По мере появления более точных инструментов наука углубляется в структуру вещества, оперируя сегодня молекулами и атомами. Это помогает в разработке новых лекарств, материалов и даже в сфере электроники, где всё чаще говорят о перспективах перехода на транзисторы величиной с один атом. Чтобы вовлечь в эти процессы больше участников, оборудование должно становиться проще, и учёные активно работают над этим.

Источник изображения: Steffen J. Sahl / Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences

Одной из проблем работы с нанометровыми структурами остаётся измерительное оборудование, которое отличается высокой сложностью, громоздкостью и дороговизной. Даже простое измерение расстояний между молекулами требует электронных микроскопов и прочего сложного оборудования. К сожалению, физические законы не позволяют использовать для таких операций удобные и относительно простые оптические приборы, самым ярким примером которых является микроскоп.

Исследователи из Института междисциплинарных наук имени Макса Планка в Германии смогли внести значительные изменения в область измерения внутримолекулярных расстояний с точностью до ангстрема, используя оптические методы. Фактически, они смогли измерить расстояние шириной в один атом, не прибегая к сложным приборам.

Можно сказать, что учёные сделали это открытие случайно. Они изучали пространственную структуру белков (сворачивание белков) с использованием флуоресцентных маркеров. К молекулам прикреплялись маркеры на основе полипролина, который уже используется в качестве «линейки» в структурной биологии, а затем образцы освещались лазером. Возбуждённое лазерным импульсом свечение маркеров фиксировалось как электромагнитное излучение и давало представление о расстоянии между метками.

Проделанная работа позволила учёным разработать новый подход для измерения внутримолекулярных расстояний в диапазоне от 1 до 10 нанометров для типичных молекул, который они назвали Minflux. Наименьшее расстояние, которое исследователи смогли измерить этим способом, составило 0,1 нм, что соответствует ширине одного атома. Этот метод был проверен на органических молекулах, но остаётся возможность, что с его помощью можно будет измерять расстояния в полупроводниках, что существенно помогло бы развитию электроники эпохи ангстрема.

Шведская королевская академия наук разделила Нобелевскую премию по химии за 2024 год между Дэвидом Бейкером (David Baker) из Университета Вашингтона и Демисом Хассабисом (Demis Hassabis) и Джоном Джампером (John Jumper) из Google Deep Mind за создание машинных алгоритмов по предсказанию структуры белков. Поскольку оба достижения направлены на изучение белков — кирпичиков биологической жизни на Земле — эта работа учёных бесценна.

Источник изображения: nobelprize.org

Машинное обучение и искусственный интеллект снова отметились престижной наградой. Вчера стало известно о нобелевских лауреатах по физике за 2024 год, которыми стали создатели нейросетей и алгоритмов. Произошло это не вдруг. Массовое понимание перспектив машинного обучения было взбудоражено чуть более года назад множественными образцами «нейроарта». И теперь многие осознали, насколько это может быть захватывающе и полезно.

Демис Хассабис и Джон Джампер с коллегами из Deep Mind представили платформу AlphaFold широкой общественности в 2018 году. С тех пор вышло несколько версий программы вплоть до третьей в мае этого года. До появления AlphaFold биологи и химики фактически вручную прогнозировали объёмные структуры белков. Все они состоят примерно из двух десятков аминокислот. В зависимости от последовательностей соединений итоговый белок примет в пространстве ту или иную уникальную конфигурацию.

Белок будет полезным, если его форма подойдёт как ключ к замку к тому или иному соединению, живой клетке или её элементу. Тогда он сможет присоединиться и прореагировать. Это позволяет открывать новые лекарства, ферменты и многое другое в биологии и химии. Но предсказать 3D-форму новых белков среди сотен миллионов вариантов — это непосильная для человеческого ума задача. Программа AlphaFold играючи предсказала пространственную форму всех уже известных науке 200 млн белков и готова предсказывать форму не существующих в природе соединения аминокислот.

Дэвид Бейкер делал эту работу за многие годы до появления AlphaFold. Он создал абсолютно новый и ни на что не похожий белок ещё в 2003 году, чем также заслужил признание со стороны Комитета нобелевской премии. В этом году награда нашла героев. Необычным, полезным и жизненно важным белкам — быть.

Запись информации в ДНК обещает кардинально повысить плотность цифровых архивов, а способность этих молекул воспроизводить последовательности нуклеотидных оснований сравнима с редактированием и исполнением кода. До недавних пор учёным удавалось либо одно, либо другое, что далеко от идеала — создания биокомпьютеров для одновременного хранения и обработки информации. Учёные из США утверждают, что у них появилось решение.

Источник изображения: Pixabay

По словам исследователей из Университета Северной Каролины (NC) и Университета Джонса Хопкинса (Johns Hopkins University), они создали буквально предшественника всех ДНК-компьютеров будущего — систему, которая обеспечивает полный набор вычислительных функций с использованием цепочек нуклеиновых кислот, таких как хранение, считывание, стирание, перемещение и перезапись данных, а также управление этими функциями, как это делает обычный программируемый компьютер.

«Считалось, что, хотя хранение данных в ДНК может быть полезным для долгосрочного хранения информации, было бы трудно или невозможно разработать ДНК-технологию, которая охватывала бы весь спектр операций, присущих традиционным электронным устройствам, — поясняют авторы работы. — Мы продемонстрировали, что эти технологии, основанные на ДНК, жизнеспособны, потому что мы их создали».

В основе разработки лежит технология упорядоченного или даже иерархического распределения ДНК, тогда как обычно учёные работали с ДНК, свободно плавающими в растворах. Для этого учёные создали разветвлённую «волокнистую» структуру из такого полимера, как дендриколлоид диаметром 50 мкм. ДНК как бы вплетались в древовидную структуру нитей полимера, что позволяло, например, упростить стирание и перезапись заданных участков подобно работе с жёстким диском.

При этом чтение не разрушало информацию (ДНК), так как она извлекалась из основы с помощью воспроизведения нужных участков в РНК — естественной функции, миллиарды лет присущей механизму дупликации с использованием ДНК. Одним из важнейших открытий стал найденный учёными способ отличать ДНК от основания (от волокон, в которые вплетены эти молекулы). Далее учёные показали, что с этими данными (с нуклеотидными основаниями) можно производить вычисления, как на обычном компьютере.

Искусственное старение образцов показало, что при температуре 4 °C информация может сохраняться до 6000 лет, а при заморозке до -18 °C — до 2 млн лет. В одном кубическом сантиметре предложенная основа — дендриколлоид — сможет хранить до 10 Пбайт данных. Это хорошая заявка на расширение ёмкостей для длительного хранения архивов, которые смогут пережить не одну цивилизацию на Земле.

Смитсоновский национальный институт зоопарков и природоохранной биологии (NZCBI) совместно с Национальным музем авиации и космонавтики при Смитсоновском институте и другими организациями предложил план по созданию на Луне банка земных биоматериалов. Такой банк будет выгодно отличаться от земных хранилищ, ведь на Луне множество мест с вечным холодом, что позволит сэкономить на криогенном охлаждении и постоянной поддержке низких температур.

Образцы кожи бычков синеточечных изучат для длительной криозаморозки и хранения в условиях Луны. Источник изображения: NZCBI

«Изначально лунное биохранилище предлагалось для видов, наиболее подверженных риску [исчезнуть] на Земле сегодня, но нашей конечной целью стало бы криоконсервирование большинства земных видов, — сказала Мэри Хагедорн (Mary Hagedorn), учёный-криобиолог из NZCBI и ведущий автор статьи. — Мы надеемся, что, поделившись нашим видением, наша группа сможет найти дополнительных партнёров для расширения диалога, обсуждения угроз и возможностей и проведения необходимых исследований и испытаний, чтобы превратить это биохранилище в реальность».

Свой план и пути его реализации учёные изложили в статье в журнале BioScience. В работе изложены идеи по управлению лунным хранилищем биоресурсов, типам биологического материала для хранения и изложена методика проведения экспериментов для осознания и решения таких проблем, как влияние на сохраняемый биоматериал радиации и микрогравитации. Для практических экспериментов в этом направлении учёные предложили использовать образцы кожи исчезающего вида коралловых рыб бычков синеточечных (Asterropteryx semipunctata, англ. starry goby), криоконсервированную кожу которых уже хранит Смитсоновский национальный музей естественной истории.

На Земле самым масштабным проектом по хранению охлаждённого биоматериала стало Всемирное семенохранилище на Шпицбергене. Сегодня там хранится около 1 млн семян, которые охлаждаются всего до -18 °C. Биоматериалы животных для длительного хранения необходимо охлаждать до более низких температур (до -196 °C), для чего требуется жидкий азот, электричество и обученный персонал. Каждый из этих факторов по отдельности — это уже повод для беспокойства о сохранности материала, а всё вместе — это высокий риск потерять замороженные образы в случае аварии. То же хранилище на Шпицбергене, например, столкнулось в 2017 году с подтоплением после непредвиденного начала таяния вечной мерзлоты.

В полярных областях Луны найдётся множество кратеров, в которые никогда не проникает солнечный свет из-за их ориентации и глубины. В этих постоянно затенённых областях температура может опускаться до -246 °C, что более чем достаточно для пассивной криозаморозки. Для защиты ДНК от радиации, в таком случае, образцы можно было бы хранить под поверхностью или внутри сооружений с толстыми стенами из лунных пород.

Если учёные найдут партнёров или источник финансирования идеи, то на следующем этапе они приступят к серии испытаний криозамороженных образцов кожи рыб на воздействие радиации в лаборатории на Земле и на борту МКС. Это поможет разработать упаковку для образцов для их безопасной доставки на Луну. Такие эксперименты обеспечили бы надёжную проверку способности прототипа упаковки выдерживать радиацию и микрогравитацию, связанные с космическими путешествиями и хранением на Луне.

«Мы не говорим о том, что произойдет, если Земля погибнет — если она будет биологически уничтожена, тогда это биохранилище не будет иметь значения, — поясняют авторы работы. — Оно призвано помочь предотвратить стихийные бедствия и, возможно, расширить возможности космических путешествий. Жизнь драгоценна и, насколько нам известно, редка во Вселенной. Это биохранилище предлагает другой, параллельный подход к сохранению драгоценного биоразнообразия Земли».

Учёные из США использовали белок из куриных яиц для создания идеального биологического гидрогеля для 3D-печати живых тканей и даже органов. Исследователи наделили обычный белок свойствами фотополимеризации, позволив ему превращаться в объёмные модели произвольной формы. Это прорыв для исследований по фармакологии, медицине и трансплантации органов, хотя работы в этом направлении предстоит ещё много.

Источник изображения: Terasaki

Сегодня для 3D-печати живых тканей используется множество природных и синтетических материалов. Все они имеют свои достоинства и недостатки, но объединяет их всех ровно одно — высокая цена решений на фоне ограниченных возможностей. Учёные с факультета Терасаки (Terasaki) Калифорнийского университета смогли превратить в гидрогель для 3D-печати живых тканей обычный белок из куриных яиц. Решение оказалось настолько же дешёвое, как и эффективное с впечатляющим набором свойств.

Материалы для 3D-печати должны уметь сохранять форму модели, что обычному куриному белку недоступно. Чтобы изменить это, учёные добавили в белок метакрильные группы, используя для этого метакриловую кислоту. Одно из свойств этой кислоты — фотополимеризация, то есть затвердевание под воздействием света. Белок с метакрильными включениями также оказался чувствительным к свету. При освещении он образовывал прочные продольные связи с лежащими выше и ниже слоями, что позволяло печатать объёмную модель.

Сам по себе белок не является аналогом сердца, печени и даже кожи человека. Но он создаёт основу для управляемого роста специализированных клеток, обеспечивая им защиту, питание и форму.

«Этот инновационный подход к созданию биоконструкций из яичных белков демонстрирует огромный потенциал биоинженерных материалов в тканевой инженерии, — поясняют учёные. — Используя легкодоступные природные ресурсы и улучшая их с помощью хитроумных химических модификаций, мы открываем новые возможности для персонализированной регенеративной медицины. Такие прорывы имеют решающее значение в нашем стремлении разработать более эффективные и доступные решения для лечения полиорганной недостаточности, сердечнососудистых заболеваний и рака».

Южнокорейский учёный Сок Ву Ли (Lee Seok Woo) создал сверхтонкий аккумулятор для умных контактных линз, заряжать который можно от слёз. Источником энергии для заряда аккумулятора служит глюкоза, которая содержится в слёзах. Первоначально работа была направлена на создание бесконтактных глюкометров для помощи людям с диабетом. Четвёртый эпизод шпионской киносаги «Миссия невыполнима» вдохновил учёного на создание батареи для умной контактной линзы.

Источник изображений: Lauren Choo | CNBC

Толщина «глюкозного» аккумулятора всего 0,2 мм, что примерно в два раза толще человеческого волоса. Его размеры были ограничены толщиной современных контактных линз или примерно 0,5 мм, в которые можно было бы без проблем установить такую батарею. Заявленного напряжения прототипа аккумулятора пока недостаточно для чего-то существенного — оно всего 0,3–0,6 В, но учёные обещают улучшить характеристики продукта. По крайней мере, они знают, к чему стремятся.

Для зарядки аккумулятора, покрытого глюкозой, его помещают в физиологический раствор, насыщенный ионами натрия и хлора (хлоридами). В процессе реакции глюкозы с ионами происходит заряд аккумулятора. После 8 часов нахождения в растворе аккумулятор заряжается до 80 % ёмкости и может потом работать в течение нескольких часов в течение суток. Альтернативный вариант заряда от слёз, очевидно, менее действенный, но тоже рабочий. Чтобы зарядить батарею от слёз нужно чаще плакать, поясняют учёные.

«Раствор слёз также содержит глюкозу. Это означает, что, пока вы носите контактные линзы, ваши слезы также могут заряжать аккумулятор, — говорит Ли. — Если вы будете больше плакать, то сможете зарядить свой аккумулятор ещё больше».

Аккумулятор можно заряжать в физрастворе и обычным методом — подавая на него питание по проводам

Предложенное учёными решение способно помочь сразу с двумя проблемами: обеспечить безопасную зарядку аккумулятора умной контактной линзы и позволить следить за уровнем глюкозы в организме пациентов. На стадии коммерческой зрелости такие линзы будут стоить всего несколько долларов, уверены учёные. Что об этом думают производители, не уточняется.

Базовые знания по биологии подсказывают, что жизненные процессы в растениях сопровождаются производством электричества. Водно-ионный обмен в живых тканях создаёт потенциал на подключённых электродах. В теории зелёные насаждения могут стать прямым источником электрической энергии, к чему учёные из Индии призывают готовиться уже сейчас. Для этого они изучили динамику выработки тока растениями в зависимости от циркадных ритмов.

Источник изображения: Indian Institute of Technology (IIT) Kharagpur

Очевидно, что растения по-разному ведут себя днём и ночью, а также в зависимости от погодных факторов. Из этого также следует, что производство электрической энергии тоже будет зависеть от суточных ритмов насаждений. Исследователи из Индийского технологического института в Харагпуре решили с максимально возможной точностью изучить влияние циркадных ритмов и других факторов на генерирующие свойства растений.

В качестве подопытных были выбраны эйхорния толстоножковая (водяной гиацинт, Eichhornia crassipes) и лаки бамбук (драцена сандера, Dracaena sanderiana). Учёные прикрепили к ним электроды, а также подключили датчики к резервуарам с питающей жидкостью для контроля за щелочным составом.

«Этот потоковый [генерирующий] потенциал, по сути, являющийся следствием естественной энергии, получаемой на растении, предлагает возобновляемый источник энергии, который работает непрерывно и может быть устойчивым в течение длительного периода, — сказал автор работы Суман Чакраборти (Suman Chakraborty). — Вопрос, на который мы хотели ответить, заключался в том, какой потенциал оно может вырабатывать и как на электрический потенциал влияют биологические часы растения?».

Эксперименты показали, что электричество на растении можно производить в циклическом ритме. Также учёные установили точную связь между генерацией и присущим растениям суточным ритмом. Сверх того, процессы генерации удалось привязать к потреблению растением воды и ионному обмену в процессе движения сока по их сосудам.

«Мы не только заново открыли электрический ритм растений, описав его в терминах напряжений и токов, но мы также предоставили информацию о возможном использовании вырабатываемой растениями электроэнергии устойчивым образом без воздействия на окружающую среду и без нарушения экосистемы, — пояснили учёные. — Полученные результаты могут помочь в разработке биомиметических, вдохновленных природой систем, способных противостоять глобальному энергетическому кризису с помощью экологически чистого, устойчивого решения, при котором посадка дерева не только устраняет кризис изменения климата и ухудшения качества окружающей среды, но и обеспечивает получение электроэнергии из насаждений».

Международная группа учёных превратила семена в своеобразных роботов или ботов. Благодаря специальной оболочке — фактически экзоскелету, — любые семена смогут самостоятельно заделываться в почву. Это открывает путь к наиболее оптимальному и недорогому засеву полей с воздуха и даже высадке лесных насаждений, к примеру, дронами. Семена в экзоскелетах просто разбрасываются по площади, а дальше они сами проникают под землю.

Источник изображений: IIT

На разработку умной оболочки для семян учёных из Итальянского технологического института (IIT-Italian Institute of Technology) и Немецкого университета Фрайбурга вдохновили семена дикого овса (Avena sterilis). Каждое семя этого растения заключено в оболочку со щетинками и двумя большими усиками. На почве под воздействием перепадов влажности усики начинают вращаться и направляют семя в ближайшую трещину в земле. Щетинки не дают семени выскользнуть обратно, а продолжающиеся вращения усиками заталкивают зерно всё глубже и глубже, обеспечивая ему наиболее комфортные условия для проращивания.

Натуральное зерно дикого овса

Свою разработку учёные назвали HybriBot. Оболочка и усики выполнены из натуральных материалов и полностью разлагаются в почве. Оболочка для семени изготовлена из муки и воды (из теста). После высыхания капсула покрывается этилцеллюлозой, которая представляет собой нерастворимый в воде экологически чистый биополимер, часто используемый для контролируемого внесения удобрений в почву. Усики учёные взяли настоящие — от дикого овса. Волоски щетины на капсуле тоже натуральные. Вес одного такого бота составил 60 мг или примерно в три раза тяжелее обычного зерна дикого овса.

Заготовки для сборки зернового бота

В ходе тестирования боты успешно использовались для доставки в почву семян таких растений, как помидоры, цикорий и иван-чай. Почва использовалась разная — для комнатных растений, глина и песок. Есть надежда, что в будущем эта технология найдёт применение в сельском и лесном хозяйстве. Хотя первоначально она кажется какой-то избыточно сложной, при массовом производстве она не сильно поднимет цену на посадочный материал. Если помечтать, то эта технология поможет быстро засевать поверхности других планет, например, Марса, если там дойдёт дело до терраформирования.

Добавим, статья о работе свободно доступна на сайте журнала Advanced Materials. Видео выше в ускоренном режиме показывает процесс самостоятельного закапывания зерна в оболочке HybriBot в землю.

Учёные из Висконсинского университета в Мадисоне (США) сообщили о первой в мире 3D-печати функциональных тканей человеческого мозга. Разработка поможет в изучении работы мозга и его отдельных структур, а также в поисках методов лечения неврологических расстройств и болезней. Как указали учёные в статье в журнале Cell Stem Cell, напечатанная ими ткань смогла «расти и функционировать как обычная ткань мозга».

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

«Это может стать чрезвычайно мощной моделью, которая поможет нам понять, как у людей взаимодействуют клетки и части мозга, — сказал Су–Чун Чжан (Su-Chun Zhang), профессор неврологии в Центре Вайсмана Калифорнийского университета в Мадисоне. — Это может изменить наш взгляд на биологию стволовых клеток, неврологию и патогенез многих неврологических и психических расстройств».

Учёные подчёркивают, что в отличие от набирающего популярность способа выращивания так называемых органоидов — своего рода миниатюрных копий настоящих органов человека из соответствующих клеток — 3D-печатный способ обеспечивает достаточную точность, чтобы контролировать типы клеток и их расположение.

В подтверждение своих слов учёные напечатали кортикальные ткани и ткани полосатого тела. Нейроны начали образовывать связи в обоих типах тканей и между ними, а также показали признаки активности на уровне работы нейромедиаторов. Через синаптический зазор между одним нейроном и другим сигнал передаётся химическим путём с использованием, в том числе нейромедиаторов. Всё это ожило и заработало в тканях, напечатанных на 3D-принтере.

Источник изображения: Cell Stem Cell

Учёные рассказали, что тонкость в предложенном ими процессе печати заключается в использовании биочернил — связующего клетки геля — такой плотности, которая уже не позволяет ткани растекаться и, в то же время, обеспечивает нейронам и их отросткам свободный рост внутри состава. Также предложенный метод делает упор на горизонтальную печать, а не на вертикальную. Тонкие слои нервной ткани в таком случае лучше снабжаются кислородом и питательными веществами.

«Мы напечатали кору головного мозга и полосатое тело, и то, что мы обнаружили, было весьма поразительным. Даже когда мы печатали разные клетки, принадлежащие к разным частям мозга, они все равно могли связываться друг с другом совершенно особым образом», — заявил профессор Чжан в пресс-релизе.

Группа учёных из Токийского университета использовала искусственно выращенную мышечную ткань в качестве привода для передвижения двуногого робота. Такой привод может превзойти по эффективности иные способы приведения конечностей роботов в движение. К тому же, он будет мягкий на ощупь и сможет легко копировать способы перемещения людей. Иначе говоря, будет приспособлен жить в окружении человека.

Источник изображения: Shoji Takeuchi research group, University of Tokyo

Экспериментальная конструкция не отличалась сложностью. Мышечная ткань была натянута вдоль гибкой конструкции каждой из пластиковых ног робота. Ноги заканчивались поплавком, и вся конструкция была помещена в сосуд с питательным раствором. Мышечные клетки хоть и искусственные, но живые, поэтому требовали подвода питания.

Сокращение мышц происходило после пропускания тока через жидкость вблизи мышц от одного электрода к другому. Учёные вручную приближали электроды то к одной ноге, то к другой, заставляя их подниматься и совершать шажок вперёд. Отключение тока расслабляло мышцы, и нога совершала движение. Таким образом, были проверены режимы ходьбы по прямой и развороты на месте, когда сокращалась только одна мышца на той или иной ноге.

Поднесённые к ноге робота электроды, по которым через жидкость и мышцу пропускается ток

Учёные отметили, что предложенное ими решение работает, и робот с живыми мышцами способен перемещаться и совершать манёвры на местности. В будущем они планируют разработать устройства подвода питания к мышцам, чтобы они могли работать на воздухе, а также эффективные схемы подачи электрических сигналов для управления движением.

Можно не сомневаться, что исследователи найдут удобное решение. Ранее мы рассказывали, например, что японские учёные смогли научить роботов обрастать кожей из живых человеческих клеток, хотя это уже другая история.

Новая работа с живыми клетками человеческого мозга показала перспективность объединения живых тканей с компьютером. Колония живых нейронов обучалась быстрее искусственных моделей с почти таким же результатом. Если отбросить вопрос с этикой, до проблем с которой пока далеко, живые клетки человеческого мозга могут превзойти современные и будущие нейронные сети, работающие на кремниевых чипах, как по производительности, так и по экономическим соображениям.

Источник изображений: Nature Electronics

С помощью стволовых клеток учёные вырастили так называемый органоид мозга — объёмную колонию клеток, повторяющих структуру нейронов и их связей в мозге. Это не первый и наверняка не последний эксперимент с живыми клетками, позаимствованными у человека. Ранее органоид мозга, например, научили игре в «Понг», с чем он успешно справился. В таких исследованиях самым сложным бывает донести информацию до «мозга» и считать её.

Группа профессора Го Фэня из Университета штата Индиана в Блумингтоне (США) предложила достаточно простое решение — они вырастили органоид на высокоплотном массиве электродов. Электроды, а это, по сути, компьютерный интерфейс, вносили данные в клетки «мозга» и считывали результат его последующей активности. Тем самым на практике была реализована такая архитектура спайковой (импульсной) нейросети, как резервуарная. Что происходило в массиве нейронов, учёным было неизвестно, но условно живая модель показала способность к быстрому обучению и расчётам.

Свою нейросеть учёные назвали Brainoware. Система прошла двухдневное обучение на наборе из 240 аудиозаписей речи восьми японских мужчин, произносящих гласные звуки. После этого она смогла распознавать конкретный голос с точностью до 78 %. Также система смогла решать уравнения по отображениям Эно примерно с такой же точностью. На это ушло ещё четыре дня обучения. Более того, решение дифференциальных уравнений проходило с большей точностью, чем в случае искусственной нейронной сети без блока длинной цепи элементов краткосрочной памяти.

Мозг Brainoware в «возрасте» 7, 14, 28 дней и через несколько месяцев (нижний ряд в увеличенном виде)

Живой искусственный «мозг» был не такой точный, как искусственные нейронные сети с длинной цепью элементов краткосрочной памяти, но каждая из этих сетей прошла 50 этапов обучения. Сеть Brainoware достигла почти таких же результатов менее чем за 10 % времени обучения, потраченного на обучение искусственных цепей.

«Могут пройти десятилетия, прежде чем будут созданы универсальные биокомпьютерные системы, но это исследование, вероятно, даст фундаментальное представление о механизмах обучения, развитии нервной системы и когнитивных последствиях нейродегенеративных заболеваний», — мечтают авторы работы, опубликованной в журнале Nature Electronics.

Учёные из Университета Тафтса (США) представили прототип гибридного транзистора на основе шёлка. Биологический материал включили в стандартный техпроцесс производства чипов, что обещает сделать его использование массовым. Сочетание кремния и биотехнологий позволяет гибридным электронным цепям реагировать одновременно на электрические и биологические сигналы, открывая путь к датчикам здоровья и нейропроцессорам.

Источник изображения: Tufts University / Silklab

Исследователи давно ищут мостик между живым и неживым, который позволит создавать нейроинтерфейсы между электронными устройствами и живыми организмами. Перспективы подобных решений невозможно переоценить. Нейросети, подобные мозгу процессоры, датчики биологических процессов в организме людей — это многое изменит в жизни людей. Произойдёт это не завтра и не послезавтра, но рано или поздно мир станет совершенно иным.

Подтолкнут ли к этим изменениям только что представленные гибридные транзисторы, или они канут в небытие, мы пока не знаем. Но на данном этапе разработка демонстрирует ряд интересных свойств, например, способность вписаться в современные техпроцессы выпуска микросхем.

Предложенный учёными гибридный процессор в качестве изолятора (очевидно, затвора) использует материал на основе белка фиброина, входящего в состав шёлковых нитей и, например, паутины. Этот белок показал хорошую восприимчивость в процессе регулировки его ионной проводимости электронными импульсами и биомаркерами.

По сути, мы имеем дело с чем-то сильно напоминающим, как работает ячейка памяти ReRAM: насыщение ионами рабочего слоя меняет там сопротивление. Тем самым гибридный транзистор на основе шёлка вполне перекрывает область применения резистивной памяти или мемристора, как назвала его компания HP, и даже выходит за его пределы, поскольку заходит в сферу биологии.

На основе предложенного решения исследователи создали датчик дыхания, чутко реагирующий на влажность. Здоровье человека — это та сфера, которая может стать благодатной почвой для множества перспективных начинаний, и «транзистор из шёлка» вполне может стать одним из них.

Как сообщают в НИТУ «МИСИС», в мире пока не существует коммерчески доступных биопринтеров для печати мягких тканей непосредственно на ранах пациентов. Разработчики университета восполнили этот пробел, который поможет лечить обширные повреждения тканей без дорогостоящего оборудования. Технология проверена на животных и доказала свою эффективность.

Источник изображений: НИТУ «МИСИС»

Традиционно ткани для пересадки на обширные повреждённые участки кожи выращиваются «в пробирке» — на чашках Петри с последующей адаптацией, что требует громоздкого и дорогостоящего оборудования. В мире пока нет коммерческих биопринтеров, которые могли бы наносить тканевый материал прямо на раны, что значительно ускорило бы восстановление пациентов с попутным снижением затрат на подготовку к лечению и само лечение. Учёные университета решили этот вопрос оригинальным образом — они приспособили для этого рядовой роботизированный манипулятор, вооружив его системой подачи тканевых «чернил» и датчиками навигации.

Программно-аппаратный комплекс биопринтера сканирует дефект, создает его трёхмерную модель, а затем заполняет участок гидрогелевой композицией с живыми клетками. Датчики на основе лазеров учитывают не только рельеф раны, но также движение тела пациента, например, в процессе дыхания, подстраивая необходимым образом печатающую головку. Специальное программное обеспечение, синхронизирующее движения роборуки и подачу материала, создал инженер НОЦ Биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС Александр Левин. Пользовательский интерфейс с возможностью 3D-отображения траекторий написан на языке Python с использованием открытых библиотек Pyqt5 и OpenGL и открыт для всех желающих, кто готов совершенствовать проект.

Судя по фотографиям, за основу биопринтера был взят один из манипуляторов белорусской компании Rozum Robotics. Биочернила на основе коллагенового гидрогеля были поставлены биотехнологической фирмой «ИМТЕК». Программно-аппаратный комплекс платформы учёным помогали разрабатывать специалисты компании 3D Bioprinting solutions. Принтер успешно прошёл испытания в операционной на животных в лаборатории доклинических исследований МНИОИ имени П.А. Герцена и готов к дальнейшим этапам исследований. Проведённый через некоторое время анализ ран показал, что процесс заживления прошёл со значительным ускорением.

По мнению специалистов, данная технология биопечати in situ, т.е. непосредственно в дефект, в будущем может стать прогрессивным терапевтическим методом лечения ожогов, язв и обширных повреждений мягких тканей.

Несмотря на все достижения в области работы с ДНК — шаблоном и инструментом для воспроизведения и развития живых организмов на Земле — попытки использовать этот же механизм для выполнения математических алгоритмов пока не могут считаться достаточно успешными. В то же время логика на ДНК способна на колоссальный параллелизм, что позволит умножить мощность компьютеров, в чём далеко продвинулись китайские учёные.

Источник изображения: Pixabay

Наука далеко шагнула в области записи данных на ДНК. Это базовая опция дезоксирибонуклеиновой кислоты. Запись и хранение данных относительно нетребовательны к скорости работы платформы, которая зависит от скорости протекания биохимических реакций. Другое дело вычислительные цепи, скорость работы которых должна быть максимальной. В принципе, параллелизм частично решает эту проблему. Но до последнего времени электронные цепи на ДНК, с которыми работали учёные, не могли похвастаться универсальностью — они выполняли лишь ограниченный круг алгоритмов.

Группа исследователей из Китая разработала интегральную схему ДНК, которая способна выполнять множество разнообразных операций. По словам учёных, реконфигурируемый базовый элемент (электронная цепь) с 24 адресуемыми двухканальными затворами может быть представлен в виде 100 млрд вариаций цепей, каждая из которых сможет выполнять собственную подпрограмму. Из этого следует, что на основе этого решения можно спроектировать процессор общего назначения для запуска любых программ.

В своей работе, которая была опубликована в журнале Nature, исследователи показали, как с помощью трёхслойной матрицы из цепей на базе их ДНК-чипа можно обеспечивать простейшие математические операции. Представленная платформа легко масштабируется, что позволяет рассчитывать на создание в будущем очень мощных процессоров.

Для решения вопроса масштабирования учёные проделали другую работу. Ведь для прохождения сигнала в цепях из ДНК потребуется передача биохимических данных в заданном направлении и без затухания. И чем длиннее будет этот путь (масштаб), тем выше будет вероятность потери «сигнала» — фрагмента ДНК или концентрации фрагментов ДНК. В качестве «сигнала» китайские учёные испытали олигонуклеотиды — короткие фрагменты ДНК, которые уже используются как детекторы и носители ДНК-информации. В своих экспериментах китайцы показали, что типовые одноцепочечные олигонуклеотиды хорошо работают в качестве унифицированного сигнала для передачи, что позволяет надёжно интегрировать крупномасштабные цепи с минимальной утечкой и высокой точностью для вычислений общего назначения.

«Способность интегрировать крупномасштабные сети DPGA [ДНК БИС] без явного ослабления сигнала знаменует собой ключевой шаг на пути к ДНК-вычислениям общего назначения», — заявляют исследователи.

Вычисления в пробирке. Буквально. Источник изображения: Nature

В качестве примера учёные создали схему, решающую квадратные уравнения, которая собрана с использованием трёх слоев каскадных ЦВМ, состоящих из 30 логических вентилей и содержащих около 500 нитей ДНК. Более того, интеграция DPGA с аналого-цифровым преобразователем позволит классифицировать микро-РНК, связанные с заболеваниями. Иными словами, предложенная платформа сможет не только работать как обычный компьютер, но также будет способна на мгновенную диагностику вирусных и других заболеваний. И ещё большой вопрос, которая из этих возможностей окажется наиболее полезной.

Представьте, что умные часы или фитнесс-браслет смогут управлять вашим метаболизмом, а не просто измерять пульс и подсчитывать количество шагов. Такое кажется невозможным, но поставленный учёными эксперимент показал, что активностью генов в клетках человека можно управлять электрическими импульсами.

Источник изображения: Pixabay

Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zürich) проделали работу, результатом которой может стать использование в будущем носимых устройств для укрепления нашего здоровья, а не только для сбора данных об активности. Учёные представили то, что они назвали «электрогенетическим» интерфейсом. Перспективный интерфейс способен запускать целевые гены по команде в те моменты, когда наш организм будет нуждаться в стимуляции или в коррекции состояния здоровья.

«Носимые электронные устройства играют всё большую роль в получении данных о здоровье человека для проведения персонализированных медицинских вмешательств, — пишут исследователи в опубликованной ими статье. — Однако из-за отсутствия прямого электрогенетического интерфейса, носимые устройства пока не могут напрямую программировать генную терапию. Здесь мы предоставляем недостающее звено».

Как сообщается в статье учёных в журнале Nature Metabolism, эксперимент был поставлен на мышах, больных диабетом 1-го типа. Мышам имплантировали клетки поджелудочной железы человека. Раздражение этих клеток электрическим током по команде с внешнего устройства приводило к принудительной выработке инсулина. С оговорками, но животных фактически избавили от неизлечимой болезни.

Источник изображения: Nature Metabolism

Стимуляция клеток происходит в процессе образования активных форм кислорода — очень активных и «агрессивных» молекул, уровень которых, впрочем, контролировался и не достигал концентрации, после которой молекулы кислорода становятся для организма ядом. Молекулы кислорода напрямую воздействуют на ДНК при делении клеток и могут направлять этот процесс в нужное русло, обеспечивая генную терапию с помощью контролируемых электрических импульсов.

«Мы считаем, что эта технология позволит носимым электронным устройствам напрямую программировать метаболические вмешательства», — пишут исследователи. Очевидно, что такое произойдёт очень и очень нескоро. Но потенциал в этом есть, и он обещает когда-нибудь справиться с генетическими заболеваниями и не только. Например, получить возможность выбрать в меню браслета режим «форсаж» и догнать уходящий поезд.