Камеру размером с крупицу соли научили делать четкие цветные изображения
Главным местом применения таких камер станет медицина
Исследователи из Принстонского и Вашингтонского университетов разработали сверхкомпактную камеру размером с крупицу соли. Она работает по совершенно новой технологии с использованием метаповерхности. На крошечной камере располагается 1,6 миллионов цилиндрических «столбиков», которые проводят свет. Размер каждой такой «микролинзы», как у вируса иммунодефицита человека.
С помощью этих микро-камер можно выявить много проблем в человеческом теле. Прошлые аппараты предоставляли медикам лишь нечеткие и искаженные изображения с ограниченным полем обзора. Сверхкомпактная камера передает четкие изображения, и их качество ничуть не уступает фотоаппаратам, которые в 500 000 раз больше по объему.
Каждый «столбик» внутри камеры имеет уникальную геометрию и функционирует как оптическая антенна.
Чтобы свет лучше проходил через столбики, варьируют дизайн каждого из них. Благодаря алгоритму машинного обучения, микролинзы взаимодействуют со светом и создают изображения высочайшего качества и самого широкого поля зрения.
По словам старшего автора исследования Феликса Хайде, это повысило производительность камеры в условиях естественного освещения, в отличие от предыдущих метаповерхностных камер. Предыдущие образцы были сложнее в использовании: им требовался чистый лазерный свет лаборатории или другие идеальные условия для получения высококачественных изображений.
Снимок новой системы (справа) в сравнении с предыдущим поколением метаповерхностных линз (слева)
Другие сверхкомпактные линзы страдали от серьезных искажений изображения, малых полей зрения и ограниченной способности захватывать полный спектр видимого света в RGB-модели, где сочетается красный, зеленый и синий цвета для получения разных оттенков.
Другой соавтор разработки Шейн Колберн решил эту проблему. Он создал вычислительный симулятор для автоматизации тестирования различных конфигураций наноантенн.
Еще один соавтор исследования Джеймс Уайтхед изготовил метаповерхности, которые основаны на нитриде кремния. Это материал, похожий на стекло. Он совместим со стандартными методами производства полупроводников, которые применяются для компьютерных микросхем. Это означает, что такую метаповерхность можно легко пустить в массовое производство. Причем это будет менее затратно, чем делать линзы для обычных фотоаппаратов.
Хайде и его коллеги сейчас работают над расширением вычислительных возможностей самой камеры. Помимо оптимизации качества изображения, они хотели бы добавить возможности для обнаружения объектов и других методов зондирования, актуальных для медицины и робототехники. Источник
Ученые надеются опробовать его на человеке через два-три года
Исследователи из Принстонского университета открыли соединение, которое нацелено на ген, являющийся центральным звеном в метастазах многих основных видов рака.
«Представьте, что вы можете вылечить рак, воздействуя на один крошечный ген. Представьте, что один и тот же ген присутствует во всех основных формах рака, включая рак груди, простаты, легких, печени и толстой кишки. Представьте, что этот ген не важен для здоровой жизнедеятельности, поэтому вы можете атаковать его с небольшим количеством отрицательных побочных эффектов или без них», – пишут исследователи из Принстона.
Биолог-онколог Ибинь Канг провел более 15 лет, исследуя малоизвестный, но смертельный ген под названием MTDH, или метадгерин, который вызывает метастазы рака и который теперь можно отключить у мышей и в тканях человека с помощью целевых экспериментальных исследований. Предполагается, что через несколько лет этот метод может привести к прорыву в борьбе с раковыми заболеваниями.
В течение многих лет Канг работал над изучением метастазов рака. Метастазы, то есть злокачественные клетки, отделившиеся от первичного новообразования и перенесенные с током крови или лимфы в другие участки тела, позволяют раку распространяться и делают болезнь смертельной. Например, известно, что, тогда как 99% пациенток с раком молочной железы выживают через пять лет после постановки диагноза, только 29% из них останутся в живых, если рак дал метастазы.
Новое открытие берет свое начало в исследовании 2004 года, в ходе которого ученые из Принстона определили ген метадгерин, причастный к метастатическому раку груди. Затем в статье 2009 года Канг показал, что ген был амплифицирован и продуцировал аномально высокие уровни белков MTDH примерно в трети опухолей рака молочной железы, и он играет центральную роль не только в процессе метастазирования, но и в устойчивости этих опухолей к химиотерапии.
Последующие исследования продолжали проливать свет на важность гена MTDH в развитии рака. В экспериментах над мышами выяснилось, что у грызунов с отключенным геном MTDH рак молочной железы образовывал гораздо меньше опухолей, а те опухоли, которые образовались, не давали метастазы. Затем было обнаружено, что то же самое верно в отношении рака простаты, рака легких, колоректального рака, рака печени и многих других видов рака.
Кристаллическая структура MTDH показывает, что белок имеет пару выступов, похожих на пальцы, которые сцепляются с двумя отверстиями на поверхности другого белка, называемого SND1. По словам Канга, это «похоже на два пальца, воткнутые в отверстия шара для боулинга», и ученые подозревали, что, если нарушить эту связь, это будет иметь огромное значение для смягчения вредного воздействия MTDH.
Команда провела два года в поиске подходящих молекул, чтобы заполнить эти «дыры» и, наконец, наткнулась на соединение, которое ученые назвали «серебряной пулей». Полученное соединение закрывает пустоты и предотвращает блокировку белков с глубоким противораковым действием, которое напоминает те, которые наблюдались у мышей с дефицитом MTDH.
Ученые говорят, что MTDH способствует развитию рака двумя основными способами: помогая опухолям переносить стресс от химиотерапии и заглушая сигнал тревоги, который обычно подают органы, когда опухоль поражает их. Взаимодействуя с белком SND1, он не дает иммунной системе распознавать сигналы опасности, обычно генерируемые раковыми клетками, и, следовательно, не дает ей атаковать их.
В настоящее время команда работает над усовершенствованием соединения, надеясь улучшить его эффективность в нарушении связи между MTDH и SND1 и снизить требуемую дозировку. Они надеются приступить к клиническим испытаниям на людях через два-три года. Источник
«Живые робот» разработаны на основе клеток лягушки Xenopus laevis
Группа ученых из университетов Вермонта, Тафта и Гарварда создали первых в мире живых роботов, которые способны к самовоспроизведению. Их назвали «ксеноботы»: в основе их механизма лежат стволовые клетки гладкой шпорцевой лягушки Xenopus laevis.
Концепция ксеноботов представлена еще в 2020 году: это микророботы, которые проектируются из клеток с помощью компьютера. Родительский объект ксенобота состоит из примерно 3000 клеток, соединенных в сферу. Из них может появляться потомство, но затем система отмирает. Теперь ученые смогли продлить срок ее активности.
С помощью программы искусственного интеллекта алгоритм протестировал миллиарды форм тел, чтобы найти оптимальную для «кинематической репликации». Так называется процесс, при котором молекулы формируют свои копии за счет объединения со «строительными блоками». Оказалось, что идеальной является форма, напоминающая Пакмана (Pac-Man), персонажа японских видеоигр.
Плавая в чашке Петри в солевом растворе, родительская сфера находит отдельные клетки, собирает их внутри своего «рта» и затем производит ксеноботов-«детенышей». Всего за несколько дней это поколение становится взрослым, выглядит и двигается точно так же, как и «родители». Помещенные в новую чашку Петри, «дети» точно так же притягивают свободно плавающие клетки и создают свои копии.
В обычных условиях эти клетки покрывали бы тело головастика, не давая проникнуть в организм болезнетворным микроорганизмам и перераспределяя слизь. В новых условиях они ведут себя по-другому: они по-прежнему несут в себе геном лягушки, но вместо превращения в головастиков используют свой коллективный разум и пластичность, чтобы сделать «что-то поразительное». Ни одно животное или растение, известное науке, не воспроизводится таким образом.
Открытие интересно с нескольких точек зрения. Ксеноботы могут проникать в ту среду, куда не смогут попасть обычные роботы. С помощью них получится находить следы радиоактивного загрязнения, извлекать микропластик из океана или передвигаться по кровеносным сосудам, очищая их от бляшек.
А в научном смысле этот прорыв показывает абсолютно новую модель воспроизведения: кинематическую саморепликацию. Этот процесс известен на молекулярном уровне, но его раньше не наблюдали в масштабах клетки или организма. В начале жизни на Земле кинематическая саморепликация в молекулах могла сыграть свою эволюционную роль, но до сих пор неизвестно, могли ли эта модель участвовать в зарождении жизни. Возможно, теперь ученые на шаг приблизились к ответу. Источник
Исследователи из Принстонского и Вашингтонского университетов разработали сверхкомпактную камеру размером с крупицу соли. Она работает по совершенно новой технологии с использованием метаповерхности. На крошечной камере располагается 1,6 миллионов цилиндрических «столбиков», которые проводят свет. Размер каждой такой «микролинзы», как у вируса иммунодефицита человека.
С помощью этих микро-камер можно выявить много проблем в человеческом теле. Прошлые аппараты предоставляли медикам лишь нечеткие и искаженные изображения с ограниченным полем обзора. Сверхкомпактная камера передает четкие изображения, и их качество ничуть не уступает фотоаппаратам, которые в 500 000 раз больше по объему.
Каждый «столбик» внутри камеры имеет уникальную геометрию и функционирует как оптическая антенна.
Чтобы свет лучше проходил через столбики, варьируют дизайн каждого из них. Благодаря алгоритму машинного обучения, микролинзы взаимодействуют со светом и создают изображения высочайшего качества и самого широкого поля зрения.
По словам старшего автора исследования Феликса Хайде, это повысило производительность камеры в условиях естественного освещения, в отличие от предыдущих метаповерхностных камер. Предыдущие образцы были сложнее в использовании: им требовался чистый лазерный свет лаборатории или другие идеальные условия для получения высококачественных изображений.
Снимок новой системы (справа) в сравнении с предыдущим поколением метаповерхностных линз (слева)
Другие сверхкомпактные линзы страдали от серьезных искажений изображения, малых полей зрения и ограниченной способности захватывать полный спектр видимого света в RGB-модели, где сочетается красный, зеленый и синий цвета для получения разных оттенков.
«Было непросто спроектировать и сконфигурировать эти маленькие микроструктуры, чтобы они делали то, что нужно. Для этой задачи захвата изображений RGB с большим полем обзора ранее было непонятно, как совместно проектировать миллионы наноструктур вместе с алгоритмами постобработки», – рассказывает Итан Ценг, соавтор разработки.
Другой соавтор разработки Шейн Колберн решил эту проблему. Он создал вычислительный симулятор для автоматизации тестирования различных конфигураций наноантенн.
Еще один соавтор исследования Джеймс Уайтхед изготовил метаповерхности, которые основаны на нитриде кремния. Это материал, похожий на стекло. Он совместим со стандартными методами производства полупроводников, которые применяются для компьютерных микросхем. Это означает, что такую метаповерхность можно легко пустить в массовое производство. Причем это будет менее затратно, чем делать линзы для обычных фотоаппаратов.
Хайде и его коллеги сейчас работают над расширением вычислительных возможностей самой камеры. Помимо оптимизации качества изображения, они хотели бы добавить возможности для обнаружения объектов и других методов зондирования, актуальных для медицины и робототехники. Источник
Найден способ отключить функцию гена, способствующего распространению рака
Ученые надеются опробовать его на человеке через два-три года
Исследователи из Принстонского университета открыли соединение, которое нацелено на ген, являющийся центральным звеном в метастазах многих основных видов рака.
«Представьте, что вы можете вылечить рак, воздействуя на один крошечный ген. Представьте, что один и тот же ген присутствует во всех основных формах рака, включая рак груди, простаты, легких, печени и толстой кишки. Представьте, что этот ген не важен для здоровой жизнедеятельности, поэтому вы можете атаковать его с небольшим количеством отрицательных побочных эффектов или без них», – пишут исследователи из Принстона.
Биолог-онколог Ибинь Канг провел более 15 лет, исследуя малоизвестный, но смертельный ген под названием MTDH, или метадгерин, который вызывает метастазы рака и который теперь можно отключить у мышей и в тканях человека с помощью целевых экспериментальных исследований. Предполагается, что через несколько лет этот метод может привести к прорыву в борьбе с раковыми заболеваниями.
В течение многих лет Канг работал над изучением метастазов рака. Метастазы, то есть злокачественные клетки, отделившиеся от первичного новообразования и перенесенные с током крови или лимфы в другие участки тела, позволяют раку распространяться и делают болезнь смертельной. Например, известно, что, тогда как 99% пациенток с раком молочной железы выживают через пять лет после постановки диагноза, только 29% из них останутся в живых, если рак дал метастазы.
Новое открытие берет свое начало в исследовании 2004 года, в ходе которого ученые из Принстона определили ген метадгерин, причастный к метастатическому раку груди. Затем в статье 2009 года Канг показал, что ген был амплифицирован и продуцировал аномально высокие уровни белков MTDH примерно в трети опухолей рака молочной железы, и он играет центральную роль не только в процессе метастазирования, но и в устойчивости этих опухолей к химиотерапии.
«Было много волнений. "Ого! Мы обнаружили ген метастазирования, связанный с плохими результатами у пациентов! Но что дальше? Можем ли мы нацеливаться на него?" Это был важный вопрос, потому что в то время никто не знал, как работает этот малоизвестный ген. Он не имел ничего общего с каким-либо другим известным человеческим белком. Мы не знали, важен ли он для нормальной физиологии», – шокирует признанием Ибинь Канг.
Последующие исследования продолжали проливать свет на важность гена MTDH в развитии рака. В экспериментах над мышами выяснилось, что у грызунов с отключенным геном MTDH рак молочной железы образовывал гораздо меньше опухолей, а те опухоли, которые образовались, не давали метастазы. Затем было обнаружено, что то же самое верно в отношении рака простаты, рака легких, колоректального рака, рака печени и многих других видов рака.
«Мыши без гена MTDH могли расти, размножаться и нормально жить, поэтому мы знали, что он станет отличной мишенью для лекарств», – говорит Кан.
Кристаллическая структура MTDH показывает, что белок имеет пару выступов, похожих на пальцы, которые сцепляются с двумя отверстиями на поверхности другого белка, называемого SND1. По словам Канга, это «похоже на два пальца, воткнутые в отверстия шара для боулинга», и ученые подозревали, что, если нарушить эту связь, это будет иметь огромное значение для смягчения вредного воздействия MTDH.
«Мы знали по кристаллической структуре, какова форма замочной скважины, поэтому продолжали искать, пока не нашли ключ», – поясняет Ибинь Канг.
Команда провела два года в поиске подходящих молекул, чтобы заполнить эти «дыры» и, наконец, наткнулась на соединение, которое ученые назвали «серебряной пулей». Полученное соединение закрывает пустоты и предотвращает блокировку белков с глубоким противораковым действием, которое напоминает те, которые наблюдались у мышей с дефицитом MTDH.
«В 2014 году мы показали, что происходит, если вы обезоруживаете ген при рождении. На этот раз мы показываем, что после того, как опухоль уже полностью переросла в полномасштабный, опасный для жизни рак, мы можем устранить функцию этого гена. Мы обнаружили, что независимо от того, делаете ли вы это генетически или фармакологически, используя наше соединение, вы добиваетесь одного и того же результата», – уверяет Канг.
Ученые говорят, что MTDH способствует развитию рака двумя основными способами: помогая опухолям переносить стресс от химиотерапии и заглушая сигнал тревоги, который обычно подают органы, когда опухоль поражает их. Взаимодействуя с белком SND1, он не дает иммунной системе распознавать сигналы опасности, обычно генерируемые раковыми клетками, и, следовательно, не дает ей атаковать их.
«Теперь с помощью этого препарата мы снова активируем систему сигнализации. В нормальных тканях здоровые клетки обычно не подвергаются стрессу и не передают сигналы, которые иммунная система может распознать как чужеродные, поэтому для нормальных тканей MTDH не важен. По сути, MTDH – это квинтэссенция "гена пригодности к раку", который исключительно необходим злокачественным клеткам для выживания и процветания», – радует Ибинь Канг.
В настоящее время команда работает над усовершенствованием соединения, надеясь улучшить его эффективность в нарушении связи между MTDH и SND1 и снизить требуемую дозировку. Они надеются приступить к клиническим испытаниям на людях через два-три года. Источник
Созданы первые в мире самовоспроизводящиеся «ксеноботы»
«Живые робот» разработаны на основе клеток лягушки Xenopus laevis
Группа ученых из университетов Вермонта, Тафта и Гарварда создали первых в мире живых роботов, которые способны к самовоспроизведению. Их назвали «ксеноботы»: в основе их механизма лежат стволовые клетки гладкой шпорцевой лягушки Xenopus laevis.
Концепция ксеноботов представлена еще в 2020 году: это микророботы, которые проектируются из клеток с помощью компьютера. Родительский объект ксенобота состоит из примерно 3000 клеток, соединенных в сферу. Из них может появляться потомство, но затем система отмирает. Теперь ученые смогли продлить срок ее активности.
С помощью программы искусственного интеллекта алгоритм протестировал миллиарды форм тел, чтобы найти оптимальную для «кинематической репликации». Так называется процесс, при котором молекулы формируют свои копии за счет объединения со «строительными блоками». Оказалось, что идеальной является форма, напоминающая Пакмана (Pac-Man), персонажа японских видеоигр.
Плавая в чашке Петри в солевом растворе, родительская сфера находит отдельные клетки, собирает их внутри своего «рта» и затем производит ксеноботов-«детенышей». Всего за несколько дней это поколение становится взрослым, выглядит и двигается точно так же, как и «родители». Помещенные в новую чашку Петри, «дети» точно так же притягивают свободно плавающие клетки и создают свои копии.
В обычных условиях эти клетки покрывали бы тело головастика, не давая проникнуть в организм болезнетворным микроорганизмам и перераспределяя слизь. В новых условиях они ведут себя по-другому: они по-прежнему несут в себе геном лягушки, но вместо превращения в головастиков используют свой коллективный разум и пластичность, чтобы сделать «что-то поразительное». Ни одно животное или растение, известное науке, не воспроизводится таким образом.
«Большинство людей думает о роботах как о металлических аппаратах. Но дело не столько в том, из чего сделан робот, сколько в том, чем он может быть полезен для человека. В этом смысле это тоже робот, но притом и организм, созданный из генетически немодифицированной клетки лягушки», – заявляет Джош Бонгард из Университета Тафта.
Открытие интересно с нескольких точек зрения. Ксеноботы могут проникать в ту среду, куда не смогут попасть обычные роботы. С помощью них получится находить следы радиоактивного загрязнения, извлекать микропластик из океана или передвигаться по кровеносным сосудам, очищая их от бляшек.
«Если мы поймем, как заставить группы клеток делать то, что мы от них хотим, в конечном счете они станут инструментом регенеративной медицины и избавлением от травматических повреждений, врожденных дефектов, а также рака и старения», — говорят авторы исследования.
А в научном смысле этот прорыв показывает абсолютно новую модель воспроизведения: кинематическую саморепликацию. Этот процесс известен на молекулярном уровне, но его раньше не наблюдали в масштабах клетки или организма. В начале жизни на Земле кинематическая саморепликация в молекулах могла сыграть свою эволюционную роль, но до сих пор неизвестно, могли ли эта модель участвовать в зарождении жизни. Возможно, теперь ученые на шаг приблизились к ответу. Источник
Новостной сайт E-News.su | E-News.pro. Используя материалы, размещайте обратную ссылку.
Оказать финансовую помощь сайту E-News.su | E-News.pro
Если заметили ошибку, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter (не выделяйте 1 знак)
