Текст уведомления здесь

Vita ex machina № 2

Тест Тьюринга для искусственных клеток, компьютер, вычисляющий по запаху, и другие новости бионики

В лабораториях бьются искусственные сердца, молекулярные компьютеры играют в крестики-нолики, а крошечные медицинские роботы учатся взаимодействовать между собой внутри наших тел. Люди всегда мечтали подражать природе, и теперь, кажется, у нас это получается все лучше. «Чердак» отбирает самые интересные бионические новости, чтобы вы не потерялись в этом новом, странном мире.
Добавить в закладки
Комментарии

Ученые уже создают искусственных бактерий и ищут минимальный геном, но до сих пор не могут договориться о строгом определении живого. Команде исследователей из Италии и США это показалось странным, и они предложили более-менее фиксированную процедуру для проверки «живости» живого — такой биомолекулярный аналог теста Тьюринга, в котором искусственные клетки пытаются обмануть живые микроорганизмы и вступить с ними в общение (точно так же компьютерные программы в оригинальном тесте Тьюринга стараются убедить экспертов, что они не бездушные чат-боты, а вполне интересные и, главное, живые собеседники).

Свою работу исследователи построили на чувстве кворума — способности некоторых бактерий договариваться о совместных действиях с помощью различных сигнальных молекул. Они создали несколько линий искусственных клеток с фосполипидными мембранами и начинкой из молекулярно-генетических конструктов, отвечающих за распознавание и синтез сигнальных молекул, а потом подсаживали своих франкенштейнов к живым бактериям.

В большой серии экспериментов ученые показали, что такие искусственные клетки могут и сами «слушать» бактерий (то есть реагировать на их сигнальные молекулы повышенной экспрессией люминесцентного белка), и «говорить» с ними (выделять сигнальные молекулы, вызывающие люминесценцию уже у бактерий) и даже, самое главное, делать оба этих действия более-менее одновременно (редкий и драгоценный дар для собеседников, да). Более того, искусственные клетки даже научились работать переводчиками — воспринимать сигналы одного вида (V. fisheri) и в ответ производить сигнальные молекулы, управляющие люминесценцией вида совершенно другого (кишечной палочки, E. Coli).

Численную же оценку жизнеподобности американцы завязали не на интенсивности люминесценции бактерий, а на данных их транскриптома: они смотрели, как сильно будет меняться экспрессия генов у живых бактерий в присутствии разных версий искусственных клеток. Лучшие образцы из статьи получили максимальную оценку в 39% (менялась транскрипция 107 генов) по шкале, где 0% соответствовали искусственные клетки, способные только слушать бактерий (в их присутствии менялась транскрипция 175 генов), а 100% — идеальные искусственные клетки, в присутствии которых транскриптом бактерий остается точно таким же, как в естественной среде.

Фото: Brandon Martin-Anderson / Flickr
Фото: Brandon Martin-Anderson / Flickr

Искусственная жизнь — это очень здорово, но есть и другие великие задачи, полегче (во всяком случае, на первый взгляд) и с более очевидной пользой — например, научить компьютеры работать так же быстро и эффективно, как делают это нервные системы внутри живых организмов. Многие ученые говорят, что в этом деле создания нейроморфных вычисляющих систем не обойтись без мемристоров (элементов в микроэлектронике, меняющих свою проводимость в зависимости от истории своей работы), и вот теперь (о, удача и совпадение) французские исследователи показали, что в некоторых мемристорах изначально заложены свойства, напоминающие синаптическую пластичность (нейроны умеют менять силы связей между собой в зависимости от проходящих сигналов — считается, что на этом завязана наша память и наша способность к обучению, и именно это называется синаптической пластичностью).

Для этого ученые сделали неорганические мемристоры на основе диэлектрика сульфида серебра Ag2S, в котором при подаче небольшого внешнего напряжения (порядка +0,3 В) появляются ионы серебра (они приходят из наложенной сверху на Ag2S серебряной пластинки), пробивающие в нем электропроводящие каналы. В результате у мемристора резко падает сопротивление, но при подаче обратного напряжения (-0,3 В) ионы Ag уходят обратно в серебряную пластинку, каналы постепенно закрываются и все возвращается на круги своя (поэтому эта система и называется мемристором — ее проводимость сильно зависит от истории, от того, какие напряжения были приложены к системе в прошлые моменты времени).

Дальше ученые показали, что скорость с которой мемристор будет забывать свои прошлые состояния, сильно зависит от продолжительности сигнала: если положительное напряжение на нем держали совсем недолго (скажем, миллисекунду), то после его переключения проводящие каналы в сульфиде серебра будут закрываться быстро (это аналог кратковременной синаптической пластичности), а если напряжение продержали более 2,5 миллисекунды, то каналы будут закрываться уже гораздо медленнее и даже после 100 секунд проводимость мемристора все равно останется большой (это аналог долговременной синаптической пластичности).

Фото: 8 chigonotsukikage / Flickr
Фото: 8 chigonotsukikage / Flickr

Однако нервная система — это далеко не единственный вычисляющий агент внутри живых организмов. Миллионы клеток, молекул, бактерий, хитросплетения биохимических циклов и обратных связей. В каком-то смысле тела — это огромные серверы, каждую секунду вычисляющую нашу жизнь, и большинство этих вычислений идет уже совершенно по другим принципам, чем в наших предсказуемых компьютерах: если нейроны хотя бы формально работают в цифровом режиме (либо 0 — потенциал покоя, либо 1 — потенциал действия), то все молекулярные вычисления идут строго в аналоговой форме.

В последнее время ученые пробуют создавать искусственные системы для таких вычислений, и иногда у них это неплохо получается. Например, недавно швейцарские исследователи сделали биокомпьютер, способный обрабатывать входные аналоговые сигналы — концентрации двух летучих веществ триптофана и глюканоподобного пептида-1, производить с этой информацией простенькие логические вычисления и выдавать конечный сигнал в виде одного из желтых флуоресцентных белков.

Эта вычисляющая система состоит из трех подсистем, созданных методами синтетической биологии. В первой из них были собраны сигнальные клетки, отвечавшие за распознавание входных летучих молекул. Вторая подсистсема синтезировала различные жидкие вещества — переносчики информации между клетками, а третья подсистема, возбуждаемая этими сигнальными веществами, запускала генетические вычисления, заканчивавшиеся синтезом флуоресцентного белка. Так, ученые собрали три разных логических модуля для будущих биокомпьютеров — И, ИЛИ и исключающее ИЛИ, каждый из которых преобразует аналоговые сигналы запахов в цифровые сигналы флюоресцентного белка (1 — есть флуоресценция или 0 — нет флуоресценции). К примеру, система И синтезировала цитрин только в присутствии сразу обоих летучих веществ.

Подобные системы, по словам швейцарцев, с одной стороны, можно использовать для создания вычисляющих лекарств, определяющих дозировку по различным биологическим показателям, а с другой стороны, их исследование показывает возможность управления работой генов в клеточных культурах не только с помощью света (как в оптогенетике), но и с помощью запахов.

Фото: Jeff Amann / Flicrk
Фото: Jeff Amann / Flicrk

Наконец, итальянские ученые в свое работе обратились уже не к запахам, а к самой привычной модальности чувств — зрению: с помощью электропроводящих полимеров они попытались усилить чувствительность полипов Hydra vulgaris к видимому свету. И хоть сама гидра от природы лишена глаз за их скоромной функциональностью в глубоководной жизни, кое-что у ученых все-таки получилось.

В своих экспериментах они помещали гидр в водный раствор наночастиц проводящего полимера P3HT, которые достаточно быстро заходили внутрь полипов. Анализ показал, что такая модификация не вызвала никаких токсичных эффектов и никак не повлияла на размножение гидр, но зато она сильно повлияла на их светочувствительность. Во-первых, полипы, обработанные полимером, стали сжиматься на свету, в то время как обычные полипы на свету, наоборот, разжимаются. А во-вторых, яркий свет вызывал у модифицированных гидр аномальное усиление экспрессии генов, ответственных за синтез опсинов — светочувствительных белков, которые у человека, например, находятся в сетчатке глаза.

Точный механизм такого физиологического влияния наночастиц полимеров пока неизвестен (авторы связывают его с фотоактивностью P3HT, в котором под действием видимого света возбуждают электроны, способные повлиять на многие биохимические и генетические циклы в клетках полиров), но зато уже есть и другие, даже более смелые работы, в которых инъекции полимера улучшали чувствительность в сетчатке ослепших крыс.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Знай наших! О словаре Даля и современном русском языке

Знаете ли вы, что в Толковом словаре Даля можно встретить такие слова, как клубняк, двач и прикол? Так насколько современный русский язык отличается от того, на котором говорили 150 лет назад? Чтобы ответить на этот вопрос, аналитики «Яндекса» обратились к нашим с вами поисковым запросам. О результатах смотрите в новом выпуске «Знай наших».
Добавить в закладки
Комментарии

Всем привет! С вами Анна Шустикова и рубрика о российской науке «Знай наших».

Наверное, каждый из вас хоть раз слышал о Толковом словаре В.И. Даля. Это удивительный труд, в котором собраны образцы по-настоящему живого, народного языка середины XIX века — всего около 200 тысяч. Однако время идет, язык меняется, и слова, прежде звучавшие в повседневной речи, выходят из употребления. Но как сильно современный язык отличается от того, на котором говорили 150 лет назад? Для ответа на этот вопрос Яндекс решил обратиться к нашим с вами поисковым запросам.

В год Яндекс обрабатывает около 70 миллиардов запросов. Если каждый запрос разделить на слова, отобрать среди них только те, что составлены из кириллических символов, и привести их к начальной словоформе — например, для существительных такой является именительный падеж, — то мы получим 285 миллионов слов. Разумеется, не все из них настоящие: есть среди них и слова с ошибками — только слово «одноклассники» набирают в поисковой строке больше, чем тысячью способами, — кроме того, встречаются слова, набранные в неправильной раскладке, и просто бессмысленные комбинации букв. Чтобы отсеять все эти ошибки и случайности, прежде чем переходить к анализу, слова из запросов сравнили с образцами из Национального корпуса русского языка за XX, XXI века. Это такое собрание русскоязычных текстов в электронном виде, где представлены примеры разных типов и стилей в той же самой пропорции, в которой они встречаются в реальной жизни. То есть, к примеру, если среди всех текстов на русском языке новости составляют одну треть, то и в Национальном корпусе их должно быть столько же. [ ... ]

Читать полностью

Икота, зевота и чих. Научные байки дядюшки Серафима

Для чего зевают бегемоты? Что происходит при икоте? И с какой скоростью выходит воздух из носа при чихе? Об икоте, зевоте и чихе — новый выпуск с дядюшкой Серафимом.
Добавить в закладки
Комментарии
Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Давайте сменим тему

Российской науке не хватает ресурсов и новизны

Только 7% российских научных проектов соответствуют мировому уровню, а многие и вовсе не представляют научной новизны — такие данные выявила всесторонняя экспертиза, проведенная в 2016 году под руководством экспертного совета РАН. Тем не менее в РАН считают, что, несмотря на крайний износ оборудования и недофинансирование, у российской науки еще есть неиспользованный потенциал.
Добавить в закладки
Комментарии

— В 2013 году правительство РФ ввело единообразный учет всех исследовательских работ, выполняемых на деньги госбюджета, а также учет их научных результатов. В 2014 году была запущена федеральная система учета результатов НИОКР. Кроме того, когда в 2013 году был принят закон о РАН № 253-ФЗ и Академия по закону получила функции главного экспертного органа, Минобрнауки открыло ей доступ ко всей федеральной базе исследований, — пояснил директор департамента науки и технологий Минобрнауки Сергей Матвеев.

В число экспертов вошли 7265 ученых из институтов, ведущих вузов страны и других научных организаций. Они проверили работу 1582 государственных научных организаций и вузов по 25 критериям, в частности числу публикаций и их качеству, коммерциализации результатов, состоянию финансовой деятельности и приборной базы.

Экспертизу прошли 5000 научных проектов. Из них 3468 рекомендованы к продолжению исследований и дальнейшему выделению финансирования. 1532 проекта рекомендовано завершить по ряду причин, среди которых — отсутствие научной новизны. Исследование охватило далеко не все профинансированные государством научные проекты. Так, РНФ в среднем финансирует в год больше тысячи проектов, РГНФ в 2014 году профинансировал более трех тысяч исследований, а РФФИ за один 2014 год профинансировал более 15 тысяч научных проектов разного масштаба — региональных, федеральных и международных.

— Наши научные коллективы, научные лаборатории, многие из которых создали свои научные школы, практически не меняют тематику исследований. В то время как мир идет вперед, наши исследователи продолжают работать достаточно изолированно, — заметил Матвеев. [ ... ]

Читать полностью