Бумагу с дрожжами превратили в компактный дозиметр
Американские ученые создали компактный датчик ионизирующего излучения, состоящий из бумаги, алюминиевой фольги и дрожжей. После нанесения на датчик воды дрожжи в нем начинают ферментацию глюкозы и выделяют углекислый газ, который меняет проводимость датчика. Поскольку при облучении часть организмов погибает, по изменению проводимости можно определить дозу облучения, рассказывают разработчики в журнале Advanced Biosystems.
Работники производств или медицинских учреждений, работающие с источниками ионизирующего излучения, например, рентгенологи, пользуются средствами защиты от облучения. Тем не менее, как правило, они все же подвержены повышенному облучению, а в некоторых случаях могут получить значительную дозу из-за технологических ошибок. Для контроля дозы они используют либо активные и дорогие дозиметры, либо пассивные датчики, показания которых считывают через несколько дней или недель.
Ученые из Университета Пердью под руководством Бабака Зиайи (Babak Ziaie) создали компактный детектор ионизирующего излучения, состоящий из доступных материалов и способный показывать уровень облучения с небольшой задержкой. Датчик состоит из нескольких слоев. В центре располагается слой дрожжей (Saccharomyces cerevisiae) и среда, насыщенная глюкозой. С обеих сторон их окружают слои двусторонней клейкой ленты, приклеенной к ней алюминиевой фольги с вынесенными по бокам контактами, а внешние слои выполнены из пергаментной бумаги.
Изначально датчик находится в неработающем состоянии и для активации его нужно намочить. После этого дрожжи получают доступ к глюкозе и начинают процесс ферментации, превращая ее в этанол и углекислый газ. Растворенный в воде углекислый газ увеличивает количество носителей заряда за счет добавления в нее ионов H+ и HCO3-, что повышает проводимость датчика. Поскольку в результате облучения часть клеток погибает и метаболическая активность всего слоя в целом понижается, клетки выделяют меньше углекислого газа и не так сильно увеличивают проводимость. Для измерения проводимости слои алюминия сделаны не квадратными как весь датчик, а с контактными площадками сбоку.
Ученые провели испытания датчика на двух радиоактивных изотопах — цезий-137 и кобальт-60. Эксперименты при разных дозах ионизирующего излучения показали, что изменение проводимости проходит в течение нескольких минут, после чего она выходит на плато, «высота» которого зависит от дозы. Кроме того, испытания показали, что минимальная обнаруживаемая доза облучения составляет 1 миллирад (от 10 до 200 микрозивертов в зависимости от типа излучения).
Чтобы дополнительно доказать, что изменение сопротивления происходит из-за метаболической активности дрожжей, исследователи также провели эксперименты при разных температурах. Они показали, что при 3 градусах Цельсия, когда дрожжи бездействуют, и при 60, когда они погибают, изменений в проводимости датчика практически не происходит, тогда как при 21 градусе Цельсия наблюдается быстрое увеличение электропроводности.
Ученые нередко используют микроорганизмы в электронных устройствах. Например, недавно американские исследователи создали датчик кровотечения в кишечнике, в основе которого лежат генетически модифицированные бактерии, люминесцирующие в присутствии искомых веществ. А в прошлом году другая группа американских ученых создала на основе бактерий материал для печати на 3D-принтере, позволяющий обнаруживать конкретные вещества, и даже создала с его помощью простые логические вентили, основанные на флуоресценции бактерий.
Григорий Копиев
Он оказался высокоактивным лигандом рецептора иммунных клеток
Японские и нидерландские ученые обнаружили в клеточной стенке микобактерии лепры (Mycobacterium leprae) фенольный гликолипид-III (PGL-III), который ответственен за запуск иммунного ответа в зараженном организме. Как сообщается в статье, опубликованной в журнале ACS Central Science, инициация иммунохимических реакций происходит за счет активации кальций-зависимого рецептора лектина (Mincle-рецептор), для которого PGL-III выступает крайне активным лигандом. Микобактерия лепры при попадании в организм человека может вызывать проказу, которая в основном поражает кожу, периферические нервы и глаза. В 2021 году зарегистрировано более 140 тысяч новых случаев проказы, в том числе от нее пострадали более девяти тысяч детей. Хотя проказу можно вылечить с помощью комплексной лекарственной терапии, она до сих пор приводит к инвалидизации и неизгладимым обезображиваниям людей в странах Африки и Азии. Считается, что тяжелые поражения моторной функции при проказе вызваны специфическим воспалением, однако его патогенез до сих пор плохо изучен. Важным антигеном, который отвечает за иммуногенность микобактерии лепры, считается фенольный гликолипид-I (PGL-I), который составляет до двух процентов массы бактериальных клеток. При этом PGL-I обладает мощным иммуносупрессивным действием, из-за которого M. leprae способна вызывать хроническую инфекцию. Однако окончательная роль подобных антигенов в развитии симптомов проказы изучена плохо. Чтобы исправить это положение, команда ученых под руководством Йерун Коде (Jeroen Codée) из Лейденского университета и Шо Ямасаки (Sho Yamasaki) из Университета Осаки исследовали потенциальные иммуноактивные компоненты в гликолипидной клеточной стенке M. leprae. Сначала ученые обнаружили, что липиды клеточной стенки микобактерии лепры активируют клетки миелоидного происхождения (макрофаги, нейтрофилы) с помощью кальций-зависимого рецептора лектина (Mincle-рецептор). По такому же пути их активировали липиды клеточной стенки M. tuberculosis и M. smegmatis. Затем ученые разделили липидные экстракты с помощью высокоэффективной тонкослойной хроматографии, чтобы охарактеризовать наиболее иммуноактивный компонент. Фракционирование с использованием разных комбинаций растворителей выявило липид, избирательно активирующий клеток, экспрессирующие Mincle-рецепторы. Как выяснилось с помощью матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации (MALDI-TOF-MS) этот липид крайне похож на PGL-I, однако в нем отсутствует одна метильная группа в углеводной части. Поскольку в процессе биосинтеза PGL-I образуется несколько промежуточных продуктов, подобных PGL-I, ученые решили проанализировать этот путь, чтобы выяснить природу этого липида. После введения различных генов в экспериментальные модели M. marinum, ученые выделили несколько промежуточных продуктов биосинтеза PGL-I, среди которых выделялись PGL-II, так и PGL-III, которые были описаны ранее. Методом органического синтеза ученые создали чистые образцы PGL-I, II и III, чтобы проверить их активность взаимодействия с Mincle-рецептором. С помощью спектроскопия ядерного магнитного резонанса ученые выяснили, что тем самым липидом, специфически активно связывающимся с Mincle-рецептором и через него активирующим клетки иммунной системы был PGL-III. Это неожиданное открытие, поскольку ранее сообщалось о том, что лигандами этих рецепторов могут быть только моно- и дисахариды концы гликолипидов, однако PGL-III имеет трисахаридный углеводный конец. Дальнейшие анализы показали, что синтетический PGL-III проявлял намного бОльшую, чем PGL-I и -II, лигандную активность в отношении Mincle-рецепторов мыши и человека. Учитывая его низкую концентрацию и относительную активность, удельная активность PGL-III, по-видимому, достаточно высока. Синтетический PGL-III активировал первичные макрофаги с помощью Mincle-рецепторов, после чего они начинали вырабатывать провоспалительные цитокины фактор некроза опухоли и интерлейкин-6. Кроме того, PGL-III индуцировал экспрессию NO-синтазы. То есть PGL-III микобактерии лепры выступает мощным иммуностимулирующим агентом, запускающим высвобождение провоспалительных цитокинов, будучи высокоактивным лигандом Mincle-рецепторов. В эксперименте с мышами с нокдауном генов, ответственных за экспрессию Mincle-рецепторов, заражение их микобактерией лепры приводило у них к значительной бактериальной нагрузке, что говорит о решающей роли Mincle-рецепторов в индукции иммунных реакций при проказе. Ученые считают, что метилтрансфераза, которая ответственна за метилирование PGL-III, может стать терапевтической мишенью при лечении проказы, поскольку ее ингибирование должно приводить к накоплению PGL-III и большему иммунному ответу организма. При этом будет снижаться концентрация PGL-I, которая провоцирует воспаление и считается фактором вирулентности. Считается, что проказа — болезнь человека. Однако в 2021 году зоологи описали случай проказы у диких шимпанзе. При этом с высокой вероятностью они заработали болезнь от мелких млекопитающих, а не от человека.