Jump to content
Sign in to follow this  
Flanger

Вокруг Науки Техники

Recommended Posts

Цитата

 

Раскрыт механизм образования кислорода протистами

Пятьдесят процентов кислорода, которым мы дышим, поступает от микробов океана. И всё же эти крошечные морские организмы долгое время оставались загадкой для науки. Теперь благодаря усилиям более чем ста исследователей по всему миру, учёные нашли способ открыть тайны этих существ с помощью генной инженерии.
 

3fbf69e3d3f51e24e1bfbaa4c235a8b1_ce_1280x682x0x38_cropped_800x427[1].jpg

Эти достижения могут пролить свет на раннюю эволюцию жизни и потенциально даже привести к появлению новых антибиотиков. Исследование также «будет способствовать прогрессу в биологии планктона», — комментирует Анжела Фальсиаторе, морской биолог из CNRS, французского национального исследовательского агентства, которое не было вовлечено в эту работу.

Планктон невидим, его можно заметить только, когда тот окрашивает воду океанов в синий, зелёный и даже красный цвета. Некоторые из этих существ представляют собой одноклеточные организмы, называемые протистами. Подобно растениям они используют свет для преобразования углекислого газа в кислород. Протисты не просто поддерживают наше дыхание, они также составляют основу «пищевой паутины» океана. Изучая гены этого вида, учёные могут пролить свет на многие эволюционные процессы.

Все началось в 2015 году, когда фонд Гордона и Бетти Мур — благотворительная организация, поддерживающая фундаментальные исследования о микробах и окружающей среде, — выделил исследователям 8 миллионов долларов, чтобы ликвидировать пробел в знаниях в этой сфере. Для масштабного исследования, учёные объединили свои знания и опыт, выбрав для работы 39 видов животных.

Следующим шагом было выяснить, как вырастить каждый вид в достаточном количестве для работы. Исследователи протестировали различные комбинации питательных веществ и температур с каждым, чтобы увидеть, что работает лучше всего.

Затем, чтобы исследовать гены, учёные должны были попытаться ввести в них чужеродную ДНК. Но и это ещё не все, ДНК должна была стать частью генома или, по крайней мере, превратиться в белок.

Иногда ген проникал внутрь и начинал производить белки. Но иногда оборона протиста разрушала его. «Ни одна группа в мире не смогла бы справиться с этими техническими проблемами в одиночку», — говорит Фальсиаторе.

В итоге, учёным удалось добавить гены к 13 видам. Такие результаты должны помочь узнать, как работают протисты. Изменяя их ДНК и наблюдая за тем, как меняется поведение, функции или биохимия протистов, исследователи начинают узнавать, как работают гены существ. Одним из таких генов, могут быть те, которые влияют на способность бороться с бактериями, могут кодировать белки. Это в свою очередь может привести к разработке новых антибиотиков для людей.

 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
Цитата

 

Новый фермент сможет переработать 90 процентов пластиковых бутылок

Ученые синтезировали усовершенствованную гидролазу — фермент, который расщепляет до 90 процентов ПЭТ (полиэтилентерефталата) на мономеры за 10 часов. Полученный пластик по свойствам не уступает тому, что был произведен из нефтепродуктов изначально, и может использоваться вновь для изготовления упаковки и текстиля, что позволит достичь замкнутого производственного цикла. Статья опубликована в журнале Nature.

Каждый год в мире производится около 350 миллионов тонн пластика, и около 200 миллионов тонн практически сразу же становятся твердыми бытовыми отходами, потому что используются в течение короткого промежутка времени и далее не подвергаются переработке. Одна пятая мирового пластика приходится на полиэтилентерефталат (ПЭТ) — этот материал используют для изготовления текстиля и упаковки, преимущественно пластиковых бутылок для воды и газированных напитков.

ПЭТ является сложным полиэфиром и плохо поддается гидролизу из-за высокого содержания ароматических фрагментов терефталата. Наиболее распространенный способ его переработки — термомеханический. К сожалению, он приводит к потере механических свойств, и качество материала на выходе получается гораздо более низким, чем у исходного. Ученые уже описывали ПЭТ-гидролазы — энзимы, которые способны деполимеризовать ПЭТ и переработать его в новое сырье хорошего качества, однако, все они демонстрировали низкую производительность и были нерентабельными.

Французские ученые во главе с Валери Турнье (Valérie Tournier) из Университета Тулузы начали поиски усовершенствованной PET-гидролазы. На данный момент они завершили первый этап проекта и добились эффективной переработки терефталевой кислоты, на которую приходится основная масса ПЭТ — 863 килограмма в одной тонне ПЭТ отходов.

В ходе исследования они обрабатывали коммерческий аморфный ПЭТ различными ферментами: гидролазами BTA1 и BTA2 почвенной бактерии Thermobifida fusca; кутиназой патогенного гриба Fusarium solani pisi; ПЭТазой грамотрицательной бактерии Ideonella sakaiensis и кутиназой LCC, полученной из листового компоста листьев. Они обнаружены, что LCC в 33 раза эффективнее прочих ферментов и демонстрирует самую высокую термостабильность.

Далее ученые попытались дополнительно улучшить ферментативную активность и термостабильность LCC с помощью белковой инженерии: химическую активность улучшил целевой мутагенез ключевых аминокислотных остатков, а термостабильность удалось повысить за счет добавления дисульфидного мостика.

В итоге специалисты остановились на версии ПЭТ-гидролазы, которая расщепляет 99,8 процента терефталевой кислоты на мономеры (а это составляет 90 процентов ПЭТ отходов) за 10 часов. При этом стоимость фермента, необходимого для переработки одной тонны , составляет всего лишь 4 процента от цены тонны первичного ПЭТ. Из переработанного сырья уже были изготовлены пластиковые бутылки для напитков, и по свойствам они не уступали оригинальным.

 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
Цитата

 

Пекарские дрожжи научили производить псилоцибин

Датские ученые внедрили пекарским дрожжам (Saccharomyces cerevisiae) гены ферментов, которые обеспечивают синтез псилоцибина, сообщается в Metabolic Engineering. Гены оказались функциональными в новом организме и помогли произвести нужный алкалоид. При этом модифицированным дрожжам не потребовалось добавлять в питательную среду промежуточные продукты его синтеза, такие как 4-гидроксииндол.

Псилоцибин — алкалоид грибов рода Psilocybe и некоторых других. Поскольку он обладает галлюциногенным эффектом, во многих странах его запрещено употреблять. Однако в последние годы у псилоцибина обнаружили сильные антидепрессивные свойства. Также он снизил тревожность у больных раком и не вызвал серьезных побочных эффектов. В настоящий момент в серии клинических испытаний оценивают его способность снижать тягу к алкоголю.

Если вещество окажется эффективным и безопасным, его статус могут пересмотреть и начать с его помощью лечить описанные состояния. Тогда понадобится получать его в достаточно больших количествах. Извлекать псилоцибин из Psilocybe весьма затратно: его масса составляет 0,2–1 процента от общей сухой массы гриба. Поэтому имеет смысл «научить» другие организмы производить это вещество в больших количествах. Лучше выбирать такие, которые уже используются в биотехнологии.

Для этого модельным организмам нужно уметь синтезировать ферменты, которые обеспечивают синтез псилоцибина из предшественников. Это многоступенчатый процесс — для каждой реакции необходим свой фермент, а он или его ген могут не работать вне клеток грибов. Проблема такого рода возникла, когда псилоцибин «учили» делать кишечную палочку (Escherichia coli). Тогда оказалось, что грибной катализатор одной из важнейших реакций в цепочке — присоединения гидроксильной группы к четвертому атому углерода индольного кольца — не функционирует. Поэтому в питательную среду бактериям приходилось добавлять готовый 4-гидроксииндол.

Сотрудники Датского технического университета во главе с Ириной Бородиной (Irina Borodina) внедрили гены ферментов, необходимых для синтеза псилоцибина из глюкозы, в более близкий Psilocybe организм — пекарские дрожжи. Это тоже гриб. Все нужные гены за единственным исключением были получены от Psilocybe cubensis. В их числе был ген фермента, катализирующего гидроксилирование индольного кольца.

Дрожжи смогли синтезировать все необходимые ферменты и, следовательно, псилоцибин. В отличие от E. coli, в питательную среду дрожжам не нужно было добавлять необычные вещества: сырьем для производства алкалоида служила глюкоза. Максимальный выход псилоцибина составил 627 миллиграммов на литр культуры дрожжей. Также грибы производили продукт распада псилоцибина — псилоцин — в концентрации до 580 миллиграмов на литр. Помимо этого оказалось, что модифицированные дрожжи производят и другие триптамины, в частности, беоцистин, норбеоцистин и эругинасцин. При этом, что достаточно важно, в культуре дрожжей не накапливался этанол.

Это не первый случай, когда псилоцибин синтезируется другими грибами, которые в норме не способны это делать. Ранее исследователи из Йенского университета (Германия) добились экспрессии генов, которые обеспечивают образование соответствующего алкалоида у аспергилла гнездового (Aspergillus nidulans). Хотя этот гриб широко распространен, методики культивации дрожжей лучше проработаны, так что добывать этот алкалоид из S. cerevisiae должно быть выгоднее.

Работа интересна еще и тем, что это пример эксплуатации «конструктора ферментов» в синтетической биологии. Если подобрать нужную комбинацию биологических катализаторов и внедрить их в клетки какого-нибудь модельного организма, можно в теории получать не только уже известные вещества, но и такие, которые не встречаются в природе. Учитывая, как много существует производных индола и насколько разнообразные функции они выполняют, сборка систем для их синтеза будет полезна не только в психофармакологии, но и для производства лекарств другого профиля, а также для агрономии, парфюмерии и многих других отраслей.

Пекарские дрожжи — классический объект биотехнологии. Число веществ, которые научились синтезировать с их помощью, огромно. Среди них — морфин, различные каннабиноиды, носкапин (алкалоид, помогающий при кашле и, вероятно раке), гераниол и линалоол (придают пиву характерный вкус и запах).

 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
Цитата

 

Литий-серные батареи позволят электромобилям проезжать 2000 км

Новая технология аккумуляторов даст возможность существенно повысить автономность электромобилей.

Австралийская компания Brighsun New Energy разработала новые литий-серные (Li-S) батареи с плотностью энергии в 5−8 раз выше, чем у использующихся сейчас аккумуляторов. Кроме того, новые батареи способны сохранять 91% своей первоначальной ёмкости после 1700 циклов на скорости 2C (полная зарядка/разрядка за 30 минут) со снижением ёмкости за цикл 0,01%. Даже при более агрессивном испытании на скорости 5С (будучи полностью заряженной/разряженной за 12,5 минут), Li-S батарея сохраняет 74% своей первоначальной ёмкости после 1000 циклов (снижение ёмкости за цикл 0,026%).

У литий-серных аккумуляторов, несмотря на их характеристики, главной проблемой было появление в процессе эксплуатации полисульфидов лития, который растворялся в электролите и существенно понижал эффективность батареи. Австралийским инженерам удалось создать решение, в котором сера и углерод катода и электролит разделены особой мембраной, предотвращающей образование полисульфида на серном катоде и дендритный рост лития на аноде.

Brighsun New Energy начала подготовку к производству первой опытной партии Li-S батарей с плотностью энергии 1000 Вт•ч/кг, которая после активации при скорости заряда 1C способна вырасти уже до 2103,8 Вт•ч/кг. Как заявили авторы новых аккумуляторов, технология позволит оснащать мобильные устройства батареями, заряжающимися с нуля всего за 10 минут, а электромобили можно будет комплектовать аккумуляторами, обеспечивающими запас хода без подзарядки до 2000 километров и жизненным циклом батарей до 2 миллионов километров.

Примечательно, что стоимость новых литий-серных батарей будет около $63 за 1 кВт•ч, что существенно ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов, а сырья для производства новых батарей в одной только Австралии хватит более чем на век. При этом процесс создания Li-S аккумуляторов более экологичен, а кроме того новые батареи позволяют практически полностью перерабатывать их по окончании срока службы.

 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
Цитата

 

Фотосинтез улучшили на двадцать процентов.

Искусственный фотосинтез, собранный в водных микрокаплях, перерабатывает в несколько раз больше углекислого газа, чем растения.

Суть фотосинтеза в том, что углекислый газ с помощью энергии света превращается в глюкозу. В эту короткую фразу укладывается множество реакций и множество сложнейших молекул, не говоря уже о том, что у фотосинтеза есть много вариантов: например, кислород получается не при всяком фотосинтезе, некоторые фотосинтезирующие бактерии его не выделяют.

Но при всей сложности фотосинтеза в нём можно выделить фазу, которая идёт только на свету, и фазу, которая может идти в темноте. Световая фаза (которая сама делится на несколько этапов) – это уловление квантов света и превращение их энергии в химическую энергию молекул АТФ, или аденозинтрифосфата. Химические связи в АТФ легко рвутся, высвобождая много энергии, которую можно использовать в любых биохимических реакциях. И в темновой фазе фотосинтеза энергия АТФ расходуется на синтез из CO2 углеводной молекулы.

Главную роль тут играет фермент, которого сокращённо зовут РуБисКо (а вообще-то – рибулозобисфосфаткарбоксилаза). РуБисКо присоединяет молекулу углекислого газа к вспомогательной молекуле рибулозо-1,5-бисфосфат, и образующееся соединение подхватывают другие ферменты. То есть РуБисКо – тот самый, кто вовлекает СО2 в органическую жизнь.

Но работает этот фермент медленно, даже слишком медленно – он использует всего 5–10 молекул в минуту. Собственно, он ограничивает рост растений: если бы РуБисКо работал быстрее, то и биомасса прирастала скорее (хотя РуБисКо есть не только у растений). И вот несколько лет назад исследователи из Института наземной микробиологии Общества Макса Планка модифицировали один из бактериальных ферментов РуБисКо так, что он стал работать в 10 раз быстрее. Кроме того, модифицированный фермент дополнили ещё шестнадцатью ферментами из девяти различных организмов, чтобы все вместе они образовали единую цепочку – получился CETCH-цикл (CETCH – аббревиатура из названий разных промежуточных веществ, которые получаются в ходе цикла).

Следующим шагом было соединить CETCH-цикл со световой фазой. Для этого взяли тилакоидные мембраны из листьев шпината. Тилакоиды – мембранные пузырьки, которые находятся в хлоропластах; мембраны тилакоиды усажены ферментами, которые выполняют светозависимые реакции фотосинтеза. Известно, что тилакоиды могут жить и работать вне растительной клетки, и в статье в Science описано, как тилакоиды удалось совместить с белками ускоренного CETCH-цикла.

Ферменты CETCH и тилакоиды заключали в крохотные водяные капельки; пропорции ферментов в этих каплях можно было менять по своему усмотрению, и производить тысячи микрокапель с одинаковым составом. В итоге удалось оптимизировать общий рецепт так, чтобы темновой CETCH-цикл и световые реакции тилакоидов сочетались друг с другом с наибольшей эффективностью. С энергетической точки зрения улучшенный фотосинтез оказался в среднем на 20% эффективнее, чем фотосинтез растений.

Тут нужно уточнить, что CETCH-фотосинтез заканчивался не глюкозой – в капельках получалась гликолевая, или гидроксиуксусная, кислота. Впрочем, здесь важно то, что углекислый газ в принципе удалось втянуть в органические соединения, и что это получается делать с намного большей эффективностью, чем у обычных растений.
Гликолевую кислоту используют в различных хозяйственных отраслях, из неё можно делать другие органические вещества, так что микрокапли с улучшенным фотосинтезом могут стать обычным делом на предприятиях органического синтеза (где они заодно будут поглощать большое количество углекислого газа).
Кроме того, авторы работы не исключают, что весь процесс можно модифицировать так, чтобы на выходе получалась какая-нибудь другая органика – например, молекулы-предшественники лекарств, или растительные гормоны, или что-нибудь ещё. Правда, тут стоит помнить и об экономической выгоде: всё-таки растительные мембраны, которые трудятся в микрокаплях, не очень долговечны, а получать их заново из того же шпината – не очень простая задача. Впрочем, может быть и мембраны удастся заменить на что-то искусственное и недорогое.

 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
Цитата

 

Найден эффективный механизм архивирования данных

Исследователи из Университета Нью-Йорка и IBM открыли новый механизм, который позволяет более эффективно архивировать данные.

Ученым удалось найти механизм, который позволяет управлять направлением вращения электронов, что в свою очередь, позволяет контролировать записанные биты. По словам Джонатана Снау из IBM, это открытие снизит количество энергии и уменьшит место, необходимые для хранения информации.

Новое открытие находится в области спинтроники и затрагивает механизм перемещения электронов в магнитных материалах. В данном исследовании ученые применили планарный эффект Холла в ферромагнитном проводнике, чтобы контролировать такое же направление оси спин-поляризации.

Таким образом, открытый учеными механизм, позволит создавать устройства для хранения информации нового типа.

 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
Цитата

 

В США запустили первый завод по производству зеленого водорода.

Компания Solena Group запустила первый коммерческий проект, стоимостью около 55 млн долларов США в городе Ланкастер, штат Пенсильвания. Solena — одна из компаний, которая уже несколько лет ищет способы дешевого производства водорода без образования вредных выбросов. Они хотят стать главным поставщиком экологически чистого топлива, которое в будущем может заменит нефть и газ.

«Если мы продолжим производить энергию так, как мы это делали, то через 50 лет нашу планету нельзя будет узнать. Мы рады находить новые способы производства зеленого топлива и распространить наши идеи по всей стране», — отметили в компании.

Энергетическая компания будет производить водород с помощью технологии плазменного нагрева — этот метод впервые разработали в НАСА. Для него применяют специальные факелы, в которых при протекании электрического тока через разрядный промежуток образуется плазма, используемая для обработки материалов.

Водород давно рассматривается в качестве перспективного технологического направления долгосрочного хранения энергии. Однако исследователи отметили свои преимущества — они могут хранить излишки в твердом материале — борогидриде натрия. Он может впитывать водород, как губка, а затем выделять его обратно.

 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
Цитата

 

Бутылки из биоразлагаемого пластика скоро могут стать повседневной реальностью

Есть вероятность, что в скором времени пиво и безалкогольные напитки можно будет пить из бутылок, подобных пластиковым, но сделанных из полностью растительного биоразлагаемого материала.

Биохимическая компания Avantium из Голландии начинает поиск инвестиций в новаторский проект по производству пластика из растительных сахаров, а не из ископаемого топлива. Генеральный директор компании Том ван Акен (Tom van Aken) надеется до конца года привлечь крупных инвесторов для создания ведущего в мире завода по производству биопластиков. Завод будет построен рядом с уже построенным небольшим демонстрационным заводом. На заводе будут разлагать устойчивые растительные сахара, полученные из пшеницы, кукурузы и свёклы, на простые химические структуры, которые затем можно будет перестроить для образования нового пластичного материала. Сначала завод будет производить 5000 тонн пластика в год, а затем, по мере роста спроса на биоразлагаемые пластики, повысит объёмы производства. Со временем планируется начать добывать сахара из биологических отходов, чтобы не спровоцировать значительные изменения в цепочке производства пищевых продуктов.

Инициатива была заявлена в январе этого года, и уже удалось заручиться поддержкой группы пивных ритейлеров Carlsberg, которые в октябре прошлого года выставили проект пивной биоразлагаемой бутылки из плотной бумаги — но внутренний слой, необходимый, чтобы бутылка не протекала, оставался из полиэтилентерефталата (сокращённо — ПЭТ), из которого делают большинство пластиковых бутылок на сегодняшний день (он производится из возобновляемого сырья, но не является биоразлагаемым, то есть, бутылка при такой технологии не являлась бы полностью биоразлагаемой). Carlsberg в проекте биоразлагаемой бутылки планирует сменить материал внутренней облицовки с ПЭТ на биопластик от компании Avantium.

Paper-Bottle-with-PEF-prototype-1140x868.jpg
Бумажная бутылка от Carlsberg.

Проект поддержали также Coca-Cola и Danone, которые надеются «застолбить» за собой место в производстве будущего, в котором будет недопустимо продолжать загрязнять природу неразлагающимся пластиком или полностью полагаться на ископаемые ресурсы.

Каждый год мир производит по 300 миллионов тонн пластика из ископаемых ресурсов. Большая часть этого пластика не подвергается переработке и частично оседает на дне океана в виде микрочастиц, которые не разложатся еще сотни лет. То есть, проблема замусоривания природы и загрязнения океана напрямую связана с производством больших объёмов неперерабатываемого пластика.

Материал от Avantium достаточно крепок и эластичен, чтобы из него делать тару для газированных напитков. В отличие от большинства пластиков, материал от Avantium не использует невозобновляемых ресурсов, в отличие от ПЭТ он разлагается в компосте за один год, а в природе — за два-три. К тому же материал может быть переработан.

Бутылки из такого пластика могут появиться на прилавках к 2023 году. Однако стоит учитывать, что это не первый когда-либо предложенный биоразлагаемый пластик, и что многие новаторские экопроекты в недавнем прошлом терпели неудачу из-за сопротивления на разных уровнях производственной цепи.

 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
Цитата

 

Биологи доказали, что растения помогают друг другу в тяжелых условиях.

Биологи из Тюбингского университета создали и проверили на практике модель, демонстрирующую, что произрастающие в одном месте растения в трудных условиях оказывают друг на друга положительное воздействи

Биологи доказали, что растения помогают друг другу в тяжелых условияхRod Waddington, CC BY-SA 2.0

Ученые исходили из существующих эмпирических исследований, согласно которым растения в условиях, например, слишком соленой почвы или слишком высокой температуры, скорее помогают другу, чем конкурируют между собой. «При сильной жаре, к примеру, большие растения делятся тенью с маленькими, и те могут лучше расти», — говорит одна из авторов исследования профессор Катя Тильбергер. Однако в нормальных условиях такие взаимоотношения вполне могут перерастать и в конкуренцию.

В созданной ими математической модели тюбингские биологи совместили два основных фактора — плотность произрастания и стрессовые условия. В результате они выяснили, что при стрессе наличие соседей приносит растениям пользу, и только при очень высокой плотности возникает конкуренция.

Теоретическую модель ученые успешно проверили на практике, проведя ряд экспериментов с выращиванием в почве с разной степенью солености резуховидки Таля — растения, часто используемого в биологических исследованиях. В искусственно засоленной почве резуховидки, имевшие много соседей, росли гораздо лучше, в то время как редко посаженные растения заметно больше страдали от тяжелых условий, а многие из одиночных погибли. При этом высаженные в нормальную почву растения оказывали на своих соседей негативное влияние как на конкурентов.

Авторы исследования уверены, что разработанная ими модель имеет широкое применение и может быть использована для прогнозирования реакции растений на стрессовые условия, в том числе, на повышение температуры и засухи в условиях глобального изменения климата.

 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.

Guest
Reply to this topic...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

Loading...
Sign in to follow this  

×
×
  • Create New...