Рецепторы

Физическую боль сложно назвать чем-то приятным, однако это ощущение имеет крайне важное значение в работоспособности нашего организма. Боль является своеобразной сигнализацией, оповещающей о наличии некоего раздражителя, от которого необходимо избавиться. Причиной боли могут быть как физические повреждения тканей или органов (переломы, ушибы, порезы, удар мизинцем об комод и т.д.), так и патологические процессы в организме (инфекции, онкология, врожденные дефекты и т.д.). В любом случае боль помогает как можно раньше и точнее локализовать проблему, требующую внимания. При этом разные люди могут ощущать боль от одинакового источника по-разному, что обусловлено разным болевым порогом. Для одних людей снятия пластыря настоящая агония. А другие спокойно могут уснуть во время лечения зубного канала без анестезии. Боль крайне индивидуальна, но даже тут есть скрытая логика. Ученые из MGH (Массачусетская больница общего профиля, США) установили причину, почему люди с рыжими волосами обладают более высоким болевым порогом. Как цвет волос влияет на восприятие боли, как это связано с кожей, и как можно на практике применить полученные сведения? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

С точки зрения медицины можно выделить два основных типа боли: ноцицептивную и нейропатическую. Первый тип относится к периферическим нервным окончаниям, которые активируются болевыми стимулами в результате повреждения тканей. Второй тип является результатом повреждения или дисфункции центральной нервной системы или периферических нервов. В рассматриваемом нами сегодня труде речь идет о первом типе боли, т.е. о ноцицептивной.

Ранее было установлено, что люди (и мыши) с рыжими волосами обладают отличным от других болевым порогом, повышенной потребностью в неопиоидных анальгетиках и усиленной реакцией на опиоидные анальгетики. Факт отличий был установлен, но причина его существования так и не была определена.

Чтобы понять причину отличия болевого порога у рыжих стоит сначала обратить внимание на причину визуального отличия, т.е. на причину рыжего цвета волосяного покрова. Рыжий цвет обусловлен вариантными аллелями с потерей функции рецептора меланокортина 1 (MC1R) Gs-связанного рецептора, экспрессируемого на меланоцитах (клетках кожи, продуцирующих пигмент). Эти отличительные черты могут каким-то образом влиять и на болевой порог. Чтобы это выяснить, ученые использовали в ходе опытов мышей Mc1r^e/e, которые демонстрируют многие черты рыжих людей: рыжие волосы, синтез красного/светлого пигмента феомеланина, неспособность загорать после воздействия УФ-излучения и увеличение риска рака кожи из-за УФ воздействия.

Результаты исследования

Чтобы первоначально оценить пороги ноцицепции у мышей Mc1r^e/e и проверить роль пигмента в ноцицепции, ученые скрестили мышей Mc1r^e/e с видом-альбиносом, содержащим инактивирующую мутацию гена тирозиназы (Tyr^c/c). У этих мышей количество меланоцитов не изменено, но они не пигментированы. Полученный скрещенный вид (Mc1r^e/e + Tyr^c/c) не отличался от Tyr^c/c вида, поскольку также имел белый окрас.


Изображение 1

Сравнение мышей с разными генетическими изменениями показало, что особи Mc1r^e/e обладают значительно более высоким болевым порогом (давление и температура), чем мыши Mc1r^E/E с генетическим фоном альбиносов (1A и 1B). При этом повышенный болевой порог наблюдался у мышей Mc1r^e/e и в сравнении с Mc1r^E/E без генетичсекого фона альбиносов (1C и 1D). Из этого следует, что MC1R играет важную роль в регуляции ноцицепции, но не зависит от пигментации.

Далее ученые решили проверить, вызваны ли повышенные пороги ноцицепции у рыжеволосых мышей потерей функции MC1R в меланоцитах или в других типах клеток. Для этого было проведено сравнение трех генетически согласованных (C57BL/6J) моделей мышей, которые различаются по количеству меланоцитов.

Мыши с повышенным количеством эпидермальных меланоцитов показали значительно более низкие пороги ноцицепции (1E и 1F), в то время как мыши, лишенные меланоцитов, показали более высокие пороги ноцицепции по сравнению с мышами из контрольной группы (без каких-либо генетичсеких манипуляций; 1G и 1H). Эти данные свидетельствуют о том, что количество эпидермальных меланоцитов (независимо от функции MC1R) действительно может модулировать пороги ноцицепции.

Далее ученые скрестили рыжих мышей с мышами без меланоцитов. Анализ полученных гибридов позволял оценить функцию MC1R в немеланоцитарных клетках. На графиках 1G и 1H видно, что генетическое отсутствие меланоцитов сводит на нет способность MC1R влиять на пороги ноцицепции. Следовательно, влияние на болевой порог осуществляется MC1R именно в меланоцитах, а не в других клетках.

Одним из гипотетических модуляторов повышенного порога ноцицепции у рыжеволосых мышей является -эндорфин продукт посттрансляционного расщепления проопиомеланокортина (ПОМК), который экспрессируется в меланоцитах. ПОМК индуцируется аденозин 3', 5'-циклическим монофосфатом (ациклический АМР или цАМР) в других типах клеток. Следовательно, низкие уровни цАМР в мутантных меланоцитах MC1R может повлиять на экспрессию ПОМК.

У рыжих мышей уровень -эндорфина в плазме был значительно ниже, чем у черных мышей (1I). Однако это еще не означает, что изменения -эндорфина влияют на болевой порог, поскольку направление изменения противоположно фенотипическому изменению, поскольку передача сигналов опиоидов способствует, а не уменьшает анальгезию (уменьшение болевой чувствительности). Более того, уровни -эндорфина в плазме также были обратно пропорциональны порогам ноцицепции у мышей K14-SCF (более высокие числа меланоцитов и более низкие пороги ноцицепции) и мышей Mitf^mi-wh/mi-wh (отсутствие меланоцитов и более высокие пороги ноцицепции).

Из этих данных следует, что количество и функции меланоцитов обратно коррелируют с порогами ноцицепции, несмотря на то, что они напрямую связаны с уровнями -эндорфина.

Для оценки роли меланоцитов в модуляции экспрессии ПОМК относительно MC1R были произведены два дополнительных изменения в меланоцитах мышей: подавление мРНК Mc1r (1J) и стимуляция MC1R с помощью -MSH, т.е. -меланоцит-стимулирующего гормона (1K). В первом случае наблюдалось снижение продукции мРНК ПОМК, а во втором, наоборот, увеличение.

Экспрессия ПОМК не показала статистически значимого снижения в надпочечниках и гипофизе мышей Mc1r^e/e. Это позволяет предположить, что изменения уровня ПОМК в плазме связаны с уменьшением продукции меланоцитов ПОМК, вызванным потерей функции MC1R.

Далее необходимо было установить, является ли повышенный болевой порог результатом адаптации к низкому уровню -эндорфина. Для этого использовалось два типа мышей: у одного была гомозиготная мутация ПОМК, которая экспрессирует все пептиды меланокортина, но не имеет концевой последовательности -эндорфина (нокаут -эндорфин), а у второго типа был дефицит гена рецептора -эндорфина, т.е. -опиоидного рецептора (Oprm1^/).


Изображение 2

Анализ не показал каких-либо значимых эффектов нокаута -эндорфина на болевые пороги у черных и рыжих мышей (2A и 2B). Делеция (потеря участка хромосомы) Oprm1 не влияла на пороги ноцицепции у черных мышей, но устраняла повышенные болевые пороги у рыжих (2C и 2D).

Подобный эффект имели и налоксон (антагонист* широкого опиоидного рецептора), и ципродим (антагонист, специфичный для -опиоидного рецептора). Они оба снижали болевые пороги у рыжих мышей до уровня порогов черных мышей (2E и 2F).

Антагонист* лиганд, который блокирует, снижает или предотвращает физиологические эффекты, вызываемые связыванием агониста с рецептором.

Агонист* лиганд, который при взаимодействии с рецептором изменяет его состояние, приводя к биологическому отклику.

Эти данные предполагают, что повышенные пороги ноцицепции у рыжих мышей зависят от -эндорфин-независимой передачи сигналов опиоидных рецепторов.

Из вышеописанных результатов следует вывод, что более высокая передача сигналов -опиоидных рецепторов в присутствии низких уровней -эндорфина в плазме может быть объяснена усилением регуляции другого эндогенного опиоида, адаптацией -опиоидного рецептора или сокращением пути, который препятствует передаче опиоидных сигналов.


Изображение 3

Прямые измерения циркулирующих опиоидных лигандов динорфина, энкефалина и эндоморфина не выявили существенных различий между рыжими и черными мышами (3A-3C). Учитывая ранее опубликованные данные о различиях между рыжими и черными мышами в их реакции на пентазоцин (агонист -опиоидных рецепторов), было решено продолжить изучение агониста -рецепторов динорфина.

Для этого штамм мышей с нокаутом динорфина был скрещен с рыжими и черными мышами. Однако измеримых эффектов на пороги ноцицепции у рыжих или черных мышей при этом не наблюдалось (3D и 3E). Это означает, что повышение уровня эндогенного (внутреннего) опиоида вряд ли может быть причиной повышения порога ноцицепции.

После проведения фармакологических манипуляций с меланокортином, которые привели к снижению некоторых эффектов морфина, ученые решили исследовать уровни -MSH (агониста меланокортина) в плазме. MSH кодируется в ПОМК, как и -эндорфин.

Учитывая общее происхождение -MSH и -эндорфина, было неудивительно, что уровни первого варьировались у мышей с разной пигментацией. У мышей с большим количеством меланоцитов (черные мыши) уровень -MSH был достаточно высок (4A). А у мышей меньшим количеством меланоцитов (рыжие мыши) уровень был значительно ниже.


Изображение 4

Таким образом, уровень -MSH в плазме мышей менялся в соответствии с болевым порогом, который он моделирует (гипотетически), чего нельзя сказать про -эндорфин.

Чтобы функционально оценить, может ли пропорционально низкий уровень -MSH способствовать повышенным порогам ноцицепции для рыжих мышей, было выполнено фармакологическое исследование. Меланотан II (пептидный имитатор -MSH) снижал пороги ноцицепции дозозависимым образом у самцов рыжих, но не у черных мышей (4B).

Эти результаты подтверждают, что потеря функции передачи сигналов MC1R приводит к увеличению пороговых значений ноцицепции из-за дефицита меланокортина.

Дополнительно был исследован еще один рецептор меланокортина MC4R, поскольку его ингибирование имеет прямое отношение к фармакологическому обезболиванию и нейропатической боли.

Сначала был проверен пептид SHU 9119, противодействующий MC4R и MC3R. SHU 9119 вызывал уменьшение болевой чувствительности (т.е. увеличение болевого порога) при введении самцам черных мышей (4C). Из этого можно сделать вывод, что обезболивающие эффекты SHU 9119 не зависят от Mc1r и, вероятно, связаны с эффектами лиганда на MC4R или MC3R.

Мыши, которые были лишены MC4R, демонстрировали повышенные пороги ноцицепции (4D и 4E). Отсутствие MC4R у черных мышей также привело к повышению чувствительности к опиоидному антагонизму (4F), что наблюдается у рыжих мышей. Значит, порог ноцицепции может определяться балансом между OPRM1 и сигналами MC4R. Фармакологическое замедление OPRM1 привело к восстановлению порогов ноцицепции как у черных, так и у рыжих мышей (4G). При этом применение агониста меланокортина снижало повышенные пороги ноцицепции у рыжих мышей (4B), но никак не влияло на мышей без MC4R (4H). Это наталкивает на мысль, что именно MC4R является ключевым рецептором меланокортина, на который MSH действует как лиганд для снижения порога ноцицепции.

На следующем этапе ученые решили выяснить, периферическая или центральная нервная система больше задействованы в процессе модуляции ноцицепции. Ноцицептивная разница, наблюдаемая между черными и рыжими мышами, уменьшилась после периферического (внутрибрюшинного) введения налтрексона (5А) антагониста опиоидных рецепторов, который способен преодолевать гематоэнцефалический барьер (ГЭБ).

Гематоэнцефалический барьер* (ГЭБ) физиологический гистогематический барьер между кровеносной системой и центральной нервной системой.

Изображение 5

Однако периферическое введение метилированного налтрексона, непроницаемого для ГЭБ опиоидного антагониста, не уменьшило ноцицептивных различий между черными и рыжими мышами (5В), что свидетельствует о минимальном периферическом влиянии.

Это предполагает, что относительное усиление передачи сигналов опиоидов у рыжих мышей происходит центрально, а не периферически.

Ранее сообщалось, что передача сигналов цАМР играет важную роль в модуляции опиоидного снижения боли. Посему было решено измерить влияние антагонизма на содержание цАМР в первичных нейронах гипоталамуса крыс (RPHN от rat primary hypothalamic neurons). Было обнаружено, что агонист меланокортина увеличивал содержание цАМР, но опиоидный агонист морфин значительно уменьшал вызванное меланокортином повышение цАМР (5C). Следовательно, передача сигналов меланокортином и опиоидами может противодействовать друг другу.

Анализ также показал возможное наличие нейронов в периакведуктальной серой зоне (PAG от periaqueductal gray area), экспрессирующих оба типа рецепторов. Сравнение уровней мРНК опиоидных рецепторов в PAG у разных мышей не показо особых отличий.

Исследование роли PAG в модулировании ноцицепции показало, что местный антагонизм опиоидных рецепторов или агонизм рецепторов меланокортина значительно снижают болевые пороги (5D).

Совокупность всех вышеописанных данных позволяет подытожить: повышенные болевые пороги у рыжих мышей возникают из-за снижения уровней -MSH, вызванного снижением продукции проопиомеланокортина (ПОМК) в меланоцитах, что приводит к снижению передачи сигналов MC4R.

Снижение передачи сигналов MC4R, в свою очередь, снижает его антагонизм по отношению к передаче сигналов опиоидов в ЦНС, которая, несмотря на снижение продукции -эндорфина, не обнаруживает заметных различий в других эндогенных опиоидных лигандах. В совокупности это вызывает дефицит меланокортина, что изменяет баланс в пользу анальгезии (обезболивания), индуцированной -опиоидными рецепторами (5E).

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Да, легким этот труд не назовешь, но когда дело доходит до изучения работы нервной системы, другого и не стоит ожидать. В данном исследовании ученые пытались разобраться, почему рыжие мыши менее чувствительны к боли, чем черные или белые. Другими словами, почему у них повышенный болевой порог (порог ноцицепции).

В ходе многочисленных опытов удалось выяснить, что у рыжих мышей функции рецептора меланокортина снижены. Это приводит к тому, что клетки кожи, производящие пигмент, выделяют меньше проопиомеланокортина (ПОМК). В свою очередь, молекулы ПОМК расщепляются на гормоны, участвующие в восприятии или блокировке болевых ощущений. Наличие этих гормонов поддерживает равновесие между опиоидными рецепторами и рецепторами меланокортина, которые подавляют и усиливают боль соответственно.

У рыжих мышей уровень обоих гормонов очень низок. Логично, что их действие должно быть минимально. Однако, помимо этих конкретных гормонов существует ряд дополнительных элементов, которые влияют на восприятие/подавление боли. К ним относятся те, что связаны с меланоцитами, которые активируют опиоидные рецепторы, участвующие в блокировании боли. В результате более низкие уровни гормонов приводят к повышению болевого порога за счет усиления опиоидных сигналов.

Естественно, главным применением новообретенных знаний является медицина и фармакология. Понимая индивидуальную природу боли и ее ощущения у разных пациентов, можно более точно применять обезболивающие. Что касается лекарств, то знания о том, какие именно механизмы участвуют в восприятии/блокировки боли, можно разработать препараты, ингибирующие (подавляющие) рецепторы меланокортина, тем самым повышая болевой порог.

Боль играет крайне важную роль в диагностике травм и заболеваний, однако это не означает, что ее нужно терпеть длительное время. Конечно, полностью лишать человека способности ощущать боль было бы крайне неразумно, но иметь в своем распоряжении инструменты, позволяющие ее контролировать, могли бы значительно облегчить жизнь не только медработникам, но и миллионам пациентов во всем мире.


Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Кожа это не только самый большой орган нашего тела, но и самая большая сенсорная система, ежесекундно собирающая информацию о внешних раздражителях и уровнях их воздействия на наш организм. С механической точки зрения, воссоздание кожи человека не является столь сложной задачей, но это будет лишь искусственный защитный слой, лишенный нейронной активности. Ученые из Мельбурнского королевского технологического университета (Мельбурн, Австралия) разработали систему искусственных датчиков, имитирующих различные сенсоры кожи человека. Что потребовалось для создания столь сложной имитации, каков принцип работы устройства, какие раздражители оно способно воспринимать, и где может быть применена данная разработка? Ответы на эти и другие вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Сенсорная система кожи человека может быть разделена на несколько подсистем, каждая из которых отвечает за определенные раздражители. Самыми распространенными и важными считаются рецепторы давления (тельца Пачини), температуры (терморецепторы) и боли (ноцицепторы).

Каждый из этих рецепторов собирает информацию и передает сигналы в мозг человека для обработки и принятия соответствующего решения. Подобный принцип работы и у других сенсорных систем (зрение, слух, вкус, обоняние).

Логично, что подобная биологическая система крайне сложна для воспроизведения, даже при учете современных тактильных сенсоров и КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник).

Существуют разработки, в которых реализован искусственный ноцицептор на основе диффузионного мемристора*, который может демонстрировать нормальное состояние, состоящее из напряженной и релаксационной стадии ноцицептора, а также аномальное состояние с аллодинией* и гипералгезией* ноцицептора, использующего внешние стимулы в качестве напряжения.

Мемристор* пассивный элемент в микроэлектронике, способный изменять свое сопротивление в зависимости от прошедшего через него заряда.

Аллодиния* аномальная боль, вызванная раздражителем, который обычно не вызывает болевых ощущений (например боль при легком прикосновении).

Гипералгезия* аномально высокая чувствительность организма к болевым стимулам.

По словам ученых, данные разработки крайне важны, поскольку механизм переключения мемристора зависит от проводящих нитей, которые имеют примерно субнанометровый диаметр. Используя термоэлектрический модуль и пьезоэлектрический модуль давления, можно успешно достичь напряженного и релаксационного состояния среди четырех основных функций ноцицептора.

На данный момент подобная методика используется для создания искусственного глаза, но реализация ее в формате искусственной кожи пока не была достигнута.

В данном труде ученые демонстрируют рабочий прототип искусственных электронных рецепторов, которые имитируют тельце Пачини, терморецептор и ноцицептор. Достичь этого удалось за счет комбинации нескольких функциональных составляющих:

• мемристор для принятия решений на основе титаната стронция SrTiO3 (STO) с дефицитом кислорода;
• датчик давления на основе золота на растяжимом эластомере (полидиметилсилоксан, т.е. PDMS);
• температурный триггер на основе оксида ванадия (VO₂) с фазовым переходом.

Основным отличием данной концепции от предыдущих является отсутствие необходимости в отдельных и сложных термоэлектрических модулях и пьезоэлектрических датчиках давления для практической реализации соматосенсоров. Следовательно, в разработке используются исключительно недорогие и легкодоступные тонкие оксидные пленки, а также носимые датчики давления на биосовместимом PDMS.

Результаты исследования

Прежде чем создавать что-либо, необходимо обдумать что и как будет работать в финальном варианте. С целью создания искусственных рецепторов кожи была разработана гипотетическая основа для реализации функциональных телец Пачини, терморецепторов и ноцицепторов (схема ниже).


Изображение 1

Человеческие соматосенсоры через спинные рога (выступы серого вещества) соединены со спинным мозгом, который передает информацию в мозг (1а). Существуют специальные пути для определения давления (синий цвет на 1a) и температуры (красный цвет на 1a).

Тельца Пачини это слои мембран, заполненных жидкостью. Отпечатки пальцев являются ярким примером тельца Пачини. Когда на тело оказывается местное давление, часть тельца деформируется, вызывая сдвиг химических ионов (например, натрия или калия) и, как следствие, возникает рецепторный потенциал на нервном окончании кожи. Этот рецепторный потенциал при достижении достаточной энергии (порог) генерирует электрический импульс внутри тельца, который проходит через центральную нервную систему, чтобы активировать двигательный ответ через нервные волокна (синий цвет на 1a).

Когда температура кожи поднимается выше 30 C, терморецептор определяет тепло и запускает потенциалы действия. Частота возбуждения увеличивается с увеличением температуры стимула, пока не достигнет значения насыщения. Кроме того, тепловые ноцицепторы, которые улавливают болевые сигналы, начинают срабатывать при температуре около 45 C. Эти клетки специализируются на обнаружении вредоносного тепла и ожогов.

Когда вредоносный стимул получен тепловым нейроном, расположенным на свободном нервном окончании, электрический ответ отправляется ноцицептору, чтобы сравнить, пересекает ли амплитуда стимула пороговое значение для генерации потенциала действия и отправки в центральную нервную систему через спинной мозг (красный цвет на 1а).

Чтобы создать аналогичные искусственные рецепторы, были использованы датчики давления на основе золота и PDMS, которые переключаются между состоянием низкого сопротивления (LRS) и состоянием высокого сопротивления (HRS) без и с приложенным давлением для имитации тельца Пачини (1b и 1c).

Чтобы воспроизвести поведение терморецепторов и ноцицепторов, использовался фазовый переход VO₂, который может переходить от HRS при комнатной температуре к LRS при температуре выше температуры перехода (68 C).

Кроме того, в качестве элемента принятия решений для оценки пороговых уровней была использована резистивная коммутационная память на основе STO (титанат стронция).

Для искусственного тельца Пачини, когда нет определяемого давления, ток через мемристор принятия решения (I₁) недостаточен из-за напряжения смещения, чтобы инициировать двигательную реакцию (1b). При приложении давления датчик переходит в режим HRS, блокирующий I₂, что позволяет максимальному току проходить через мемристор. Из-за более высокого I₁ мемристор на основе STO переключается на LRS. Следовательно, через тельце протекает более высокий ток, вызывающий двигательную реакцию (1с).

В случае терморецептора и ноцицептора VO₂ может демонстрировать изменение сопротивления на три-четыре порядка при температуре перехода. Если же температура ниже температуры перехода, то VO₂ является изолятором.

Таким образом, через рецептор протекает незначительное количество тока, а напряжение, которое появляется на мемристоре, недостаточно для его включения (1d). По достижении температуры перехода VO₂ переключается на LRS, в результате чего на мемристоре появляется более высокий потенциал, что вызывает его переключение на LRS. Когда и VO₂, и STO находятся в LRS, через рецептор протекает повышенный ток (1e).

Искусственное тельце Пачини

После создания концепции будущего устройства ученые приступили к поэтапной реализации. На первом этапе было создание искусственного тельца Пачини, для чего использовался мемристор на основе кислорододефицитного STO со стековой структурой: Pt (100 нм) / Ti (10 нм) / STO (55 нм) / Pt (25 нм) / Ti (7 нм) и подложка SiO₂.

Нижний слой Ti используется как адгезионный слой нижнего слоя Pt, а верхний слой Ti используется как резервуар для кислорода, а также как адгезионный слой верхнего слоя Pt. Нижний слой Pt принимает участие в процессе переключения, а вот верхний служит в качестве инертного материала, предотвращающего TiO₂ из-за воздействия кислорода окружающей среды.

Архитектура датчика давления вдохновлена биологическим тельцем Пачини, которое имеет спиральную форму с шириной дорожки и зазором 100 мкм. Диаметр всей спирали целиком составляет 7.8 мм. Для создания сенсора на PDMS толщиной 300 мкм был нанесен Au (200 нм) / Cr (20 нм).


Изображение 2

На изображении 2а показан искусственный эквивалент тельца с интеграцией мемристора и датчика давления.

Сеть датчиков давления работает таким образом, что позволяет рецептору активировать мемристор, который работает как компонент принятия решений.

В биологических системах при достижении достаточного рецепторного потенциала компонент принятия решения может создать электрический импульс для активации мотора центральной нервной системы. Чтобы создать реплику этой функции с определенным пороговым значением, от датчика давления требуется восприятие определенного спектра значений давления. Для простоты демонстрации работоспособности системы ученые решили упростить этот момент до всего двух значений: есть сильное давление и давления нет вообще.

Фиксированное сопротивление в 100 кОм было выбрано для ограничения тока, проходящего через сеть датчика давления, которая имеет сопротивление всего 0.6 кОм. Это гарантирует, что система показывает очень низкий ток при отсутствии давления. На изображении 2b показан отклик и повторяемость автономного датчика давления.

При приложении давления датчик давления переходит в очень HRS с сопротивлением около 1 ГОм из-за деформации и трещин, которые очень часто встречаются для датчиков на основе PDMS. Из-за деформаций и трещин характеристики датчика давления могут ухудшиться после многократных циклов, однако это не мешает демонстрации самой концепции искусственного датчика. Когда давление сбрасывается, зазоры из-за трещин снова закрываются, создавая LRS, в результате чего датчик возвращается в исходное состояние.

Подобная картина наблюдается и в биологических датчиках, которые также деформируются, что приводит к сдвигу химических ионов при приложении давления.

Следует отметить, что компонент принятия решения, состоящий из мемристорного элемента на основе STO, должен быть первоначально подвергнут гальванопластике путем приложения напряжения смещения при очень низком токе 1 мкА к верхнему и нижнему электродам. Этот этап создает локализованный канал для образования проводящих нитей через STO. После этого требуется развертка напряжения для переключения устройства между состояниями HRS и LRS.

Важно и то, что без приложенного давления ток, протекающий через мемристор, недостаточен для его переключения. Однако при приложении давления датчик, содержащий ответвление, переходит в состояние HRS, что приводит к максимальному потенциалу рецептора на мемристоре (1с). При достижении порога рецепторного потенциала мемристор, принимающий решение, переключается из состояния HRS в состояние LRS (2с). В этом состоянии примененная последовательность 0 +0.85 В 0 1.12 В 0 переключает устройство в состояние LRS для положительного цикла и в состояние HRS для отрицательного полупериода (2d и 2е).

Чтобы перевести устройство в LRS, учитывается только положительный полупериод. В соответствии с изображением 2d, когда давление не подается, цепь датчика давления имеет общее сопротивление 100.6 кОм, тогда как параллельный компонент принятия решения (мемристор) имеет сопротивление 70 кОм. Таким образом, эквивалентное сопротивление всего тельца Пачини составляет 41.2 кОм.

Это эквивалентное сопротивление пропускает ток всего 0.02 мА через всю цепь, что можно рассматривать как расслабленное состояние. Приложение давления преобразует цепь датчика давления в состояние с чрезвычайно высоким сопротивлением 1 ГОм, в то время как сопротивление мемристора составляет всего около 2.5 кОм, изменяя эквивалентное сопротивление всего тельца Пачини примерно на 2.5 кОм. Это низкоомное состояние допускает ток 0.35 мА по всей цепи.

Таким образом, стимул давления генерирует ответный сигнал, который почти на 18 раз выше, чем в расслабленном состоянии, что может позволить центральной нервной системе инициировать свой двигательный ответ. После того как двигательная реакция завершена, для инициализации тельца Пачини можно применить обратную полярность к мемристору, используя неиспользованные электроды.

Искусственный терморецептор

Для создания терморецептора в основе мемристора была использована такая же стек-структура, как и для тельца Пачини, т.е. металл-изолятор-металл (МИМ).


Изображение 3

Часть верхнего электрона использовалась совместно с поверхностью VO₂ (3а и 3b) для последовательного подключения теплового датчика. Для смещения всего устройства этот электродный слой, состоящий из Pt (100 нм) / Ti (10 нм), был нанесен на поверхность VO₂. Между исходным электродом и верхним электродом мемристора поддерживалось существенное расстояние в 100 мкм.

На изображении 3с показана схема подключения терморецептора, в которой смещение приложено через металл к тепловому датчику, а земля (GND на схеме) подключена к нижнему электроду мемристора, принимающего решение.

График 3d показывает кривую зависимости сопротивления от температуры для перехода диэлектрикметалл на тонкой пленки VO₂. Очевидно, что при достижении температуры перехода наблюдается падение удельного сопротивления на четыре порядка. Очевидный тепловой гистерезис также наблюдается в циклах нагрева и охлаждения. Также было установлено отсутствие какого-либо заметного влияния температуры на резистивное переключение (3е).

Мемристор может показывать изменение сопротивления от 100 кОм до 2 кОм в процессе переключения. Однако для более понятного анализа было решено рассматривать сопротивление состояния HRS как 93 кОм, а сопротивление состояния LRS как 9 кОм при 80 мВ напряжения считывания (V_READ), так как при этом напряжении наблюдается максимальное отношение переключения R_OFF / R_ON. Последовательность переключения напряжения готового автономного устройства составила: 0 +0.65 В 0 0.80 В 0. Когда та же последовательность применяется ко всему терморецептору, сопротивление уменьшается, и, следовательно, ток рецептора увеличивается с повышением температуры (3f).

Чтобы обеспечить необходимое коммутируемое напряжение, температура приемника поддерживалась на уровне 70 C. Это необходимо для гарантии того, что VO₂ находится в состоянии LRS. Затем приложение напряжения смещения от 0 до 2 В полностью устанавливает и сбрасывает устройство (4а).


Изображение 4

Для мемристора, принимающего решение, исходное сопротивление 93 кОм намного ниже, чем HRS теплового датчика, которое составляет 11 МОм. Таким образом, частичное напряжение, которое появляется на мемристоре, принимающем решение, не может достичь порогового значения VSET для преобразования его из HRS в LRS. Следовательно, и термодатчик, и мемристор находятся в состоянии HRS, что позволяет минимальному току протекать через терморецептор [4b(i)].

Когда применяется критическая температура 70 C, сопротивление термодатчика уменьшается на четыре порядка, а частичное напряжение мемристора постепенно увеличивается до напряжения SET с увеличением отклика рецептора [4b(ii)]. Как только VSET включает мемристор, он переходит в LRS от HRS с сопротивлением 9 кОм [4b(iii)].

На этом этапе формируется максимальный рецепторный ответ. LRS памяти будет сохраняться в течение длительного времени, даже если тепловой стимул полностью отключен. Чтобы перепрограммировать мемристор, отрицательное напряжение VRESET может перевести его с LRS в HRS [4b(iv)]. Для этого можно подавать отрицательное напряжение от неиспользуемых электродов (3с).

Искусственный ноцицептор

Можно с уверенностью сказать, что ноцицепторы значительно отличаются от своих собратьев. Ноцицепторы имеются по всему человеческому телу и расположены на конце аксона сенсорного нейрона.

Чтобы избежать воздействия вредоносных раздражителей, ноцицептор реагирует двумя способами: нормальными и анормальными.

В нормальных условиях, когда нерв, оканчивающийся на коже, получает вредоносный стимул, ответный сигнал отправляется ноцицептору, чтобы сравнить, превышает ли сигнал определенное пороговое значение, и решить, требуется ли генерировать потенциал действия для центральной нервной системы. В этом нормальном состоянии ноцицептор медленно отключается на время, известное как процесс релаксации. Используя этот порог и процесс релаксации, ноцицептор изолирует тело от любого нежелательного критического и непрерывного воздействия раздражителей.

Анормальный ответ возникает, когда организм сталкивается со стимулами, близкими к порогу повреждения ноцицептора, и в этом состоянии ноцицептор работает как обычный рецептор, чтобы избежать дальнейшего повреждения. Если же травма все же была получена, то уязвимость пораженной ткани возрастает. Ноцицептивная система адаптируется к этой повышенной уязвимости, локально понижая ноцицептивный порог и облегчая ноцицептивный ответ, тем самым обеспечивая адекватную защиту тканей.

Ноцицептор демонстрирует два различных поведения в анормальных условиях: аллодиния и гипералгезия.

Аллодиния дает ответный сигнал при нижнем пороговом значении, тогда как гипералгезия создает более сильный ответный сигнал при превышении порогового значения, указывая на то, что при аномальном состоянии порога для ноцицептора нет.

Для наблюдений за поведением искусственного терморецептора в нормальных условиях, который работает как ноцицептор во время вредоносных стимулов, устройство было переключено на LRS, а показания считывались при V_READ80 мВ.

Поскольку срабатывание биологического ноцицептора в значительной степени зависит от интенсивности стимула, на искусственный ноцицептор воздействовали серией температурных стимулов с различной интенсивностью в диапазоне от 66 до 82 C (5a).


Изображение 5

График 5b демонстрирует ответный сигнал относительно интенсивности приложенного теплового стимула. Следует отметить, что ноцицептор не включается, пока температурный импульс не достигнет 68 C, что является температурой перехода используемого VO₂. Таким образом, когда VO₂ попадает в LRS из-за температурно-индуцированного перехода, более высокий ток начинает течь по всей цепи. Подобное повеление напоминает биологические системы, в которых ноцицептор генерирует запускающий мозг потенциал действия, когда сила стимула достигает значений выше критического.

Дальнейшее увеличение интенсивности стимула выше порогового значения приводит к большему току, что также согласуется с реакцией биологического аналога: чем выше интенсивность стимула, тем выше интенсивность ответной реакции. На графике 5c показаны стимулы нагрева и охлаждения и соответствующий ответный сигнал при 68 C.

График 5d показывает ослабление ответного сигнала с течением времени после того, как вредоносный стимул был отключен, т.е. процесс релаксации, который определяется VO₂, так как нет влияния температуры на мемристор на основе STO.

Из-за тенденции к увеличению сопротивления VO₂ по мере снижения температуры с течением времени искусственный ноцицептор ограничивает ток через цепь, и, следовательно, наблюдается уменьшение интенсивности ответных сигналов.

Более сильный ответный сигнал из-за более высоких стимулов требует относительно большего времени для полной релаксации. Например, ответному сигналу при 68 C требуется 100 с, чтобы достичь базового тока в 0.5 мкА, тогда как ответный сигнал при 80 C не может полностью релаксировать за 100 с.

Для наблюдения за поведением устройства в анормальных условиях, к искусственному ноцицептору был применен стимул, интенсивность которого была гораздо выше, чем в нормальных условиях.

Ноцицептор нагревали до 90 C со скоростью 20 градусов в минуту и охлаждали до 60 C, что ниже порогового значения (68 C) в нормальных условиях.

Далее следовал повторный нагрев с 60 до 90 C, необходимый для определения наличия/отсутствия генерации пониженного порога и усиленного ответа, которые являются основными свойствами аллодинии и гипералгезии.

Последовательность 60 90 60 90 применялась к VO₂ части рецептора и ко всему рецептору, содержащему VO₂ и стек металл-изолятор-металл (6а).


Изображение 6

На графиках отчетливо видно, что ответный сигнал намного более линейный в VO₂ (6а) по сравнению с сигналом всего ноцицептора (6b). Это вполне ожидаемо, так как при высокой интенсивности стимула VO₂ находится в почти металлическом состоянии с относительно низким сопротивлением 5 кОм после перехода. Более того, приложенное напряжение смещения VREAD (80 мВ) электрически настраивает VO₂, чтобы сделать его еще более металлическим, что приводит к линейному отклику.

В то же время, когда подобное смещение V_READ появляется на всем ноцицепторе, максимальное падение напряжения происходит на мемристоре, который находится в состоянии LRS (9 кОм). На этом этапе напряжения на VO₂ недостаточно, чтобы показать линейный отклик. Следовательно, данное поведение является нелинейным.

На схеме 6с показано поведение при аллодинии и гипералгезии. В биологической системе интенсивность ответа выше в аномальном состоянии для подпороговой (аллодиния) и сверхпороговой (гипералгезия) интенсивности стимула.

На 6d показан отклик по отношению к двум циклам нагрева последовательности с последовательностью 60 90 60 90 C. Тут видно, что отклик для второго цикла нагрева усиливается, а порог снижается.

В поведении искусственного рецептора четко видны аллодиния ниже пороговой интенсивности и гипералгезия выше пороговой интенсивности (70 C). Из этого следует, что снижая порог и усиливая интенсивность ответа, ноцицептор активирует и усиливает защитные реакции, такие как отстранение или избегание острых болезненных стимулов.


Демонстрация принципа работы электронного эквивалента тельца Пачини.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Мозг человека является одной из самых сложных биологических систем. Но нельзя отрицать и того факта, что кожа человека не менее сложна, особенно учитывая немалый список выполняемых ею функций.

Воссоздать некоторые из функций кожи в искусственном эквиваленте не сложно, но вот касательно рецепторов, собирающих информацию об окружающей среде, так сказать не получится.

Тем не менее, ученым все же удалось достичь некоторых результатов в создании искусственных рецепторов, улавливающих давление, температуру и боль.

Как заявляют авторы сего труда, их устройство способно различать легкое прикосновение и, например, укол иглы. На первый взгляд, это весьма банальные вещи, однако ранее такой точности не было в электронных рецепторах.

В будущем ученые, естественно, намерены продолжить свой труд, дабы расширить спектр воспринимаемых внешних стимулов, что позволит сделать их устройство еще более точным. Подобные разработки однозначно найдут свое применение не только в протезировании, но и даже в робототехнике.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Что спасает от гусениц, к сожалению, с котами не работает.

Взаимоотношения между растениями и травоядными животными можно с легкостью назвать сложными. С одной стороны, если бы не было травоядных, то растения могли бы расти и процветать. С другой стороны, переизбыток растений определенного вида привел бы к истощению ресурсов и вероятной гибели всего вида в конкретном регионе произрастания. В природе все связано, недаром в нашем лексиконе присутствует фраза пищевая цепочка. К примеру, овечки едят траву, а волки едят овец. Если нет волков, то овцы могут расплодиться и выкосить все поле. Если же нет овец, то волки голодают, а поле разрастается до предела, после которого также начинает чахнуть. Однако грандиозный план природы и ее взгляды на межвидовой баланс не отменяют того факта, что любые организмы тем или иным образом борются с теми, кто стоит выше в пищевой цепи. Ученым из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) удалось идентифицировать рецепторы, которые позволяют растениям чувствовать атаки травоядных. Как именно работает эта система, какие процессы она запускает, и как это помогает растениям противостоять травоядным? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Никто не будет отрицать важность травоядных в аспекте регулирования глобальных пищевых сетей (упрощенный пример про овец, волков и поле). Однако нельзя отрицать и пагубное влияние некоторых из них на сельское хозяйство. Все мы слышали о нашествиях саранчи, которая способна за очень короткое время подчистую уничтожить несколько гектаров посевов. Люди справляются с этой проблемой самыми разными методами: от применения химикатов до генетической модификации сельхоз культур.

Растения также не сидят сложа руки в ожидании быть съеденными. Многие виды обладают специфической реакцией на воздействие со стороны травоядных, которая базируется на восприятии специфических молекулярных структур, связанных с травоядными животными (HAMP от specific herbivore-associated molecular patterns). Ранее определить источник этой реакции не представлялось возможным. Однако в рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые идентифицировали рецепторы, которые обеспечивают передачу сигналов и защиту в ответ на определенные HAMP, присутствующие в оральном секрете (OS от oral secretions) гусениц.

К примеру, коровий горох (Vigna unguiculata) и фасоль обыкновенная (Phaseolus vulgaris) специфически реагируют на OS посредством распознавания протеолитических фрагментов хлоропластной АТФ-синтазы (cATPC от chloroplastic ATP synthase -subunit), называемых инцептинами.

Доминирующий инцептин, присутствующий во время атаки гусеницы на коровий горох, представляет собой пептид из 11 аминокислот (AA от amino acid), называемый Vu-In (⁺ICDINGVCVDA^-). Эпитоп* Vu-In не является редкостью среди cATPC последовательностей у растений, однако только виды из подтрибы* бобовых Phaseolinae реагируют на инцептин.

Эпитоп* часть макромолекулы антигена, распознаваемая иммунной системой.

Триба* ранг в биологической систематике, стоящий ниже семейства и выше рода.

У растений внеклеточные пептидные сигналы могут распознаваться специфическими рецепторами опознавания паттерна (PRR от pattern recognition receptors). По мнению ученых, бобовые кодируют рецептор инцептина (INR), обеспечивающий распознавание Vu-In. Посему в данном труде были рассмотрены все процессы, протекающие с участием инцептина, как ответ растения на атаку гусеницы.

Результаты исследования

Чтобы идентифицировать INR кандидатов, необходимо было исследовать вариацию ответа растений как на Vu-In, так и на менее биоактивный C-концевой усеченный инцептин, названный Vu-In-A (⁺ICDINGVCVDA^-), обнаруженный в OS травоядной гусеницы (Anticarsia gemmatalis), предпочитающей именно бобовые. Дополнительно была проверена зародышевая плазма* коровьего гороха на наличие положительных ответов, вызванных Vu-In-A.

Зародышевая плазма* живые генетические ресурсы, такие как семена или ткани, хранимые в специальных банках (например, Всемирное семенохранилище на Шпицбергене) для разведения, сохранения и/или исследования.

Образцы Danila, Suvita и Yacine после нанесения Vu-In-A на поврежденные листья показали индуцированное производство этилена, тогда как от других образцов ответных реакции не было (1A).


Изображение 1

Хотя ответы на Vu-In-A были количественно низкими по сравнению с полностью активным Vu-In (1A), можно с уверенностью заявить, что существование качественной вариации ответа на более слабый вариант элиситора может быть опосредован генетической изменчивостью INR.

Для картирования INR были использованы популяции из 85 рекомбинантных инбридных линий* (РИЛ или RIL от recombinant inbred lines), полученных от скрещивания образцов Yacine (Vu-In-A-чувствительный) и 5877 (Vu-In-Aнечувствительный) для картирования локусов количественных признаков (QTL от quantitative trait locus). Также использовался набор из 364 образцов коровьего гороха для полногеномного поиска ассоциаций* (GWAS от genome-wide association studies).

Рекомбинантные инбридные линии* (RIL) представляют собой набор штаммов, которые можно использовать для картирования локусов количественных признаков. Родительские штаммы скрещиваются для создания рекомбинантов, которые затем инбредируются (скрещивание близкородственных форм в пределах одной популяции) до изогенности (генетической идентичности), что приводит к целостному образцу для картирования и анализа признаков.

Полногеномный поиск ассоциаций* исследование, связанное с определением ассоциаций между геномными вариантами и фенотипическими признаками.

Vu-In-A вызывал непостоянное производство этилена в разных образцах. QTL-картирование и GWAS показали, что ответы Vu-In-A сильно связаны с одним генетическим локусом в обеих популяциях (1В и 1С).

В отличие от качественных вариаций в ответах растений на Vu-In-A, количественные вариации в ответ на Vu-In приводили к различным локусам-кандидатам, которые не соответствовали статистическим пороговым значениям QTL и GWAS, а потому в дальнейшем не рассматривались.

Наиболее высоко ассоциированными маркерами с ответом Vu-In-A как при картировании QTL, так и при GWAS, были однонуклеотидные полиморфизмы (SNP от single-nucleotide polymorphism) 2_22560, 2_22561 и 2_09070, охватывающие область 22 килобаз (кб) на 7-ой хромосоме (1D).

Килобаза* (кб) тысяча пар оснований. Относится к спаренным основаниям, которые являются парой двух азотистых оснований нуклеотидов на комплементарных цепочках нуклеиновых кислот, соединенная водородными связями.

Оба маркера (2_22560 и 2_22561) попали в RLP-кодирующий ген Vigun07g219600, что согласуется с потенциальной ролью в рецептор-опосредованных ответах инцептина.

Дабы оценить функцию INR кандидата, была выполнена временная экспрессия гена Vigun07g219600 из эталонного образца IT97K- 499-35 в Nicotiana benthamiana (растение, родственное табаку). После этого была проверена чувствительность к Vu-In.

Признаками защитных реакций, опосредованных рецепторами, являются выброс активных форм кислорода (АФК или ROS от reactive oxygen species) и выработка этилена. Временная экспрессия рецептора EFTu (EFR) в N. benthamiana вызвала ответы на пептид elf18, но не на Vu-In (2A).


Изображение 2

Экспрессия Vigun07g219600 избирательно активировала Vu-In-индуцированные ROS (2B и 2C) и продукцию этилена (2D) для Vu-In, но не elf18. Это подтвердило, что именно ген Vigun07g219600 кодирует функциональные INR.

Чтобы понять основу фенотипической изменчивости коровьего гороха, было выполнено клонирование и экспрессирование аллелей INR от шести образцов с дифференциальными ответами Vu-In-A. Вариация ответа Vu-In-A, первоначально наблюдаемая у коровьего гороха, соответствовала силе аллеля INR, поскольку только аллели INR от Vu-In-A-образцов гороха обеспечивали индуцированную Vu-In продукцию АФК и этилена в N. benthamiana (2E). Ученые отмечают, что ни один из протестированных аллелей не давал Vu-In-A ответов в N. benthamiana.

Учитывая, что все 364 протестированные образцы коровьего гороха реагируют на Vu-In, данные анализа подтверждают, что естественные вариации INR коровьего гороха определяют порог активации для слабого элиситора (Vu-In-A).

Важно и то, что INR представляет собой богатый лейцином (LRR)-RLP класс рецепторов, отличающийся от LRR-RK отсутствием внутриклеточного киназного домена. INR содержит 29 полурегулярных LRRs с промежуточным мотивом, предшествующим трансмембранному домену и короткому цитозольному сегменту. Локус INR у коровьего боба содержит Vigun07g219700 (72% сходства с AA), который неспособен обеспечивать Vu-In-индуцированную продукцию этилена при экспрессии в N. benthamiana. Но вот Phvul.007G077500 (из Phaseolus vulgaris) и Vradi08g18340 (из Vigna radiata), обладающие 90% сходства, вызвали образование этилена, индуцированное Vu-In.

Примечательно, что секвенированный геном P. vulgaris из образца G19833 содержит единственный рецептор RLP в локусе INR (1D) и устойчиво реагирует на инцептин.

Основной вывод проведенных сравнительных тестов заключается в том, что именно подгруппа бобовых, включающая Phaseolus и Vigna, уникальным образом кодирует функциональные INR, достаточные для того, чтобы вызывать у табака (N. benthamiana) HAMP-индуцированные ответы.


Изображение 3

Чтобы исследовать связывание инцептина, необходимо было достичь стабильной активности связывания пептида с INR внутри растения. Для этого был создан N-концевой Vu-In конъюгат (Acri-Vu-In), меченый акридином (флуоресцентный реагент). После этого измерялся сигнал люминесценции иммунопреципитированным полуочищенным INR-GFP, экспрессируемым в листьях N. benthamiana.

Иммунопреципитированный INR-Vu сохранял люминесцентный сигнал Acri-Vu-In, в то время как образец из контрольной группы, Phvul.007g087600, не демонстрировал никакого сигнала (3A). И Vu-In, и Vu-In-A конкурируют за удерживание Acri-Vu-In в концентрациях от 50 до 500 нМ (3B).

Для лучшего понимания потенциальных участков, которые могут опосредовать прямые физические взаимодействия INR с инцептином, была создана модель гомологии INR на основе кристаллической структуры эктодомена LRR FLAGELLIN-SENSING 2 (FLS2) и выполнено моделирование молекулярного докинга Vu-In. Предполагаемые конформации с наименьшей энергией оценивались по отношению к связываниям пептидов.

Молекулярный докинг* метод моделирования, позволяющий определить лучший вариант ориентации и конформации одной молекулы (лиганд) в участке связывания другой (рецептор).

Во множественных низкоэнергетических конформациях Vu-In кислотный остаток лиганда Asp10 показал консервативное положение связывания и конформацию за счет взаимодействия с обоими основными остатками INR-Vu His495 и Arg497 (3D).

Ранее проведенные исследования утверждают, что Asp10 является единственным AA, существенным для образования этилена, индуцированного Vu-In. Чтобы это проверить, INR-Vu у His495 / Arg497 заменили на Ala495 / Ala497. Это привело к потере удерживания Acri-Vu-In и продукции ROS, индуцированной Vu-In у N. benthamiana (3D).

Данные анализа показывают, что INR-Vu является достаточным для удержания Acri-Vu-In в табаке и что эта активность частично опосредуется боковыми цепями His495 / Arg497.

Поверхностные рецепторы LRR-типа у растений обычно связываются с корецепторами рецепторной киназы соматического эмбриогенеза (SERK) для передачи сигнала. Кроме того, RLP постоянно связываются с SOBIR1, который противодействует белку BIR1 и способствует защите растений.

Ассоциация INR как с AtSOBIR1, так и с VuSOBIR1 (Vigun09g096400) была конститутивной (3E), тогда как INR сильнее ассоциировалась с корецепторами AtSERK после обработки пептидом (3F и 3G). Следовательно, INR связывается с SOBIR1 аналогично вышеупомянутым LRR-RLP.


Изображение 4

Необходимо было проверить, достаточно ли только INR для активации защиты от травоядных у растения, от природы лишенных естественных реакций инцептина. Для этого была выполнена модификация N. benthamiana и Nicotiana tabacum трансгенами 35S: INR-Vu или 35S: INR-Pv. Множественные независимые трансгенные линии, экспрессирующие 35S: INR, успешно отвечали на Vu-In (4А и 4В).

Транскриптомная характеристика Vu-In-индуцированных ответов в линии 1-5 INR-Pv N. benthamiana показала усиление регуляции характерных генов защиты от травоядных. Следовательно, было доказано, что два классических защитных маркера, ингибитор трипсина Кунитца (KTI) и аскорбатоксидаза (AscOx), активируются в присутствии как INR, так и Vu-In (4С).

В заключение был проведен практический тест, в котором использовались табак и личинки Spodoptera exigua. Гусеницы, поедающие растения, которые прошли этап трансгенных изменений, росли на 32-37% медленнее, чем в случае поедания не измененных растений (4D и 4E). Следовательно, гетерологичная экспрессия INR-Vu или INR-Pv вызывает защитные реакции у растений при атаке травоядных животных.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Для многих из нас растения являются частью пейзажа, будто они не живые организмы, а лишь декоративные предметы. Однако любое растение является сложным многоклеточным организмом, способным на удивительные вещи. В данном труде ученые установили, что некоторые виды бобовых распознают определенные вещества, которые входят состав орального секрета гусениц. Распознав атакующего, растение активирует защитный механизм, позволяющий ему противостоять травоядным гурманам.

Удивительно и то, что данный механизм, ввиду его активации через оральный секрет гусеницы, не будет активироваться в случае любых других физических повреждений. Другими словами, растение прекрасно понимает, когда листок был поврежден упавшей веткой, а когда его начинают есть.

Расшифровка принципов работы защитных механизмов разных видов растений имеет огромное значение для сельского хозяйства, ибо далеко не все растения обладают столь эффективной защитой. Генетические модификации, как бы к ним не относились некоторые люди, позволяют совершенствовать сельхоз культуры, делая их более устойчивыми к погодным колебаниям, нападкам паразитов и различным заболеваниям.

К примеру, возьмем один из самых популярных фруктов на планете банан. Существует так называемая панамская болезнь, вызываемая грибковым патогеном Fusarium oxysporum f.sp. cubense и поражающая ствол банановых пальм. Впервые грибок заявил о себе еще в 1950-ых годах, когда фактически истребил сорт бананов Musa acuminata, которые до этого был самым экспортируемым в страны Европы и Северной Америки.

На данный момент нет полноценной защиты или лечения от этого грибка. Распространяется он очень быстро за три года грибок может из одного дерева расползтись по всей плантации. К тому же этот грибок сохраняется в почве достаточно долго, а потому зараженную землю нельзя использовать около 40 лет. Сейчас ведутся исследования, в частности рассматривающие разные виды диких бананов, которые обладают природным иммунитетом от грибка. Выделение генов, отвечающих за защиту от грибка, и внедрение их в генную структуру коммерческих сортов является единственным вариантом эффективной болезни против панамской болезни.

Этот пример показывает, что генетические модификации это не то, что нам часто показывают в научно-фантастических фильмах с привкусом ужастика. Изменения генома того или иного организма, как правило, нацелено на его совершенствование, а порой и на его спасение. Конечно, дебаты насчет этичности некоторых генетических исследований не утихнут, пока светит Солнце. Тем не менее в любом споре рождается истина, потому развитие науки не прекращается, несмотря ни на что.



Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?