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2017年9月15日Science期刊精华

来源:本站原创 2017-09-19 19:47


图片来自Science期刊。

2017年9月19日/生物谷BIOON/---本周又有一期新的Science期刊(2017年9月15日)发布,它有哪些精彩研究呢?让小编一一道来。

1.Science:重磅!开发出分拣货物分子的DNA纳米机器人
doi:10.1126/science.aan6558; doi:10.1126/science.aao5125


在一项新的研究中,美国加州理工学院生物工程助理教授Lulu Qian和同事们开发出一种由单链DNA组成的纳米机器人,这种纳米机器人能够自主地在一种分子表面上“行走”,抓住某些分子 ,并且将它们释放到指定的位置上。相关研究结果发表在2017年9月15日的Science期刊上,论文标题为“A cargo-sorting DNA robot”。

在论文第一作者Anupama Thubagere博士的领导下,这些研究人员构建出三种能够被用来组装DNA机器人的基础构件:“腿部(leg)”携带着两只“脚(feet)”用于行走;“手臂(arm)” 和“手(hand)”用于抓住货物;体节(segment),能够识别特定的释放位点,并且给手发送信号释放它抓住的货物。每个构件仅由单链DNA中的几个核苷酸组成。

在这项新的研究中,Qian团队构建出能够在一种纳米机器人,这种纳米机器人能够在一种分子表面上探索,抓起两个不同分子:一个黄色荧光染料分子和一个粉红色荧光染料分子,随后将它 们分发到这个表面上的两个不同的区域。使用荧光染料分子能够让这些研究人员观察这些分子是否最终能够在它们的预定位置上出现。这种纳米机器人在24小时内成功地分拣6个分子:3个黄 色荧光染料分子和3个粉红色荧光染料分子,到它们的正确位置上。加入更多的纳米机器人到这种表面上会缩短完成这项任务所需的时间。

设计DNA纳米机器人的关键在于DNA具有独特的理化性质,而且这些理化性质是已知的和可编程的。单链DNA是由4种不同的核苷酸(A、G、C和T)组成的。这些核苷酸成对地结合在一起:A与T 配对,G和C配对。当单链DNA遇到所谓的互补链(比如CGATT和AATCG)时,这两条DNA链压缩在一起,形成传统的双螺旋形状。

利用这些理化性质,这些研究人员不仅能够设计纳米机器人,而且也能够设计“运动场(playground)”,比如分子木钉板(molecular pegboards),以便在其上面测试这些纳米机器人。在 这项新的研究中,这种DNA纳米机器人在长58纳米宽58纳米的分子木钉板上移动,而且这种分子木钉板上的由单链DNA组成的木钉与这种纳米机器人的腿部和脚具有互补性。这种纳米机器人利 用它的腿部和一只脚结合到这种分子木钉板的一个木钉上,而这种纳米机器人的另一只脚能够自由地浮动。当随机的分子波动导致这只自由浮动的脚遇到附近的一个木钉时,它拉着这种纳米 机器人到这个新的木钉上,同时让这种纳米机器的另一只脚自由地浮动。当这种纳米机器人在每一步中随机地移动时,这个过程持续地进行。

这可能让一个纳米机器人花费一天的时间来探索整块分子木钉板。在此过程中,当这个纳米机器人遇到附着到木钉上的货物分子时,它利用它的“手”抓住这些货物分子,并且携带着它们直 到它检测到释放位置的信号。这个过程较为缓慢,但是它允许设计一种非常简单的消耗非常少化学能的纳米机器人。

2.Science:从结构上揭示CRISPR/Cas系统的Cas1-Cas2整合酶发现靶DNA机制
doi:10.1126/science.aao0679; doi:10.1126/science.aao4929


CRISPR/Cas系统是在很多细菌中发现的一种免疫系统。在细菌中,这种系统依赖Cas1-Cas2整合酶捕获和整合短的外源DNA片段到它们的基因组中的CRISPR位点上,从而能够抵抗相同病毒的再 次入侵。

在一项新的研究中,来自美国加州大学伯克利分校的研究人员发现Cas1-Cas2如何找出它们将病毒DNA片段插入到细菌基因组中的这个位点,这样Cas1-Cas2随后就能够识别这种病毒DNA片段和 发起攻击。相关研究结果于2017年7月20日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Structures of the CRISPR genome integration complex”。

论文通信作者Jennifer Doudna和她的研究团队利用电子显微技术和X射线晶体分析技术捕获到Cas1-Cas2将病毒DNA片段插入到细菌基因组的CRISPR区域中时的结构图。

这些结构图揭示出第三种蛋白IHF(在Cas1-Cas2整合酶中,Cas1是第一种蛋白,Cas2是第二种蛋白)结合到这个插入位点的附近,让靶DNA弯曲成一种U形结构,从而允许Cas1-Cas2同时结合到 靶DNA的两个末端上。

3.Science:震惊!发现胰腺瘤中的细菌让化疗药物吉西他滨失效
doi:10.1126/science.aah5043


针对化疗药物有时并不有效的原因,我们如今有一种新的解释:细菌。在一项新的研究中,来自美国和以色列的研究人员描述了他们的发现:某些细菌能够在人胰腺瘤内发现到。这一发现进 一步证实这些细菌中的一些含有一种让被用来治疗多种癌症(包括胰腺癌)的常见药物失效的酶。通过以癌症模式小鼠为研究对象,他们证实在化疗的基础上进行抗生素治疗可能显著地优于 单纯的化疗。相关研究结果发表在2017年9月15日的Science期刊上,论文标题为“Potential role of intratumor bacteria in mediating tumor resistance to the chemotherapeutic drug gemcitabine”。论文通信作者为以色列魏茨曼科学研究所分子细胞生物学系的Ravid Straussman博士。

这些研究人员从胰腺癌患者的肿瘤中分离出细菌,并且测试了它们如何影响胰腺癌细胞对化疗药物吉西他滨(gemcitabine)的敏感性。确实,这些细菌中的一些阻止这种药物发挥作用。进一 步的研究证实这些细菌代谢这种药物,使得它没有疗效。他们能够发现导致这种现象的细菌基因,即一种被称作胞苷脱氨酶(cytidine deaminase, CDD)的基因。他们证实CDD基因存在两种 形式:一种较短的形式和一种较长的形式。仅携带着CDD基因较长形式的细菌能够让吉西他滨失活。这种药物对这些细菌没有明显的影响。

这些研究人员研究了100多种人胰腺瘤样品,证实这些携带着CDD基因较长形式的特定细菌确实在患者的胰腺瘤中存活。他们也利用多种方法可视化观察到人胰腺瘤内的这些细菌。这是至关重 要的,这是因为细菌污染是实验室研究的一个真正存在的问题。

在这项新的研究中,利用两组细菌---那些含有CDD基因较长形式的细菌和那些CDD基因已被敲除的细菌---针对癌症模式小鼠进一步开展实验。当让这些小鼠服用吉西他滨时,仅那组携带着完 整CDD基因的细菌表现出抵抗性。在利用抗生素进行治疗之后,这组细菌也对这种化疗药物作出反应。

4.Science:重大突破!发现调节口渴的神经元
doi:10.1126/science.aan6747; doi:10.1126/science.aao5574


是什么让我们感到口渴?在某种程度上,答案是显而易见的:如果我们不喝足够的水,那么我们的身体给我们发送不愉快的提醒信号:口干舌燥和强烈的喝水欲望。如今,在一项新的研究中 ,来自美国斯坦福大学的研究人员指出一种更加深刻的答案在于一组位于大脑深处的视叶前神经元(preoptic neuron),它们的功能是让那些没有喝足够水的人感到不愉快。相关研究结果发 表在2017年9月15日的Science期刊上,论文标题为“Thirst-associated preoptic neurons encode an aversive motivational drive”。

这种答案从神经生物学方面支持了一种存在了70年的被称作驱动力减低(drive reduction)的生理学理论,至少这适用于口渴,但是这并不完全是研究生William Allen、他的导师Liqun Luo 博士(霍华德-休斯医学研究所研究员、生物学教授)和同事们着手研究的东西。相反,他们想要更好地理解激励的性质,而且研究小鼠和大鼠的神经科学家们几乎总是利用水操纵这一点。

在这项新的研究中,这些研究人员首先利用TRAP2技术对已断水的小鼠中的有活性的神经元进行标记,随后利用光遗传学技术或者加入光敏感性基因,这样就可通过使用光纤光线开启和关闭标 记的神经元。如果他们鉴定出和标记调节口渴的神经元是对的,那么他们随后就应当能够控制他们的小鼠如何感到口渴。

随后的实验确实证实了这一点。这些研究人员不仅能够让吃饱喝足的小鼠喝水,他们也能够仅通过多久刺激口渴神经元,精细地控制这些小鼠多久去喝水,这就是它们多久去按控制杆以便获 得水分。事实上,他们进一步证实他们能够培训小鼠去按控制杆,不是为了获得水分,而仅是为了关闭对调节口渴的神经元的光遗传学激活。

5.Science:生物制造出具有定制性质的纤维织物
doi:10.1126/science.aan5830


反应性的或功能性的纤维织物包括具有随温度发生颜色变化或者通过移动产生电力之类性质的涂层或次级原料(secondary materials)。挑战就是加入到纤维织物的东西能够被清洗走和发生 损坏。因此,Filipe Natalio等人选择通过加入在C2位点上发生修饰的葡萄糖到培养基中,将这些功能直接嵌入到体外培养的棉花中。通过这种过程,具有自然发出荧光或磁性等性质的纤维 织物就被制造出。

6.Science:DNA序列指导水凝胶发生形状变化
doi:10.1126/science.aan3925


刺激响应性材料能够对物理或化学信号作出反应,从而触发颜色、形状或其他的性质发生变化。Angelo Cangialosi等人通过光刻法利用偶联到单链DNA上的聚丙烯酰胺制造出多层平面的柔软 机器。当提供互补DNA链时,这些机器能够以复杂的可编程的方式改变形状,包括逐步或连续的形状变化。

7.Science:制造出可填充的微粒和其他的复杂三维微结构
doi:10.1126/science.aaf7447


一种改善现存药物运送的方法是将它们包装在一种保护性的缓慢降解的壳体中。这些缓慢释放的胶囊改善体内的药物可利用度,降低副作用,并且允许更多的恒定剂量运送。Kevin J. McHugh 等人利用多种现存的制造技术制造出微小(大约400微米)的中空的可注射微粒,这些可注射微颗粒可填充着含有治疗试剂的液体。通过调整这种微粒材料的降解率,它们内部的货物能够在事 先确定的时间(从几天到2个月)里被释放出。

8.Science:通过DNA复制控制植物基因沉默
doi:10.1126/science.aan1121; doi:10.1126/science.aan4965


春化作用(vernalization)是冬季寒冷刺激植物在春天开花的过程。Hongchun Yang等人和Danhua Jiang等人证实寒冷如何通过组蛋白甲基化被记录在拟南芥中。一组多硫蛋白的特定组分重 塑DNA从而建立甲基化标记,而且与DNA复制相关联。在快速产生亚稳态的表观遗传标记之后,长期稳定的表观遗传状态也形成了。这种表观遗传策略可能是安全的和灵活的命运决定的发育需 求的关键,从而允许植物细胞改变命运。

9.Science:巴布亚新几内亚人的遗传历史
doi:10.1126/science.aan3842


巴布亚新几内亚可能是人类从亚洲迁移到澳大利亚的跳板。Anders Bergström等人分析了来自巴布亚新几内亚的几种民族的全基因组常染色体数据,并且确定了这个岛国上的人口结构、种群 差异和和时间大小变化。在高地和低地之间明显存在的一种遗传差异似乎在10万至20万年前,与此同时发生的是作物种植和跨新几内亚语系的扩散。(生物谷 Bioon.com)

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