Учёные из Центра геномного регулирования в Испании совершили прорыв в биологии: искусственный интеллект создал молекулы ДНК, которые впервые успешно управляют генами в здоровых клетках млекопитающих. ИИ разработал искусственные фрагменты ДНК, которые могут включать или выключать гены в нужных клетках, например, заставлять стволовые клетки превращаться в клетки крови. Это как программирование для живых организмов.

ИИ создал инструмент, который генерирует новые последовательности ДНК — цепочки из «букв» (A, T, C, G), называемые энхансерами. Эти фрагменты длиной около 250 букв управляют экспрессией генов, то есть определяют, какие гены будут активны в конкретных клетках. Например, ИИ может создать энхансер, который включит ген, превращающий стволовые клетки в эритроциты (клетки крови), но не в тромбоциты (клетки, отвечающие за свертывание крови).

Ученые синтезировали эти фрагменты химически и с помощью вируса доставили их в клетки крови мышей. В экспериментах ДНК интегрировалась в геном клеток в случайных местах. ИИ спроектировал энхансеры, которые активировали ген, кодирующий флуоресцентный белок, чтобы ученые могли видеть, работает ли система. Результаты были точными: гены включались в нужных клетках, не затрагивая другие.

Доктор Роберт Фромель, первый автор исследования, сравнил процесс с написанием программ для биологии: «Это дает невероятную точность в управлении клетками». Технология может изменить лечение болезней, связанных с нарушением работы генов, таких как рак или аутоиммунные расстройства. ИИ позволяет создавать энхансеры, которых нет в природе, и настраивать их так, чтобы они работали только в определенных клетках, минимизируя побочные эффекты.

Чтобы создать такие молекулы, ИИ нужно «научить» языку клеток. Энхансеры — это как грамматические правила, управляющие генами. Ученые собрали огромный объем данных, изучив тысячи экспериментов на клетках крови. Они исследовали, как энхансеры и белки (факторы транскрипции) взаимодействуют, чтобы включать или выключать гены. За пять лет команда синтезировала более 64 тысяч искусственных энхансеров — это самая большая коллекция такого рода.

Ученые отслеживали, как энхансеры работают на семи стадиях развития клеток крови. Большинство из них действовали как регуляторы громкости, усиливая или ослабляя активность генов. Но некоторые комбинации работали как выключатели: два фактора, которые обычно включают ген, вместе его выключали. Это явление, названное «отрицательной синергией», удивило ученых. Данные помогли ИИ предсказывать, какие новые энхансеры дадут нужный эффект, даже если их никогда не существовало в природе.

Технология может привести к созданию новых методов лечения, где гены пациентов будут настраиваться с высокой точностью. Например, можно будет активировать гены, борющиеся с болезнью, только в больных клетках. Однако для этого нужны большие объемы данных и дальнейшие исследования. Доктор Ларс Вельтен, соавтор, отметил: «Мы расшифровали язык клеток, чтобы писать новые инструкции для них».

Исследователи планируют усовершенствовать ИИ, чтобы он создавал еще более сложные энхансеры. Это открытие — шаг к персонализированной медицине и пониманию того, как клетки работают на молекулярном уровне. Оно также показывает, как ИИ может стать помощником в биологии, создавая решения, которых природа еще не придумала.

Автор: Dexter
Источник: IXBT
Оригинал: CRG

Эпителий – это ткань, которая покрывает поверхность органов и тела. Она играет важную роль в организме, потому что защищает от повреждений, участвует в регуляции и обмене веществ. Изучение формирования и развития тканей через наблюдение и эксперимент – очень сложный и трудоемкий процесс. Математическое моделирование позволяет анализировать большие объемы данных и выявлять закономерности, которые могут быть незаметны при использовании традиционных методов. Ученые Пермского Политеха разработали модель эпителиальных тканей, которая поможет предсказывать поведение клеток при различных условиях и воздействиях со стороны среды или соседних клеток. Это необходимо в разработке стратегий лечения заболеваний или создании новых методов регенеративной медицины.

Исследование опубликовано в «Российском журнале биомеханики» №1 2024 г. Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант № 23-71-01020.

Эпителий играет важную роль в организме человека. Вот несколько примеров, где эти ткани встречаются. Они образуют наружное покрытие организма (кожу), обеспечивают защиту от внешних воздействий, регулируют потерю влаги и участвуют в терморегуляции. Слизистые оболочки покрывают внутренние поверхности органов пищеварения, дыхательных и мочевыводящих путей, репродуктивной системы, защищают их от механических повреждений и инфекций. Эпителиальные ткани формируют структуру железистых органов, в том числе печени, поджелудочной железы и сальных желез, играя ключевую роль в процессах секреции различных веществ. Они образуют внутреннее покрытие сосудов, обеспечивают гладкую поверхность для свободного течения крови и участвуют в регуляции проницаемости сосудистой стенки. Также покрывают поверхность внутренних полостей органов, например, мозга и сердца, обеспечивают защиту и условия для нормального функционирования этих органов.

Изучение морфогенеза (процесс развития) эпителиальных тканей позволяет понять, как происходит их формирование и регенерация. Во время этого процесса клетки проходят через различные изменения и превращения, чтобы образовать правильную структуру и функцию ткани. Морфогенез включает в себя деление клеток, их перемещение и специализацию для выполнения определенных задач в организме. Всё это важно для понимания различных биологических процессов, таких как рост тканей, заживление ран и развитие заболеваний.

Ученые ПНИПУ разработали математическую модель морфогенеза эпителиальных тканей. Она позволяет описывать функциональную единицу – клетку, отслеживать её динамику в пространстве, а также подробно воспроизводить клеточные процессы, например, их деление, интеркаляцию (клеточная перестройка при возникновении локальных избыточных напряжений) и обмен химическими сигналами. Всё это, в свою очередь, открывает возможность моделировать развитие тканей, миграцию клеток, заживление ран и развитие злокачественных образований.

– Мы представляем многоуровневую математическую модель развития эпителиальной ткани. Особое внимание уделяем структурной единице многоклеточной ткани – клетке как элементу большой сложной системы. Наша модель отличается введённым потенциалом, который определяет взаимодействие всей системы, уникальным алгоритмом деления клеток, способностью учитывать взаимообратную связь между химическими и механическими сигналами и наличием интеркаляции – реального процесса живой материи, – поделился кандидат физико-математических наук, научный сотрудник кафедры прикладной физики ПНИПУ Иван Красняков.

Исследование ученых Пермского Политеха носит фундаментальный характер. Разработанная модель позволит предсказывать поведение тканей при различных условиях и воздействиях, способствует разработке стратегий лечения заболеваний и созданию новых методов регенеративной медицины. Также она может быть применена для оптимизации процессов тканевой инженерии, например, при создании искусственных органов. Понимание механизмов развития опухолей и других патологий приведет к разработке более эффективных методов диагностики и лечения рака и других заболеваний. Конечными пользователями могут стать исследователи в области биомедицины и фармацевтики, а также клинические специалисты, работающие в области медицинской диагностики и лечения.

Эксперты во всем мире бьют тревогу по поводу растущего числа матерей, использующих детские смеси вместо грудного вскармливания, утверждая, что первое менее полезно для здоровья и питательных веществ для ребенка .

Но компания в Израиле, которую по иронии судьбы часто называют «страной молока и меда», нашла способ улучшить детское питание питательными веществами, содержащимися в грудном молоке.

После извлечения всего двух клеток из ткани молочной железы, удаленной во время уменьшения груди, Wilk сосредоточилась на том, чтобы стимулировать эти клетки, которые изначально были ответственны за выработку молока в организме женщины, размножаться как можно больше.

«Мы выращиваем клетки в чашке, и клетки становятся иммортализованными, а это значит, что они могут жить вечно», — рассказывает NoCamels технический директор Wilk и клеточный биолог доктор Зохар Барбаш.

Как только Wilk удовлетворена количеством произведенных клеток, она дает им различные «строительные блоки», которые помогают клеткам производить белки, сахара, лактозу или жиры (липиды), содержащиеся в грудном молоке.

«Сейчас мы концентрируемся на жирах, потому что это то, чего нельзя получить другим способом», — говорит Барбаш.

Эти жиры чем-то похожи на сливочное масло, их можно высушить и превратить в порошок, который добавляют в детскую смесь, чтобы наполнить ее большим количеством питательных веществ, которые имеют решающее значение для развития ребенка.

«Эти липиды очень важны для роста мозга младенцев, а также их пищеварительной системы», — говорит Барбаш.

Компания Wilk, первоначально известная как BioMilk, была основана в 2018 году нынешним руководителем службы безопасности профессором Нуритом Арговым-Аргаманом с факультета сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды Еврейского университета в Иерусалиме.

Специализируясь на физиологии лактации и качестве молока, Аргов-Аргаман изначально изучала способы улучшения лактации у коров. Для этого она начала исследовать бычьи клетки, взятые у животного и помещенные в чашку Петри.

Новая технология была разработана профессором Еврейского университета Нурит Аргов-Аргаман и лицензирована компанией BioMilk в 2020 году.

«Как только они это сделали, они увидели, как из клеток выходит молоко. Поэтому у них возникла идея, что мы можем получать молоко ex vivo без коровы», — говорит Барбаш.

Идею использования клеток для производства молока было труднее реализовать, чем первоначально думали основатели. Но как только компания начала концентрироваться только на одном компоненте молока, а не на всем продукте, они обнаружили, что могут получить более быстрые результаты.

«В искусственной системе легче вырастить клетки, идентичные реальным, а затем научить их потреблять всю энергию и производить только жир», — говорит NoCamels генеральный директор Wilk доктор Авиталь Бек.

Wilk говорит, что может также адаптировать жиры для детей, страдающих аллергией, при этом «строительные блоки» смогут добавлять или удалять аллергены, такие как лактоза, чтобы они не включались в конечный продукт.

«Клетки ничего не дают сами по себе, поэтому нам приходится давать им строительные блоки, чтобы они могли производить то, что мы хотим», — говорит Барбаш.

Название Wilk происходит от сочетания слов «женщины» и «молоко», что отражает женский характер компании, в которой есть женщина-руководитель и женщины-руководители отделов безопасности, технологий и финансов. Они считают, что это важно, особенно потому, что Wilk — компания по выращиванию грудного молока.

Wilk, тогда называвшаяся BioMilk, была первой компанией по производству кисломолочных продуктов, которая стала публичной , и ее акции до сих пор торгуются на бирже.

Наиболее значительными текущими инвесторами Wilk являются Coca-Cola Israel и французский молочный гигант Danone. Бек полагает, что основные игроки понимают конкурентное преимущество компании в этой области, где большинство конкурирующих предприятий производят молочный белок, а не жир.

Хотя компания Wilk в настоящее время производит исключительно молочный жир, она также планирует создавать из клеток другие питательные вещества. Чтобы добиться этого, компания создала то, что она называет «искусственной грудью», сделанной исключительно из клеток молочной железы человека.

Компания в первую очередь стремится к расширению при одновременном снижении затрат на производство. Благодаря масштабированию они рассчитывают открыться для большего количества рынков и получить больше стратегического сотрудничества в будущем.

Сейчас начался новый раунд сбора средств как от государственных, так и от частных инвесторов. Бек говорит, что это имеет решающее значение для расширения масштабов проекта, что означает увеличение финансирования лабораторий и оборудования, а также ученых и экспертов, которые работают над проектом.

«Промышленности нужно несколько килограммов [молочного жира] в день; у нас этого нет, мы все еще производим в очень маленьком количестве», — говорит она.

В настоящее время Wilk работает с клетками, взятыми у женщин и коров, и оба дают желаемый результат: женщины производят детское питание, а коровы — компоненты, которые можно использовать в пищевой промышленности.

Фактически, хотя в настоящее время его нет на рынке, Wilk успешно создала первый йогурт без коровьего молока , используя бычьи клетки для создания молочного жира. Йогурт сохраняет питательные свойства, присущие только настоящим молочным жирам, включая полный набор необходимых макро- и микроэлементов.

«Мы берем все знания, которые были извлечены из клеточной биологии в течение 40 лет, и учимся на их основе тому, как использовать их в пищу», — говорит Бек.

Перевод с английского

ИСТОЧНИК

Что это могут быть за клетки...снял предметным стеклом с матраса?
Увеличение 640х

Стартовал эксперимент, приступаем к получению первичной культуры пульмональных фибробластов. Коллеги из фармдепартамента собираются проверять на них какие-то субстанции, даже не спрашивал, какие.

Начинаем с подготовки. Выводим аппаратуру на режимы:

Мешаем рабочие растворы: среды для культивирования клеток, ростовые сыворотки (baby cow juice на сленге заморских товарисчей), растворы для промывки и всякое. Главное - антибиотиков побольше:

Когда коктейль из нутриентов, факторов роста и антибиотиков готов, берем образец ткани крысиного легкого. Фото забора не будет, не хочу вешать тег "жесть". Скажу только, что научно-этическое законодательство блюдем строго. Вот вам сам образец в пробирке:

Ткань воздухоносная, плавает на поверхности. Через 4 часа первичной деконтаминации от возможных бактерий и грибов образец закидываем в ростовую среду с меньшими концентрациями антимикробных препаратов.
Крупный образец измельчаем ножницами (не смотрите на вид, они стерильные) в труху, чтобы было легче отделить клетки от внеклеточного вещества ткани:

Ножниц никогда не достаточно, поэтому окончательное диспергирование ткани производим с помощью ферментного раствора, который хорошо берет коллаген, но клеточную мембрану пройти не в состоянии. Минут через 15 бОльшая часть клеток будет просто плавать в ростовой среде. Их нужно отцентрифугировать, чтобы помыть от следов фермента, а заодно снова поменять среду на чистую . В результате получаем около 12 миллилитров жижицы, в которой плавают клетки.

Вот эта пыль - свободно плавающие фибробласты, а крупное скопление, скорее всего, недорастворившийся кусочек ткани легкого.

Остается мелочь - залить клеточную суспензию в специальный флакон, крышка которого имеет встроенный фильтр и проницаема для воздуха. Это нужно, чтобы газовая смесь с аж 5% углекислого газа поступала для дыхания. Так надо, фибробластам так норм.

Последний этап на сегодня - отправить флакон в инкубатор, где он будет стоять в темноте и тепле (37 С), а клеточбки будут делитбся.

Через три дня будет ясно, что там вырастет - благодать или грибной WAAAAGH.