В своей работе ученые из США моделировали рассеяние электронного импульса длительностью 110*10-18 секунды на различных атомных и молекулярных цепях. При различных вариантах взаимодействия электронного импульса с «мишенью» исследования показали, что, несмотря на упругие столкновения, наблюдение таких атомных систем возможно. Более того, ученые дали детальную картину того, что экспериментаторы смогут наблюдать на практике. Таким образом, будет проще интерпретировать результаты, когда исследования наконец дойдут до стадии практики.

Визуализация процессов, происходящих с электронами в атомах и молекулах во время химических реакций, в будущем позволит не просто глубже понять механизмы электронного обмена, но и управлять ими.

По материалам www.sci-lib.com

Наименования больших чисел

Для удобства чтения и запоминания больших чисел цифры их разбивают на так называемые классы: справа отделяют три цифры (первый класс), затем еще три (второй класс) и т. д. Последний класс может иметь три, две или одну цифру. Между классами обычно оставляется небольшой пробел.

Например, число 35461298 записывают так: 35 461 298. Здесь 298 — первый класс, 461 — второй, 35 — третий. Каждая из цифр класса называетсяразрядом; счет разрядов также идет справа. Например, в первом классе 298 цифра 8 составляет первый разряд, 9 — второй, 2 — третий. В последнем классе может быть три, два разряда (в нашем примере: 5 — первый разряд, 3 — второй) или один.

Первый класс дает число единиц, второй — тысяч, третий — миллионов; сообразно с этим число 35 461 298 читается: тридцать пять миллионов четыреста шестьдесят одна тысяча двести девяносто восемь. Поэтому говорят, что единица второго класса есть тысяча; единица третьего класса — миллион.

Единица четвертого класса называется миллиардом или, иначе, биллионом (1 миллиард = 1000 миллионов). Единица пятого класса называется триллионом (1 триллион = 1000 биллионов или 1000 миллиардов).

Единицы шестого, седьмого, восьмого и т. д. классов (каждая в 1000 раз больше предшествующей) называются квадриллионом, квинтиллионом, секстиллионом, септиллионом и т. д.

Пример. 12 021 306 200 000 читается: двенадцать триллионов двадцать один миллиард триста шесть миллионов двести тысяч.

По материалам www.mathworld.ru

Полимер с уникальной способностью к самовосстановлению

Любой знает, что рано или поздно порез на коже затягивается, сломанная кость срастается, чего нельзя сказать на поцарапанной краске на крыле машины или летательного аппарата. Специалисты по химии материалов давно разрабатывают материалы, способные к самовосстановлению; такие материалы должны отличаться увеличенным сроком годности, а также облегчать процесс ремонта или починки изделий или покрытий, изготовленных из них.

Исследователи получили полимер, структурные звенья которого были поперечно сшиты тритиокарбонатными фрагментами. Самопроизвольное объединение двух полимерных фрагментов, за счет инициируемого ультрафиолетовым облучением сшивания полимерных нитей, может протекать как в растворе, так и при повреждении «куска» нового материала.

Криштоф Матяжевский (Krzysztof Matyjaszewski) с соавторами из Университета Карнеги Меллон (Питтсбург, США) и Университета Киюши (Япония) получили полимер, способный к самовосстановлению при облучении ультрафиолетом, причем цикл повреждение-восстановление может проходить несколько раз.

Как уверяют исследователи, полученный ими полимер является первым материалом, в котором осуществляется многократное образование разрушаемых ковалентных связей таким образом, что могут «срастись» даже два полностью разъединенных куска материала.

Ряд разработанных ранее самовосстанавливающихся материалов содержали капсулы, которые, повреждаясь при разрыве материала, выпускали восстанавливающие структуру полимера химические вещества, однако при реализации такого подхода каждая капсула может использоваться для восстановления полимера лишь единожды. Ряд других материалов может самовосстанавливаться несколько раз подряд, однако, так как это происходит за счет восстановления ион-ионного взаимодействия или сетки водородных связей, такие материалы обычно отличаются небольшой прочностью.

Новый полимерный материал, созданный исследователями из США и Японии, отличается от вышеупомянутых систем в лучшую сторону тем, что он обладает достаточной прочностью на разрыв, и, при этом может подвергаться неоднократному восстановлению. Секрет нового материала заключается в том, что нити этого полимера сшиты с помощью тритиокарбонатных фрагментов.

Тритиокарбонатные фрагменты могут реструктурироваться при облучении ультрафиолетом. В результате облучения в тритиокарбонате разрушается связь углерод-сера, что приводит к образованию радикалов, которые затем быстро атакуют другую тритиокарбонатную группу, регенерируя связь углерод-сера, образуя дополнительные радикалы. Инициированная ультрафиолетом реакция останавливается при встрече и рекомбинации двух радикалов.

Исследователям удалось наблюдать УФ-инициированное восстановление полимера, даже разрезанного на два отдельных фрагмента, при этом восстановление протекало и при погружении разрезанных частей полимера в жидкость, так и вне жидкости — во втором случае просто плотно сжать края поврежденного полимера и облучить их. Края поврежденного полимера быстро срастались за счет протекания радикального процесса, описанного выше.

Самовосстановление полимера может протекать даже эффектнее — если измельчить кусок полимера, сжать эти небольшие фрагменты друг с другом и облучить, они образуют единый кусок полимера, форма которого соответствует форме камеры, в которой проходило сжатие фрагментов и их облучение. Благодаря химизму процесс самовосстановления одного и того же образца полимера может быть проведен неоднократно. Дополнительной положительной чертой нового полимерного материала является и о, что он практически безопасен с экологической точки зрения.

По материалам www.chemport.ru

Ученые предложили методику обработки поверхности при помощи вихревого лазера

Как показали исследования ученых из Японии, создавать тонкие микроиглы высотой более 10 мкм и диаметром менее 0,3 мкм на поверхности металла можно при помощи всего нескольких импульсов лазерного излучения. Созданные ими в рамках эксперимента матрицы таких микроигл могут применяться в роли электродов в самых разных практических областях.

Вихревой лазер ранее использовался в основном при создании таких инструментов, как оптический пинцет, а также в ряде других оптических приборов. Характерной особенностью таких лазеров является кольцеобразный профиль интенсивности излучения и орбитальный угловой момент, вызванный сингулярностью фазы. На основе этих особенностей группа ученых из Chiba University (Япония) предложила новую сферу применения вихревых лазеров — обработка поверхности металлов для создания специфической нанотекстуры.

В доказательство своих слов группа продемонстрировала поверхность с периодически расположенными микроиглами, созданную при помощи вихревого лазера с круговой поляризацией. Металлические микроиглы формируются при помощи всего нескольких импульсов вихревого лазерного излучения с длиной волны 1064 нм и энергией порядка 2 мДж. Продолжительность одного импульса на эксперименте составляла 30 нс. Высота полученных микроигл составляла не менее 10 мкм (увеличиваясь постепенно при увеличении числа импульсов), а диаметр острия — порядка 0,3 мкм. Контролировался процесс при помощи микроскопа софокусного лазерного сканирования с пространственным разрешением около 0,02 мкм. Как было отмечено выше, помимо отдельной микроиглы, на эксперименте была представлена матрица периодически расположенных микроигл размером 5 на 6. Детально описание работы приведено на страницах он-лайн издания SPIE Newsroom. Там ученые дали подробное описание собранной ими установки, а также небольшую теоретическую базу для обоснования результатов эксперимента.

Ранее ученым уже удавалось создавать подобные массивы при помощи других технологий производства. Однако их формирование требовало строгого соблюдения последовательности химических реакций, занимавших определенное время. Помимо времени, требовались и дополнительные траты на «промежуточные» вещества, необходимые для завершения процесса. В отличие от старых методов, новая технология значительно ускоряет и удешевляет процесс производства.

Разработка имеет самое прямое практическое применение. В частности, созданная матрица может использоваться в качестве массива наноэлектродов для формирования изображений, а также для производства энергосберегающих экранов, работающих по принципу полевой эмиссии. Кроме того, они могут применяться в биомедицинских наноэлектромеханических системах. Последующие исследования группа ученых планирует сосредоточить именно на аспектах практического применения своего ноу-хау.

Массив микроигл, сформированный при помощи вихревого лазера.

По материалам  www.sci-lib.com

Ученым удалось вывести кур, которые не являются переносчиками птичьего гриппа

Группа учёных из Кембриджского и Эдинбургского университетов, а также Управления ветеринарных лабораторий Великобритании вывели генетически модифицированных кур, которые не могут выступать переносчиками вируса птичьего гриппа.

Животные имеют дополнительный участок ДНК. Этот синтетический фрагмент вызывает производство небольших молекул РНК, которые выполняют роль ловушки: они имитируют часть генома, которая присутствует у всехвирусов гриппа сероварианта А и отвечает за их репликацию. Обманутым вирусам кажется, что они нормальным образом размножаются, но в действительности это совсем не так, пишет Компьюлента.

Эксперименты показали, что ГМ-куры могли заражаться птичьим гриппом и даже болеть, но не передавали вирус другим особям, в том числе обычным.

Исследователи считают, что это только первый шаг на пути к созданию генетически модифицированной птицы, а также свиней и прочей домашней живности, обладающей завидной резистентностью ко всем инфекциям и не нуждающейся в вакцинации. Соответственно, вероятность того, что вирус животных нападёт на людей, тоже резко уменьшится.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

По материалам www.sbio.info

Индийская поместная нумерация

В различных областях Индии существовали разнообразные системы нумерации. Одна из них распространилась по всему миру и в настоящее время является общепринятой. В ней цифры имели вид начальных букв соответствующих числительных на древнеиндийском языке — санскрите (алфавит «девангари»).

Первоначально этими знаками представлялись числа 1, 2, 3, ..., 9, 10, 20, 30, ..., 90, 100, 1000; с их помощью записывались другие числа. Впоследствии был введен особый знак (жирная точка, кружок) для указания пустующего разряда; знаки для чисел, больших 9, вышли из употребления, и нумерация «девангари» превратилась в десятичную поместную систему. Как и когда совершился этот переход — до сих пор неизвестно.

К середине VIII в. позиционная система нумерации получает в Индии широкое применение. Примерно в это время она проникает и в другие страны (Индокитай, Китай, Тибет, Иран и др.). Решающую роль в распространении индийской нумерации в арабских странах сыграло руководство, составленное в начале IX в. Мухаммедом из Хорезма. Оно было переведено в Западной Европе на латинский язык в XII в. В XIII в. индийская нумерация получает преобладание в Италии. В других странах Западной Европы она утверждается в XVI в. Европейцы, заимствовавшие индийскую нумерацию от арабов, называли ее арабской. Это исторически неправильное название удерживается и поныне.

Из арабского языка заимствовано и слово «цифра» (по-арабски «сыфр»), означающее буквально «пустое место» (перевод санскритского слова «сунья», имеющего тот же смысл).

Это слово первоначально употреблялось для наименования знака пустующего разряда и этот смысл сохраняло еще в XVIII в., хотя уже в XV в. появился латинский термин «нуль».

Форма индийских цифр претерпевала многообразные из

менения. Та форма, в которой мы их пишем, установилась вXVI в.

По материалам www.mathworld.ru

 

 

 

 

 

 

 

 

Новый химический элемент будет назван в честь Коперника

Новый и самый тяжелый элемент периодической таблицы химических элементов полчит имя «copernicium» (коперникий) в честь астронома Николая Коперника.

«Мы хотим почтить память выдающегося ученого, изменившего наш взгляд на мир», пояснил выбор названия элемента Сигурд Хофманн, глава команды ученых, открывших элемент в Центре исследования тяжелых ионов GSI Гельмгольца в Германии. Напомним, что Коперник (1473–1543) открыл факт вращения Земли вокруг Солнца, тем самым проложив путь современному мировоззрению.

Элемент под номером 112 (теперь «Cp») был открыт 13 лет назад после бомбардировки свинцовой мишени ионами цинка в ускорителе частиц упомянутого центра.

Но так как за доли секунды новый элемент распадается, его существование требовалось доказать. И для доказательства необходимо было использовать невероятно скоростные и чувствительные методы анализа. Соответствующие эксперименты проводила команда из 21 исследователя из Германии, Финляндии, России и Словакии.

Тем не менее, Международный союз теоретической и прикладной химии лишь пару недель назад официально признал открытие. Официальное название элемента будет утверждено союзом в течение шести месяцев (это необходимо для того, чтобы научное сообщество могло обсудить название и в случае необходимости представить альтернативу).

С 1981 года эксперименты на ускорителе в Центре исследования тяжелых ионов позволили открыть 6 химических элементов с атомными числами от 107 до 112.

Поступить в МТИ