杀虫剂增加血吸虫病爆发风险

图片来源于网络杀虫剂是一把双刃剑:它们让农业的生产效率更高,但如果使用不当,会伤害野生动物和人类。如今,生态学家确认了发展中国家使用杀虫剂造成的一种新威胁。通过杀死蠕虫寄生的蜗牛的捕食者,它们会提高继疟疾后第二种最常见的寄生虫病——血吸虫病暴发的风险。美国南佛罗里达大学生态学家Jason Rohr和同事在60个开式水箱内创建了简单的生态模型。在将每个水箱装入800升池塘水后,他们放入两种能扩散血吸虫病寄生虫的蜗牛、供蜗牛食用的海藻以及两种捕食者——小龙虾和水蝽。最后,研究人员向水箱中掺入3种不同剂量组合的农用化学品——肥料、除草剂和杀虫剂。它们的浓度是美国玉米田附近的溪流和池塘所特有的。不出所料,肥料增加了水箱中海藻的数量,而这反过来令蜗牛数量增多。除草剂也为蜗牛带来了更多食物,因为它杀死了大量笼罩在水面上的微小藻类。当这些藻类死亡时,水会变清,从而使更多光线到达生长在池塘底部的较大藻类,即蜗牛的食物。血吸虫病的流行病学模式显示,这种典型的肥料用量导致的蜗牛数量增加,会使该疾病传播给人类的风险提高20%。杀虫剂“毒死蜱”通过杀死蜗牛的两种捕食者,起到了更大作用。水蝽会把头插进蜗牛的壳里,咬住这种软体动物,喷出消化酶,然后吃掉剩余部分。20厘米长的小龙虾则依靠暴力,直接夹碎2厘米长的蜗牛。“它们绝对是非常贪吃的。”Rohr表示。然而,当这些捕食者消失时,蜗牛的数量暴增。在这种情形下,血吸虫病传染给人类的风险增加了10倍。近日,该团队在生命科学预印本网站bioRxiv报告了这一发现。http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2017/7/382406.shtm http://www.sciencemag.org/news/2017/07/pesticides-could-hike-risk-catching-parasitic-worm

来源: X-MOL 2017-07-17

睡得不香,也会变痴呆?

人生差不多有三分之一的时间是在睡眠中度过。睡一个好觉能让你身心放松、神清气爽,像加满油的小车一样动力十足;而一旦没睡好,则暴躁易怒,做什么事都无精打采。近日,美国华盛顿大学医学院、荷兰拉德堡德大学医学中心等机构的一项研究又给出了一个吓人一跳的发现:对于身体原本健康的中年人而言,仅仅一个晚上没睡好觉,就会导致β-淀粉样蛋白水平上升,而这种位于脑内的蛋白质,与阿尔茨海默氏症存在密切关联。此外,如果这些人一星期都没睡好,则其脑内的另一种蛋白质,即tau蛋白的水平亦会上升——tau蛋白同样与阿尔茨海默氏症及其他神经疾病有关。他们的研究结果发表在Brain 上。“我们的结果显示,糟糕的睡眠与阿尔茨海默氏症两种相关蛋白质存在关联,”论文通讯作者、华盛顿大学神经病学系主任David M. Holtzman表示,“我们认为,对于中年人而言,长时间的睡眠不佳或导致其以后罹患阿尔茨海默氏症的风险上升。”David M. Holtzman博士。图片来源:Washington University仅在美国,便有超过500万人正忍受着阿尔茨海默氏症的折磨,他们的记忆力逐渐丧失,认知能力也逐渐下降。这些患者的脑部会出现β-淀粉样蛋白斑块和tau蛋白纠缠,进而导致脑组织萎缩和死亡。目前,尚无真正的有效疗法能够预防、延缓或逆转该病病程。Holtzman等人此前的研究已经揭示,睡眠不佳会导致出现认知问题的风险大增。例如,对有睡眠呼吸暂停这种毛病的人而言,其出现轻度认知障碍的风险比正常人平均要早上10年(睡觉打呼噜的要注意)。更严重的是,轻度认知障碍正是阿尔兹海默病的早期警示信号之一。Holtzman等人之所以会对睡眠不佳与阿尔茨海默氏症等疾病的相关性展开研究,原因便在于此前科研界一直未搞清楚这里面究竟有何奥秘,为了解开谜团,Holtzman等人对17名年龄介于35-65岁之间的健康成年人展开了调查,这些人睡眠没什么问题,也不存在认知障碍。研究中,所有受试者均佩戴了能够监控其睡眠情况的设备。在戴着监控设备的情况下连续睡了好几觉后,受试者来到了医学中心,在一个经过特殊设计的小房间里睡上一晚。这个小房间很有特点,黑漆漆、隔音、控温,刚刚能容下一个人,很适合睡眠,尽管你得佩戴一系列监控设备。在所有的受试者中,有一半人被随机挑出来,等待着这拨人的命运是:这一晚上他们就别指望睡好了,其睡眠不断被打断。一旦受试者的大脑信号显示其睡眠已进入慢波模式——代表其睡眠已进入深度、无梦状态——研究人员就通过专门设备向其发出嘟嘟声,且声音逐渐增大,直至这种慢波模式被打破,受试者进入浅睡眠状态。慢波睡眠脑波。图片来源:Yo-El Ju第二天早上,那些被嘟嘟声赶出慢波睡眠模式的受试者纷纷表示,整个人精神不振且特别累,即便他们的睡眠时间其实和平常一样(顺便说一下,没几个人记得晚上曾被噪音骚扰过)。接下来,对这些受试者进行脊椎抽液,这样研究人员便可以测得其大脑和脊髓内的β-淀粉样蛋白和tau蛋白的水平。约摸一个月后,把实验再重复一遍,只不过这回剧情反转了一下,原先那些睡眠被打断的人现在可以不受干扰地美美睡上一觉;原先那些好好睡了一觉的人这次睡眠则被屡屡打断。研究人员将受试者受干扰之夜与未受干扰之夜的β-淀粉样蛋白和tau蛋白的水平做了一个对比,发现仅从一个晚上的对比来看,受干扰情形下β-淀粉样蛋白水平上升了10%,tau蛋白水平则没什么变化。然而,监控设备亦显示,那些在家连续一周没睡好的人,其tau蛋白的水平出现了明显上升。慢波逐渐减弱,β-淀粉样蛋白水平上升。图片来源:Brain “经历过一个难眠之夜,β-淀粉样蛋白水平出现上升,tau蛋白水平则没有,这在我们的意料之中,因为β-淀粉样蛋白水平通常比tau蛋白水平变化得更快,”论文第一作者Yo-El Ju说,“然而,我们也看到,受试者在家连续几晚没睡好的话,其tau蛋白水平也出现了上升。”连续几晚没睡好,tau蛋白水平也出现了上升。图片来源:Brain在Ju看来,将仅仅一晚或一周的睡眠不佳与罹患阿尔茨海默氏症挂上钩似乎并不靠谱——尽管悲观主义者说不定真会这么想。她表示,睡个好觉,说不定β-淀粉样蛋白和tau水平就恢复正常了。“真正应该关注的是那些长期存在睡眠问题的人,”Ju说,“我认为这会导致β-淀粉样蛋白水平慢慢上升,动物实验业已表明,这会让出现β-淀粉样蛋白斑块和罹患阿尔茨海默氏症的风险大大增加。”Ju提醒道,不可把本项研究用于衡量睡多一点、睡好一点是否可以降低罹患阿尔茨海默氏症的概率。“越来越多的人正受困于睡不好,这在很多方面影响到了他们的身心健康,”Ju说,“此时此刻,我们还不能说提高睡眠质量可以降低阿尔茨海默氏症的发病概率。我们能说的是,糟糕的睡眠会导致与阿尔茨海默氏症相关的某些蛋白质水平上升。不管怎样,保持良好的睡眠仍是我们应该努力追求的。”原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Slow wave sleep disruption increases cerebrospinal fluid amyloid-β levelsBrain, 2017, DOI: 10.1093/brain/awx148部分编译自:https://medicalxpress.com/news/2017-07-alzheimer-link.html

来源: X-MOL 2017-07-15

化学法毁尸灭迹?

韦小宝有三件宝,巧嘴、匕首和药包。小说中的“化尸粉”只要占到血肉便会嘶嘶作响,冒出缕缕白烟。不消片刻,一具尸体便要化为血水。显然,化尸粉的配方比可口可乐的还要机密,金庸先生一直秘而不宣,但作为一个半吊子化学家,本氘很怀疑那就是生石灰。“杀人啦……”。图片来源:电影《鹿鼎记》类似桥段在多部影视剧中也都有出现,比如美剧《绝命毒师》里“老白”和“小粉”就曾使用了氢氟酸溶解受害者尸体。不过,《流言终结者》已经用实验证明,这一剧情纯属虚构,氢氟酸连一块猪蹄都搞不定。尴尬的是,那一集里的嘉宾正是“小粉”的扮演者亚伦•保尔(Aaron Paul)以及《绝命毒师》的制作人(原话是creator),当面啪啪啪打脸……猪蹄遭遇氢氟酸。图片来源:《流言终结者》第十二季第十集怎么溶解一具尸体?不要想的太复杂,常见的强酸强碱就很好用。阿列纽斯、布朗斯特-劳里,路易斯……一长串化学人耳熟能详的名字在酸碱理论的建立中立下了不朽功勋。法医科学家则在他们的工作场所——停尸房中验证这些物质的破坏力,不管是软组织、头发、指甲还是牙齿、骨头,通通不在话下[1-3]。这些可不是拍戏,研究酸碱物质对身体组织的破坏是一门实用的学科,有助于理解杀人犯毁尸灭迹的手段,并抽丝剥茧找到线索和证据。翻阅人类的犯罪历史,凶杀案中用化学试剂处理尸体的例子数不胜数。20世纪40年代中后期,英格兰最臭名昭著的杀手John Haigh,曾用硫酸溶解了至少六具受害者的尸体,这一习惯也为他赢得了“酸浴杀手”的恶名。而墨西哥犯罪组织Arellano-Félix则更偏爱用氢氧化钠来抹杀黑道上的对手。如果说硫酸和氢氧化钠过于猛烈,美国的生物化学家Larissa Schuster女士则展现了专业人士的“优雅”,她在2003年用盐酸除掉了分居丈夫的尸体,媒体由此送她外号“酸娘子(the Acid Lady)”[6]。在实验室消解软组织时,会选择常见的酸碱,如硫酸、盐酸、氢氧化钠和氢氧化钾,它们的原理都是让生物大分子(包括蛋白质、脂质、多糖和核酸)水解,达到溶解的目的。碱性水解要比酸性水解更强力,这很可能是因为碱更擅长破坏二硫键,而二硫键是对蛋白质的结构和稳定性起到关键作用的化学键。这也正好能解释为什么碱在破坏头发和指甲时表现的更好。头发的主要成分是角蛋白,而角蛋白中又富含半胱氨酸,正是半胱氨酸构成了二硫键。二硫键使头发非常坚韧,一般的溶剂不能奈何。但遇到了氢氧化钠就只能缴械投降了,在氢氧化钠溶液中,头发溶解只要几分钟。所以氢氧化钠可以用来疏通那些被毛发堵塞的浴室下水道。指甲的化学构成和头发很相似,自然也逃不出强碱的魔掌。某购物网站上的管道疏通剂说明。图片来自网络不过作为碱的宿命冤家,酸不甘示弱,强酸在溶解骨头和牙齿方面独有妙法[1-5]。这不难理解,骨头的主要成分是钙磷灰石,这种物质在酸中更易溶解。但毕竟骨头是非常坚固和致密的组织,完全浸泡在酸液中的骨头需要一天甚至更长的时间才会完全溶解。米兰大学(University of Milan)的Cristina Cattaneo小组从宏观、微观和分子层面上研究了酸和碱对猪骨的破坏效应[2-3]。他们发现,尽管酸的表现更好,但高浓度的强碱仍然能对骨头造成明显的损伤。在论文中,Cattaneo这样描述碱液对骨头的破坏,“这些骨头仅仅是看上去还完整,其实已经非常脆弱了,只要轻轻触碰就会碎成渣渣。”听起来像是煎饼果子里的薄脆。有好事者用氢氧化钠或盐酸来“处理”猪肉,一周后,酸或碱都能把猪肉变成一滩泥状物,非常恶心。化学法“肉馅”。图片来自网络虽然很恶心,但为了知己知彼,法医科学家还是要研究它。就像刚刚说的,理解凶手的手法才能更容易地捉住坏人。试想,警察在一番搜查和检验之后怀疑凶手用酸或碱处理了尸体,那就可以在周边的商店调出消费记录和监控录像,这样更容易锁定嫌犯。但不管酸碱再厉害,总还有死者的遗物留下,即便是一滩血水,也可能藏有破案的关键。尸体是一个人在这个世上活过的最佳证明,而尸体永远不会说谎。那些臭名昭著的化尸恶魔,最终都未能靠“知识的力量”逃脱法网。那个用盐酸处理丈夫尸体的Larissa Schuster女士在2008年被判处终身监禁,不允许假释[6]。Larissa Schuster在法庭上。图片来自网络半个世纪前,顽强的警探在Haigh的住处发现了28磅重的人类脂肪、残缺的脚和一副假牙,最终Haigh认罪,并与1949年被判处绞刑。John Haigh被捕。图片来源:Evening Standard奉劝想拿化学知识做恶的人一句,“天网恢恢,为你准备!”用化学作死的人太多了,所以申请出国才那么容易被check是不是?心疼化学生一秒。参考资料:1. J. Forensic Sci., 2011, 56, 954, DOI: 10.1111/j.1556-4029.2011.01752.x2. J. Forensic Sci., 2017, DOI: 10.1111/1556-4029.134293. Leg. Med. (Tokyo), 2015, 17, 503, DOI: 10.1016/j.legalmed.2015.10.0064. Human osteology in archaeology and forensic science, 439, Cambridge University Press, 20005. J. Can. Dent. Assoc., 2003, 69, 7226. https://en.wikipedia.org/wiki/Larissa_Schuster部分编译自:https://www.chemistryworld.com/opinion/can-acid-dissolve-a-body/3007496.article(本文由氘氘斋供稿)

来源: X-MOL 2017-07-14

中科院天津工生所郭瑞庭在霉菌毒素降解酶的蛋白结构和分子改造方面取得重要进展

中国科学院天津工业生物技术研究所郭瑞庭研究员经过数年的研究,在玉米赤霉烯酮降解酶的蛋白结构和分子改造方面取得重要进展,先后在RSC Advances 和ACS Catalysis 上发表两篇文章,并获选ACS Catalysis 当期封面文章。霉菌毒素是霉菌或其他真菌分泌的有毒、有害次级代谢产物。被霉菌毒素污染的饲料可引起动物中毒,影响其免疫机能,降低生产能力,甚至造成严重的公共卫生问题。霉菌毒素污染已成为限制饲料业和养殖业发展的重要因素之一,每年约有25%的农作物受到不同程度的霉菌毒素污染。以美国和加拿大为例,霉菌毒素的污染使家畜业和饲料业每年损失约50亿美元。我国每年因饲料霉变导致的直接经济损失也高达100亿元,而长江以南地区由于气候较为潮湿,饲料霉变的情况更为严重。玉米赤霉烯酮(zearalenone,ZEN)是一类由镰刀菌属真菌产生的类雌激素毒素,具有二羟基苯甲酸内酯结构(图1),是目前全球污染最严重的三种霉菌毒素之一。ZEN主要存在于玉米、小麦、大麦和黍等农作物及其制品中,可导致摄入者出现早熟、生殖周期紊乱等雌激素紊乱症,给种植业和养殖业带来巨大的损失。ZEN还具有强致癌性,能引起乳腺癌、食管癌等发病率增加。已知ZEN存在6种常见的天然衍生物,其中,zearalenol(ZOL)一般与ZEN共同污染作物(图1)。图1. ZEN和ZOL的分子式。A. ZEN;B. α-ZOL;C. β-ZOL为了抑制霉菌毒素对畜牧业的损害,人们陆续开发出多种物理和化学手段来吸附或降解饲料中的霉菌毒素。目前市场上广泛使用吸附法来去除饲料中的霉菌毒素,但吸附剂往往不能高选择性地吸附毒素,造成其他营养物质的流失。同时,排出体外的毒素还会造成二次污染。相对而言,生物脱毒法利用酶在温和的条件下特异性地降解霉菌毒素,不使用有害的化学试剂、无营养物质流失,被认为是最佳的脱毒方法。开发高效的霉菌毒素降解酶,是解决霉菌毒素污染问题、挽回饲料业和畜牧业巨大损失的重要手段。来源于Clonostachys rosea 的ZHD101是目前研究最为广泛的ZEN内酯水解酶,可以有效转化玉米赤霉烯酮,且通过人类乳腺癌细胞MCF-7增殖实验证明转化产物没有雌激素活性。通过蛋白质结构资料库(Protein Data Bank)进行序列比对,他们发现到目前为止并没有与ZHD101相似的结构得以解析。与之同源性最高的人源可溶环氧化物水解酶(soluble epoxide hydrolase)的氨基酸序列仅有35%具有同源性,且二者具有完全不同的催化三联体。极低的相似性和不同的催化位点说明ZHD101有着独特的蛋白质结构和催化机理。相关的分子结构和催化机理研究将有助于推动ZHD101在饲料工业中的应用。他们通过蛋白的表达、纯化和晶体培养,首次解析了ZHD101的分子结构。结果表明,ZHD101属于α/β-水解酶家族,分子结构由催化核心结构域和α-螺旋帽子结构域组成(图2)。通过对ZHD101和底物ZEN复合物结构的解析,他们发现底物结合在催化核心结构域和帽子结构域中间的深口袋之中,邻近催化三联体Ser102-His242-Glu126。酶和底物的相互作用包括三对氢键和非极性相互作用,其中Trp183侧链同时参与氢键的形成和与底物苯环的T-堆积作用。他们同时设计了一些突变,验证了这些与底物相互作用关键氨基酸的重要功能。ZHD101及其底物复合物结构的解析对指导分子结构的改造有重要的意义。图2. ZHD101的催化机理(A)和与底物ZEN的复合体分子结构(B)ZEN常与其衍生物ZOL共同污染作物。ZOL以两种异构体形式存在:α-ZOL和β-ZOL,它们与ZEN的差别仅在于C6'上的功能基团(图1),但毒性存在着较大的差别。在乳腺癌细胞刺激实验中,α-ZOL比ZEN的雌激素毒性高92倍,而β-ZOL的毒性仅为ZEN的一半。在大鼠子宫实验中,α-ZOL的雌激素毒性比ZEN高3倍,而β-ZOL与ZEN的雌激素毒性类似。虽然ZHD101水解ZEN和ZOL的机理相同,均能产生无毒性的产物,但ZHD101水解ZOL的活力仅为水解ZEN活力的40%,从而导致脱毒不完全。因此,提高ZHD101对α-ZOL的水解活力,将极大提高ZHD101的性能,促进完全脱毒的实现。为了提高ZHD101对ZOL的水解活力,他们解析了ZHD101与ZOL底物的复合体结构,通过与ZHD101/ZEN复合体的结构进行比对,他们发现两者最大的不同在于催化三联体中H242氨基酸侧链的构象,在ZHD101/α-ZOL的A链和ZHD101/β-ZOL的A、B两条链中,H242侧链均发生一定角度的扭转,使有活性催化三联体的氢键网络不能形成,这种不正常的催化三联体构象是ZHD101导致对ZOL催化活力低下的原因(图3)。图3. 野生型和V153H突变体中底物和催化三联体的构象为了寻找底物三联体氢键网络被破坏的原因,他们比较了底物复合物中α-ZOL和ZEN的构象,发现A链中α-ZOL内酯环的位置比ZEN更靠近催化三联体,因而使H242的NE2原子距离内酯环C8'由3.7 Å减小到2.9 Å。如此近的距离造成了NE2和C8'原子之间的斥力,使H242的侧链被推开(图4)。这个现象在ZHD101/α-ZOL的B链中并没有发现,因为α-ZOL的内酯环距离H242的NE2原子较远,说明ZHD101的底物结合口袋容许结合底物采取各种不同的构象。但对于某些构象来说,底物催化三联体的结构有可能被破坏,进而影响催化活性。基于此,他们设计了一些突变来修饰底物结合位点的结构,以稳定ZOL的结合及底物结合时催化三联体的结构。图4. 底物ZEN和α-ZOL在野生型和V153H突变体中的构象及对H242的影响他们选择将V153和V158突变成极性氨基酸,增加与O6'的相互作用,并将M154和L135用芳香族氨基酸取代增加堆叠作用力。在所有突变体中,V153H对α-ZOL的催化活力比野生型增加了3.7倍,同时也保持了对ZEN底物的活力。随后,他们也对V153位点进行了饱和突变,结果发现V153R、V153I、V153N、V153M和V153T对α-ZOL的水解活力增强,但幅度均低于V153H突变体(图5)。图5. 突变体的活性表征他们随后对V153H进行了性质表征,发现最适温度及最适pH与野生型相同,但热稳定性略有提高。对底物α-ZOL动力学参数的表征表明,V153H突变体的Km和kcat 值分别提高了2.7倍和5.2倍,说明底物结合能力有所降低,但催化转换数有较大的提高。对底物β-ZOL的动力学参数却没有明显的改变(图6)。图6. 突变体V153H的动力学参数表征为了进一步解释V153H突变体提高α-ZOL水解活力的分子基础,他们解析了ZHD101/V153H与α-ZOL、β-ZOL复合体的分子结构。在ZHD101/V153H/α-ZOL复合物结构中,他们发现H153的NE2原子与内酯环的C6'羟基形成了氢键(图7A),同时在A链和B链中,H242的咪唑侧链都旋转到合适的角度,使催化三联体得以正确形成(图3和图7A)。通过与野生型比较,他们发现V153H中α-ZOL与催化三联体的距离明显较远,接近ZEN与催化三联体的距离,从而形成较大的空间(图4),使H242侧链可以旋转到原来的位置并形成正确的催化三联体,实现催化活力的提高。图7. V153H突变体中α-ZOL(A)、β-ZOL(B)及相应催化三联体的构象另一方面,H153对β-ZOL的结合没有带来显著的影响,在ZHD101/V153H/β-ZOL复合体结构中,H242的侧链仍然指向外侧,无法形成有功能的催化三联体(图7B)。原因是H242的侧链与β-ZOL的C6'羟基可能形成了氢键,这一错误的相互作用使H242不能形成正确的催化三联体氢键网络,发挥催化功能。因此,对β-ZOL催化活力较低是由不同的结构造成的,提高对β-ZOL催化活力需要另外设计不同的方案。该研究进行的基于结构信息的分子改造大大提高了ZHD101对ZEN高毒性衍生物α-ZOL的活力,同时保留了对主要污染物ZEN的活力。研究成果对ZHD101在饲料工业的应用、实现完全脱毒具有重要的意义。ACS Catalysis 将该研究选为当期封面文章(图8)。天津科技大学联合培养的硕士生彭卫和台湾中研院的柯子平博士为ZHD101结构研究的共同第一作者,天津科大联合培养的硕士生许中霞、中科院天津工生所的刘卫东副研究员和陈纯琪博士为ZHD101分子改造工作的共同第一作者。图8. 研究成果被ACS Catalysis 选为当期封面1. 该论文作者为:Wei Peng, Tzu-Ping Ko, Yunyun Yang, Yingying Zheng, Chun-Chi Chen, Zhen Zhu, Chun-Hsiang Huang, Yi-Fang Zeng, Jian-Wen Huang, Andrew H.-J. Wang, Je-Ruei Liu and Rey-Ting Guo原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Crystal structure and substrate-binding mode of the mycoestrogen-detoxifying lactonase ZHD from Clonostachys roseaRSC Adv., 2014, 4, 62321-62325, DOI: 10.1039/C4RA12111B2. 该论文作者为:Zhongxia Xu, Weidong Liu, Chun-Chi Chen, Qian Li, Jian-Wen Huang, Tzu-Ping Ko, Guizhi Liu, Wenting Liu, Wei Peng, Ya-Shan Cheng, Yun Chen, Jian Jin, Huazhong Li, Yingying Zheng and Rey-Ting Guo原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Enhanced α-Zearalenol Hydrolyzing Activity of a Mycoestrogen-Detoxifying Lactonase by Structure-Based EngineeringACS Catal., 2016, 6, 7657–7663, DOI: 10.1021/acscatal.6b01826

来源: X-MOL 2017-07-14

闻闻饭菜香,也能变胖?

俗话说“民以食为天”。感受着美食扑面而来的香气,你我怎能不“食指大动”?那么,一旦失去了嗅觉,又会发生怎样的情况?近日,美国加州大学伯克利分校(UC Berkeley)等研究机构发表在Cell Metabolism 的一项研究表明:以小鼠为实验对象,如果它们失去了嗅觉,即使吃高脂食物,其体重也不会有明显变化;反之,如果其嗅觉超级灵敏,即便吃的东西一样,也会比普通小鼠胖上一大圈。同样高脂饮食,失去嗅觉的小鼠(下)体形变化并不明显。图片来源:UC Berkeley这些发现意味着,嗅觉或在身体的能量代谢方面扮演着举足轻重的角色。如果你闻不到,就很有可能把能量给烧掉而非存储起来。“这篇论文堪称该研究领域的急先锋,它表明,如果我们能够操控嗅觉输入,就有可能改变大脑感知能量平衡、调节能量平衡的方式。”曾经在加州大学伯克利分校做过博士后、如今在希德斯-西奈医疗中心工作的Céline Riera博士这样说道,她也是论文的第一作者。“在新陈代谢中,感觉系统作用突出。体重增加,并不仅仅被用来衡量所摄入的能量,也与这些能量如何被感知有关,”论文通讯作者之一、分子与细胞生物学教授Andrew Dillin说,“如果这一理念能够在人体得到验证,那么我们有可能制造出一种药物,它不会干扰嗅觉,但仍可以影响这种代谢通路。嗯,这个念头确实很疯狂。”Céline Riera(左)博士和Andrew Dillin(右)教授。图片来源:UC BerkeleyRiera指出,比起吃饱喝足,小鼠的嗅觉在饥饿时更加敏感,因此,一旦失去嗅觉,身体会误以为自己已经吃过了,其实人类亦存在这种现象。在四处觅食时,身体会储存能量,以防觅食失败。若身体感觉已经吃过了,能量供应有了保障,就可以放心大胆地消耗了。下面,让我们来看看研究人员具体是怎么做的。他们首先采用基因工程破坏了成年鼠的嗅觉神经元——交待一下,这种破坏只是暂时性的,持续时间约为3周,而后备用的干细胞会使嗅觉神经元重新生长。通过上调其交感神经系统(这会增加脂肪燃烧),存在嗅觉障碍的小鼠迅速将热量释放出来。小鼠会将其米色脂肪细胞——堆积在大腿及腹部的皮下脂肪存储细胞——转变为棕色脂肪细胞。虽然名为“脂肪”,但棕色脂肪的作用更像是肌肉。它负责分解引发肥胖的白色脂肪,将白色脂肪转化成二氧化碳、水和能量,而本身并不储存热量。事实上,一些小鼠几乎把所有的米色脂肪都转变成了棕色脂肪,有了这些“燃烧机器”,身段自然就苗条下来了。还有一点值得注意,对于那些原本已出现葡萄糖耐受不良的肥胖鼠而言,虽然吃的是高脂肪饮食,但其体重仍然下降了,且恢复了正常的葡萄糖耐受性。而在硬币的另一面,伴随着嗅觉的丧失,去甲肾上腺素的水平会大幅上升,这与交感神经系统的压力反应有关。对于人类而言,这种激素的持续上升或导致心脏病发作。在Dillin的眼里,对于希望减肥的人而言,控制嗅觉称得上是一种“简单粗暴”的手段,尽管它会带来去甲肾上腺素水平上升等负面效应,但比起做胃间隔手术等减肥手段,它仍有自己的优势。他还给出了自己的建议:“对于某些人而言,你可以暂时剥夺他们的嗅觉,比如说6个月,在其代谢系统重设后,让嗅觉神经元再回来。”事实上,Dillin和Riera开发了两种不同的技术来暂时限制成年小鼠的嗅觉。第一种技术:采用基因工程手段改造小鼠,在其嗅觉神经元(这种神经元从鼻子的嗅觉受体一直到大脑的嗅觉中枢)中表达一种白喉受体。当白喉毒素喷到小鼠的鼻子时,这些神经元死去,导致小鼠出现嗅觉障碍,直至干细胞使其再生。第二种技术:设计一种良性病毒,通过吸入使得受体进入嗅觉细胞。白喉毒素再一次使小鼠产生嗅觉障碍,持续约3周时间。在上述两种情形下,出现嗅觉障碍的小鼠吃的都是与嗅觉功能正常的小鼠相同的高脂肪食物。然而,在前者体重至多增加了10%(从25-30克增至33克)时,后者的体重几乎增长了一倍,达到60克左右。而且,对于出现嗅觉障碍的小鼠而言,其胰岛素敏感性以及对葡萄糖的反应——诸如肥胖之类的代谢紊乱对两者均会造成破坏——均保持正常。失去嗅觉功能后,尽管依旧在享用高脂肪饮食,但那些原本肥胖的小鼠的身形明显苗条下来,体重也减至正常小鼠的水平。并且,这些小鼠只是掉了一些膘,其肌肉、器官和骨质量均未受到影响。为了做对比,研究人员还找来了一些嗅觉超级灵敏的小鼠,发现在相同饮食条件下,这些小鼠的体重明显超出正常小鼠。嗅觉敏感小鼠与嗅觉障碍小鼠对比。图片来源:Cell Metabolism“饮食紊乱者往往很难控制自己的食欲,他们对美食充满了热爱,”Riera说,“我们认为,嗅觉神经元对于控制享受食物极其重要,如果能找到一个办法控制这一途径,或可帮助这些人管住自己的嘴巴,维持健康的体型。”好吧,看来除了噪音(点击阅读相关)、酒精(点击阅读相关)、农药(点击阅读相关)还有“这个时代”(点击阅读相关),嗅觉也成了身材变形的背锅侠。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):The Sense of Smell Impacts Metabolic Health and ObesityCell Metabolism, 2017, DOI: 10.1016/j.cmet.2017.06.015编译自:http://news.berkeley.edu/2017/07/05/smelling-your-food-makes-you-fat/

来源: X-MOL 2017-07-11

万万没想到,KO薄荷的竟然是……肉豆蔻!

嚼上一粒薄荷味口香糖,或者把一口薄荷味漱口水裹在嘴里是一种什么样的体验?答案是:清凉袭人、芬芳浓郁,实在是太爽了!明明不是低温,但为何它们会给我们带来如此“冰凉”的体验?原因便在于人体感觉神经元的一道神秘之门,即“清凉”离子通道(TRPM8离子通道),被某些神秘的物质,如L-薄荷醇给敲开了——TRPM8离子通道在活化时允许钠离子和钾离子进入细胞内,这导致细胞的去极化并产生动作电位,最终让我们的中枢神经系统感受到“冷”的感觉。L-薄荷醇取自薄荷,中医认为薄荷“性凉味辛,有宣散风热、淸头目、透疹之功”,而L-薄荷醇由此也被按上了个自然界“清凉之王”的美名,常常被添加到诸如止咳药片和化妆品中,商业用途极其广泛。不过,L-薄荷醇固然不错,却也存在明显的短板:浓度不高时,效应很弱且不持久;浓度太高,刺激性又过强。为了寻找更“清凉”的化合物,花王集团的Tomohiro Shirai等人希望能从大自然中再觅得瑰宝。俗话说“世上无难事,只怕有心人”,多年的研究与摸索终于结出了硕果,他们从肉豆蔻(nutmeg, Myristica fragrans)中提取出了一种神奇的新木脂素(neolignan)化合物,同样能够激发TRPM8离子通道,把L-薄荷醇远远抛在了身后,堪称目前人类从大自然中所发掘出的最牛的清凉“圣品”。他们的研究成果近日发表在ACS Med. Chem. Lett. 上。肉豆蔻。图片来源:Shutterstock这种新木脂素化合物的效力约为L-薄荷醇的30倍,几乎可与冰素(icilin,一种人工合成的TRPM8离子通道超强激动剂)并驾齐驱。更妙的是,这种化合物与TRPM8结合的位点有别于L-薄荷醇,这意味着这两种化合物实际上可以一起使用,效果会更佳。肉豆蔻中提取出的“清凉”新木脂素化合物。图片来源:ACS Med. Chem. Lett.在漱口水测试中,研究人员把这种来自肉豆蔻的新木脂素化合物溶液(0.02%)含在嘴里,保持30秒,然后评估其清凉效果。结果表明,要达到相同浓度L-薄荷醇溶液的清凉效应,这种新木脂素化合物需要花上5分钟,然而,这种效应可以维持30分钟;而相比之下,L-薄荷醇的耐力就差多了,清凉效果只能维持10分钟。新木脂素化合物和L-薄荷醇功效对比。图片来源:ACS Med. Chem. Lett.尽管前景看上去一片光明,香精与香料业咨询公司Leffingwell & Associates的总裁John C. Leffingwell还是提醒道,这种化合物距离商业化还有很长的路要走。一个不可回避的事实是,这种化合物在肉豆蔻中含量很低,所以需要人工合成以实现大规模工业化生产,控制住成本至关重要。此外,从安全性等角度考虑,这种化合物还得经受住一系列毒性和风味测试的考验。不过,有朝一日若能嚼上一粒此等透心凉的口香糖,是一种何等酸爽的体验呢?原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Identification of a Novel TRPM8 Agonist from Nutmeg: A Promising Cooling CompoundACS Med. Chem. Lett., 2017, DOI: 10.1021/acsmedchemlett.7b00104编译自:http://cen.acs.org/articles/95/i27/Nutmeg-compound-cooler-menthol.html

来源: X-MOL 2017-07-08

大内密探之酿酒酵母

真菌多种多样,对人类而言,有的是“良民”(比如香菇、平菇、鸡腿菇等),有的则是“坏蛋”(比如引发皮癣的毛癣菌)。就公众健康和食品安全角度而言,一些真菌称得上是“超迷你版杀手”。据统计,全球每年有超10亿人饱受由各种真菌所引发疾病的困扰,除去那些皮肤病,其实真菌还会引发各种内部感染,如口腔病变、淋巴结肿大等,严重时甚至危及生命。不仅如此,包括小麦、玉米在内的很多农作物也成了某些真菌的牺牲品,导致产量大跌。如今,美国哥伦比亚大学等机构的研究人员找到了一种成本低廉且简单易行的方法,能够快速找出藏身于患者、农作物和食品中的有害真菌。他们的研究成果近日发表在Science Advances 上。对于配置良好的实验室和医院而言,找出捣乱的真菌并非难事。然而,传统检测手段往往需要用到抗体或测出相关基因,需要无菌检测环境和冷藏试剂,这些条件对很多不发达地区而言是很难达到的。此番情景促使哥伦比亚大学合成生物学家Virginia Cornish (点击查看介绍)率领自己的研究团队开始寻找一种有较长保质期且无需冷藏设备的替代手段,让贫困地区的人也能用得起。经过努力,他们终于找到了自己想要的东西,这便是酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)。与其他很多真菌一样,酿酒酵母有配对受体,这是一种位于细胞表面的蛋白质,可察觉由其他潜在“配偶”释放出的信息素。研究人员找来了白色念珠菌(Candida albicans),这是一种常见致病真菌。接下来,研究人员将这种真菌的配对受体基因移入酿酒酵母中。此外,他们还添加了几种服务于配体的基因,使得改造后的酿酒酵母可以制造出番茄红素——这是一种红色色素,具有抗氧化作用,在番茄中含量相当丰富。实质上,研究人员是把酿酒酵母给打造成了一种生物传感器,一旦发现白念珠菌的存在就变红。更厉害的是,测试结果在3小时内就能出来,效率相当高。Virginia Cornish。图片来源:Columbia University研究人员期待着设计出来的系统能够探测出更多类型的真菌感染,令他们惊喜的是,实际操作并不麻烦,只须用其他致病真菌(如稻瘟菌和禾谷镰刀菌)的配对受体基因取代酿酒酵母的相应基因即可。就这样,研究人员一共打造出了10种“改造版”酿酒酵母,每种都能探测出一种真菌疾病。改造版酿酒酵母遇见真菌病原体图解。图片来源:Sci. Adv.为了让酿酒酵母“生物传感器”使用起来更方便,研究人员想了一个办法,通过浸泡等操作将活的酵母细胞附着在试纸上(下图A),这样就可以很方便地对血液、尿液、水和污物等进行检测。非常棒的是,即便在室温下保存38周,这些经过改造的酿酒酵母仍未失去功能。“正如一个农庄可以自酿啤酒一样,如今它也可以拥有自己的酵母诊断产品了,”Cornish说,“这也算不上什么高不可攀的高科技。”附有改造版酿酒酵母的试纸,能够很方便地对真菌病原体进行检测。图片来源:Sci. Adv.Keith Pardee是加拿大多伦多大学的一名合成生物学家,他表示自己被这项研究深深打动了。“酿酒酵母太常见了,它来检测食品污染的确合适。”加拿大拉瓦尔大学微生物学家Maurice Boissinot也说:“这项研究颇值得称道,是个大突破,手段相当高明。”不过,Boissinot也提醒到,这种传感器距离临床应用还有一段距离。事实上,在研究人员开展的试验中,所使用的真菌信息素的水平要高于正常情况下患者血液或尿液中的实际水平。杜克大学酵母专家Joseph Heitman也泼了一瓢冷水,他表示,曾有研究显示,因为有些真菌比较相似,某些酵母配对受体有可能“认错人”。这意味着,在试图找出真凶时,这种生物传感器可能会出现误判。“我们的成果目前还称不上是颠覆性的,”Cornish承认,“不过,我们在努力向前。”Cornish的团队还计划开发另一种类似的生物传感器,只不过这回瞄准的对象变成了细菌中的“坏蛋”(如霍乱菌)。Boissinot表示:“这样的生物传感器令人印象深刻,我们应该开展更多的工作,让微生物更好地服务于人类,而非给人类带来灾祸。我深信,这些科学成果在未来必将结出硕果。”原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):A modular yeast biosensor for low-cost point-of-care pathogen detectionSci. Adv., 2017, 3, e1603221, DOI: 10.1126/sciadv.1603221导师介绍Virginia Cornishhttp://www.x-mol.com/university/faculty/1402编译自:http://www.sciencemag.org/news/2017/06/how-scientists-are-combatting-deadly-fungus-baker-s-yeast

来源: X-MOL 2017-07-07

Science:如何“驾驭”类黑色素聚合物的合成?

人类的皮肤之所以有黄、白、黑、棕等各种各样的颜色,黑色素的数量和分布是其中的关键影响因素。黑色素除了能决定皮肤、头发和眼睛的颜色,还能给组织结构提供支撑,保护细胞免受紫外线辐射和自由基的氧化损伤。在生理功能之外,黑色素这种生物聚合物材料在电子传导和能量储存等方面也有着重要的应用。黑色素应用于燃料电池中。图片来源:Wiley尽管都是生物大分子,但黑色素的人工合成研究却远落后于DNA和蛋白质等有着有序结构的生物聚合物。DNA和蛋白质具有有序的结构,并且结构与性质之间有着直接的联系,而黑色素本身是无序的,难以将结构与功能直接联系在一起。有些科学家试图从多巴胺和酪氨酸衍生物出发,通过聚合合成类黑色素聚合物,但这些努力没有取得突破性成果,合成过程很难控制,得到的聚合物结构无序、化学和结构性质难以确定、商业应用前途晦暗。近日,来自美国纽约城市大学(CUNY)的Rein Ulijn教授课题组在Science 报道了一种新方法来“驾驭”类黑色素聚合物的合成。他们利用含酪氨酸的三肽为前体,使之自组装为超分子结构,再用酪氨酸酶氧化聚合成类似黑色素的聚合物。并且,通过简单变换三肽的序列,就可以调节所得类黑色素聚合物的光学和电化学性质。这种由肽序列调控性质的生物聚合物有希望应用到涂料、化妆品、生物医药及传感器等多个领域。Rein Ulijn教授。图片来源:CUNY研究人员选用的三肽前体含有酪氨酸(Y)、苯丙氨酸(F)及天冬氨酸(D),其中,酪氨酸残基之间会产生非共价相互作用,非极性的苯丙氨酸残基能促进聚集,而带电荷的天冬氨酸残基能增加溶解度。通过加热和冷却三肽溶液,这些小肽会自组装成超分子结构。随后用酪氨酸酶处理超分子组装体,氧化聚合得到类似黑色素的聚合物。类黑色素聚合物的合成过程。图片来源:Science有意思的是,三肽中酪氨酸残基之间的非共价相互作用会随着三肽氨基酸序列的改变而改变,因而自组装所得的超分子结构也有区别。例如,FDY和YDF这两种三肽会自组装成可溶的聚集体,FYD是无定形聚集体,YFD和DFY是纳米纤维,而DYF则是晶体。三肽的自组装体。图片来源:Science随后进行的酪氨酸酶催化的氧化和聚合反应,研究人员发现每种自组装体都能得到不同的聚合物产物。除了颜色不同之外,性质也不尽相同。例如,FYD三肽形成了米色的聚合物,它的紫外吸收是其他聚合物的三倍;DFY三肽形成了棕黑色片状聚合物,其电荷存储能力为其他聚合物的三倍;而DYF三肽形成了红棕色球形聚合物颗粒,水溶性要优于其他聚合物。这些可调可变的性质,无疑让这种生物聚合物材料的应用前景一片光明。三肽组装体(上)氧化聚合形成的类黑色素的聚合物(下)。图片来源:Science不同三肽序列编码聚合物的电容量性能。图片来源:Science麻省理工学院Markus J. Buehler课题组研究黑色素的专家Chun-Teh Chen博士认为这项研究是第一个使用三肽来合成类黑色素聚合物的研究,为合成具有可调控性质的类黑色素聚合物开辟了新方向。Ulijn教授也表示,基于小肽的生物材料较为常见,比较容易大规模生产,在应用于生物医药和化妆品时也比较容易通过监管机构的审批。他们团队已经提交了专利申请,并开始与化妆品公司讨论如果在化妆品中使用这种可以防止紫外线辐射和自由基损伤的生物聚合物材料。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Polymeric peptide pigments with sequence-encoded propertiesScience, 2017, 356, 1064-1068, DOI: 10.1126/science.aal5005部分内容编译自:http://www.asrc.cuny.edu/2017/06/08/science-melanin-study/ (本文由冰供稿)

来源: X-MOL 2017-07-05

Science封面:蛋的形状千变万化,关鸟啥事?

荷包蛋、白煮蛋、咸蛋、煎蛋、蒸蛋……“葬身”诸君腹中的鸡蛋、鸭蛋、鹌鹑蛋,每每数以千计。年少时有掏鸟窝“劣迹”的,估计麻雀、乌鸦之类的蛋也尝试过。吃过了那么多蛋,有没有注意到鸟蛋的形状其实并不相同?各种形状的鸟蛋。图片来源:Frans Lanting / MINT Images / Science Source所有的鸟蛋都和鸡蛋一样拥有坚硬的外壳和壳内的白膜,这类蛋有个专有名词——羊膜卵。就是这样简单的结构,却是脊椎动物能够从海洋登上陆地,适应空气环境的关键。3亿6千万年的漫漫进化之路上,鸟类的蛋演化出了各种形状和大小,有的是近乎完美的球形,也有的呈炫酷的泪滴形。问题来了,为什么鸟蛋会演化出这么多不同的外形?这个问题的答案或许能揭开鸟类的演化之谜。美国哈佛大学、普林斯顿大学的科学家领导的一支国际研究团队为了寻找这一问题的答案,采用数学、物理学和生物学方法,测量了约1,400种鸟类共49,175枚鸟蛋的形状,并建立了模型来解释蛋膜是如何决定蛋体形状的。利用系统发育模型,研究者发现蛋的形状和成鸟的飞行能力有关,换句话说鸟类对飞行的适应可能是鸟蛋形状改变的驱动力。该研究近期以封面文章形式发表Science 杂志上。该期Science 杂志封面。图片来源:Science领导这样一个背景多样的国际团队,学术带头人的实力自然不容小觑。文章的通讯作者L. Mahadevan教授就是位纵横多个领域的高手,他身兼哈佛大学应用数学教授、有机体与进化生物学教授和物理学教授三职。为了找到研究鸟蛋的统一方法,Mahadevan和本文第一作者、普林斯顿大学生态学与进化生物学助理教授Mary Caswell Stoddard等人提出了三个核心问题:如何量化鸟蛋的形状?决定鸟蛋形状的生物物理机制是什么?鸟蛋形状对物种演化和生态环境的影响是什么?Mahadevan教授(左)与Stoddard教授。图片来源:Harvard University / Princeton University研究人员首先绘制了约50,000种鸟蛋的两极间不对称度(asymmetry)和椭圆率(ellipticity),这些蛋来自35个目下约1,400个种(占其所有种的14%)的鸟类,包括2个已灭绝的目。从结果看,鸟蛋的形状改变是连续变化的,许多物种之间存在着重叠。如果完美的球形蛋是起点,那它是一点一点逐渐变异成锥形蛋的。就像太阳光谱从红外线一直到紫外线,中间不曾有过跳跃。不同椭圆率和不对称度的鸟蛋分布散点图。图片来源:Science那么,这种蛋的变异“光谱”如何形成的呢?鸟类学家早就知道蛋膜在鸟蛋形状形成过程中扮演着重要角色。如果把一颗鸡蛋放到醋酸这样的弱酸中,蛋壳会被溶解,但因为膜的存在,蛋会保持住原来的形状。据说是醋酸溶解蛋壳后的鸡蛋。图片来源于网络想象有这样的一个气球,它由同一种材质制成,每个地方都一样厚,如果给这个气球吹气,鼓起来的气球一定是个近乎完美的球形。但如果气球各处的材质、厚度不均一,膨胀后就可能产生各种形状。Mahadevan称,“我们观测了不同鸟蛋两极间之间膜的厚度变化,并依据这些数据建立了数学模型。我们假设蛋就是一个能够承压的弹性气球,在膨胀的过程中我们能捕捉到真实的蛋的形状。”他们认为,鸟蛋的不同形态正是基于蛋膜厚度和组成的多变性,施加在膜上压力不均匀,鸟蛋的形态才如此多变。图片来源:Science 网站下一个问题是,这些造型各异的蛋和鸟类的进化又有什么关系?于是,研究者分析了不同蛋的形状与不同鸟类筑巢形式、筑巢位置、产卵数、饮食和飞行能力的联系。不同种类鸟蛋的长度、不对称度和椭圆率对比。图片来源:Science结果相当有意思,他们发现鸟类的飞行能力是影响鸟蛋形态的主要因素。众所周知,鸟类之所以能飞行,除了因为有轻巧的骨骼和有力的翅膀,身体的流线型也很重要。为了保持体型,善飞的鸟让蛋变得更不对称且更接近于椭球形。这样的话,雌鸟就能在不增加蛋宽度的前提下使鸟蛋的体积最大化,它们的输卵管也可以非常狭窄。图片来源:Science 网站所以信天翁和蜂鸟虽然是两种截然不同的鸟类,但它们产下的蛋的形状却很相似(当然,尺寸差别很大),而且它们都是鸟类中的飞行高手。宽尾煌蜂鸟和漂泊信天翁的蛋。图片来源:Science下一步,研究者计划直接观察蛋的形成过程,并与模型作对比。另外还有一些有意思的问题没有解决,鸟蛋的外壳颜色与花纹更加多变,这又是怎么形成的呢?这里小氘要强调一下,本文的结论强调的是鸟蛋形状和飞行能力的相关性,并不是因果关系。可以很轻松举几个例子:贵为新西兰国鸟的几维鸟(kiwi bird)的蛋呈椭球形,然后几维鸟并不会飞,甚至连翅膀都退化了……另一种不会飞的鸟类——企鹅,蛋的外形是不对称的。几维鸟标本和企鹅(不会飞,椭球形、不对称的蛋也是然并卵)。图片来自网络另外,Science 网站为这项有趣的研究专门做了一个图文并茂的解读[1],封面图正是奇葩的“滚蛋”风格。图片来源:Science 网站原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Avian egg shape: Form, function, and evolutionScience, 2017, 356, 1249-1254, DOI: 10.1126/science.aaj1945参考资料1. http://vis.sciencemag.org/eggs/2. http://www.sciencemag.org/news/2017/06/surprisingly-simple-explanation-shape-bird-eggs(本文由氘氘斋供稿)

来源: X-MOL 2017-07-03

酶加MOF“外套”,让细胞开挂

与人类一样,微生物的生存同样需要“食物”,很多时候,它们比我们更加“挑食”。比如,酿酒酵母只能以葡萄糖作为食物,而不能“消化”乳糖。这是因为这类真核细胞缺乏乳糖的代谢途径,因此难以在葡萄糖匮乏的环境中生存。最近,奥地利格拉茨技术大学的Paolo Falcaro教授与澳大利亚新南威尔士大学的Kang Liang博士做了一项有趣的工作,他们利用酶和金属有机框架(MOF)材料给酵母菌设计了一件神奇的“外套”——它能够将环境中酵母菌不能利用的乳糖转化为可利用的葡萄糖。穿上这件“外套”,酵母细胞可以直接开挂,在原本无法生存的乳糖环境中活的潇潇洒洒。相关研究论文发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。给细胞“穿外套”的过程。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.“穿外套”过程如下:首先,酵母菌表面荷负电,可以通过静电相互作用在表面吸附一层β半乳糖苷酶;然后,将细胞置于ZIF-8前驱体溶液中,通过如此简单的过程就可以在酵母菌表面形成一层酶与ZIF-8组成的外骨架。当然,这件“外套”也很容易脱去,让酵母菌恢复常态。酵母菌、β半乳糖苷酶吸附层、ZIF-8层及其组合(a-d)的共聚焦显微镜图像。f为酶/ZIF-8包裹的酵母菌SEM图像。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.酵母菌“外套”的厚度大概在100 nm左右,能够将培养液中的乳糖分解为单醣,供给酵母菌享用。有趣的是,如果酵母菌仅仅吸附了β半乳糖苷酶但没有包覆ZIF-8,将其放在含有乳糖的培养液中,则无法检测到葡萄糖的生成。作者认为这可能是由于酵母菌内吞并降解了β半乳糖苷酶,因此,ZIF-8层不仅能够保护细胞免受外部毒素和辐射的影响,同时也能保护酶不被酵母菌内吞而降解。穿上这件“外套”后,酵母菌的生存能力如何了呢?研究者向培养液中分别加入了对酶和酵母菌有害的物质,或加入蛋白酶或能裂解酵母菌的溶壁酶。结果表明,在各种环境下,包覆了酶与ZIF涂层的酵母菌都能很好的生存,7天后依然有70%以上的酵母菌存活。而相比之下,没有开挂的“裸”酵母菌,7天后还能存活的少得可怜。不同酵母菌在培养液中的生存状态。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.这项工作为我们提供了一条新的思路:利用“MOF+酶”的组合能够为细胞提供具有各种功能的外骨架,从而更好面对艰苦环境,或者实现更多有趣的功能。同样,本文中对MOF的应用相当有创意,MOF的未来发展方向又多了一种可能。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):An Enzyme-Coated Metal–Organic Framework Shell for Synthetically Adaptive Cell SurvivalAngew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201704120(本文由YHC供稿)

来源: X-MOL 2017-07-02

这场无声的密战,与染色体有关

对于生物体来说,细胞内的染色体数量一般是恒定的,以人类为例,细胞内便含有23对染色体。正常情况下,一个细胞在分裂前,首先会复制染色体,然后再平均分配到两个子细胞中去。然而,细胞偶尔也会抽风,在分裂时,因为发生了某些错误,导致染色体未能正确分配,结果便是染色体数增多或者减少,这就是所谓的非整倍性。说到这里,我们不得不提一下癌细胞,因为它们大多都是非整倍体。人类有23对染色体。图片来源于网络近日,美国麻省理工学院(MIT)等机构的研究人员在Developmental Cell 上发表的一篇研究论文,首次向我们揭示了免疫系统用来消除体内那些遗传失衡的细胞的一种机制——一旦染色体数出现了增多或减少的情况,立刻会拉响警报,于是一种被称为自然杀伤细胞的免疫细胞便会出手把这些异常细胞给干掉。“这种免疫识别机制若能被再度激活,有希望成为一件消灭癌细胞的大杀器。”论文通讯作者、麻省理工学院生物系教授Angelika Amon兴奋地表示。Angelika Amon教授。图片来源:MIT众所周知,对于很多生物而言,非整倍性危害绝对不容小觑。如果胚胎细胞出现了非整倍性,生物体往往会面临灭顶之灾。不过,对于人类来说,也存在一些特殊情况,不见得立马就让你一命呜呼:如果是21号染色体多了一条,会导致唐氏综合征;如果是13号和18号染色体多出一条,会导致13三体综合征和18三体综合征;如果是性染色体X、Y多出来了,则会导致各种不良症状的出现。当然,这些肯定也都不是好事。近些年来,Amon的实验室一直在苦苦思索一种令人百思不得其解的现象:对于正常的成人细胞而言,非整倍性往往是致命杀手,令细胞难以生存和增殖;然而,很多癌细胞明明是非整倍体,为何却活得好不快活,甚至呈爆炸式生长?研究人员们迫切希望找出真相。事实上,过去几年里,Amon教授和Stefano Santaguida(论文第一作者和共同通讯作者)正埋头于研究这样一个问题:若染色体发生错误分配,导致子细胞染色体分配失衡,后面会发生些什么?在本项新研究中,研究人员刻意干扰了染色体与纺锤体的联结方式,结果便是:在第一次分裂后,某些染色体分配得不均衡;接下去再分裂,分配得更不均衡,且导致了某些重要的DNA受损;到了最后,这些细胞停止了分裂。染色体分离错误导致异常染色体组型。图片来源:MITAmon说:“如果从一开始这些细胞的遗传物质便出现了些许混乱,那么便会进入一个恶性循环,局面将一发不可收拾。”丹娜法伯癌症研究院的儿科肿瘤学教授David Pellman对本项研究颇为认可:“这篇论文清晰且令人信服地表明,无论是染色体丢失还是增多,细胞一开始其实很难意识到遗传物质出现了混乱。染色体不平衡会导致细胞缺陷,以及相关蛋白质和基因的失衡,破坏DNA的复制,结果给染色体带来更大的损害。”随着遗传错误的堆积,非整倍体最终变得极为不稳定,以至于无法继续分裂下去。在这种状况下,细胞开始产生促炎症细胞因子。当研究人员把这些细胞暴露给自然杀伤细胞时,后者会给予前者毁灭性打击。“破天荒头一遭,我们见证了这样一种机制,借助它,染色体不平衡的细胞会被清理掉。”Santaguida表示。非整倍体引发免疫反应。图片来源:Developmental Cell在未来的研究中,研究人员希望能够找到非整倍体引来自然杀伤细胞的确切原因,看看是否还有其他免疫细胞卷入了这场绞杀战。此外,他们尤其想搞清楚的一件事便是,那些癌细胞究竟采取了怎样的手段,居然成功逃脱了免疫细胞的追杀。既然90%的实体瘤细胞和75%的血癌细胞都是非整倍体,如果能找出一种办法重新开启这种杀灭机制,在医疗上的应用前景将不可估量。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Chromosome Mis-segregation Generates Cell-Cycle-Arrested Cells with Complex Karyotypes that Are Eliminated by the Immune SystemDev. Cell, 2017, 41, 638, DOI: 10.1016/j.devcel.2017.05.022编译自:http://news.mit.edu/2017/cells-combat-chromosome-imbalance-0619

来源: X-MOL 2017-06-30

Black or White

八年前的今天,一代流行音乐之王迈克尔•杰克逊因心脏病发作去世,死因与私人医生康拉德•莫里注射了过量药物存在关联。2011年11月,莫里被洛杉矶高等法院判处过失杀人罪,入狱四年。杰克逊在世界流行音乐舞台上的成就可以说是无人能及,而他对于社会的影响更不是普通艺人所能比肩,比如下面这首反应种族问题的《Black or White》,音乐和MV均堪称经典,深受全球歌迷的喜爱,无论他们的肤色black or white, brown or yellow。《Black or White》MV,来自腾讯视频传奇虽已逝去,但围绕他的一系列争议却难以平息。其中一大谜团便是,明明是黑人,迈克尔•杰克逊究竟是怎么变白的?很多媒体大肆渲染说他是故意把皮肤漂白的,然而,迈克尔•杰克逊本人则表示原因是自己得了白癜风,其死后的验尸报告也证实他确实饱受白癜风的困扰。而这种病,正与黑色素有着极大的关系。资料显示,一代摇滚巨星迈克尔•杰克逊是白癜风的受害者。图片来源于网络对于人类(当然,也包括其他很多生物)而言,黑色素实在是太重要了,它不仅关系着你我的肤色与毛发颜色,还可通过吸收紫外线、清除自由基保护你我的皮肤细胞。日常生活中,街头小巷常可见一些得了白化病或白癜风的人,他们之所以会得这些病,原因之一就在于其体内黑色素产生机制出了问题。其实,除了皮肤,少了黑色素还会导致其他一些病症,比如说人的眼睛如果缺少了它会影响视力。鉴于黑色素的重要性,美国加州大学圣迭戈分校等研究机构的研究人员尝试设计一种“人工版”黑色素,以实现黑色素的重要功能。经过不懈的努力,他们最终设计出的产物能够保护人工培养的皮肤细胞,使其免受紫外线的伤害。对于罹患黑色素缺乏疾病的患者(请注意,这些患者得皮肤癌的风险要比一般人高)而言,这项新研究犹如温煦的春风,为他们带来了希望的种子。下面我们要讲述的,便是这个“人工版黑色素”的故事。罹患白化病的黑人小男孩。图片来源:Wikipedia众所周知,在皮肤里黑色素由黑色素细胞产生,并且被打包成黑素小体的形式。这些黑素小体会被毗邻的角质形成细胞(皮肤细胞的主要构成之一)摄入。然后,这些黑素小体会在角质形成细胞的细胞核外形成一个保护层,防止核内的DNA被紫外辐射杀伤。此前有研究曾发现某些聚多巴胺表现得有点像“人工版黑色素”,从结构来看,它们与“天然”黑色素具有类似的芳香环结构。Nathan C. Gianneschi是加州大学圣地亚哥分校(UCSD)的一名化学家兼材料学家,以前他曾利用聚多巴胺纳米颗粒进行过一些应用性研究,后来他就想,能否利用这类颗粒(多巴胺衍生物)重现皮肤细胞中黑色素所起的效应?在Gianneschi看来,要想实现这个目标,最关键的地方是:应设法使这些颗粒“能够尽量模仿自然生成的黑素小体,然后看看角质形成细胞是否会摄入这些颗粒”。研究人员把人工培养的角质形成细胞与经过精心设计的类黑色素聚多巴胺纳米颗粒放在一块,结果观察到这些纳米颗粒聚集在了这些细胞的细胞核外,与自然生成的黑素小体做得一样。“说实话,我们对这些纳米颗粒能否表现得同天然黑色素一样心里也没底,所以这个结果令我们喜出望外。”不过,更大的惊喜还在后面,当把这些细胞暴露于紫外光下后,比起未受保护者,有这些“人工版黑色素”做保镖的角质形成细胞的存活率要高出40%。更妙的是,拥有这些纳米颗粒的细胞,亦能够抑制活性氧簇的产生。类黑色素聚多巴胺纳米颗粒聚集在皮肤细胞细胞核的周围,防止DNA被紫外线伤害。图片来源:ACS Cent. Sci.类黑色素聚多巴胺纳米颗粒扫描电子显微图片。图片来源:ACS Cent. Sci.类黑色素聚多巴胺纳米颗粒(MelNPs)显著提高了紫外光下细胞的存活率。图片来源:ACS Cent. Sci.比利时根特大学的整合生物学家Matthew D. Shawkey称得上是研究聚多巴胺颗粒的一名行家,曾利用这种材料制造过彩膜。他给予了本项研究很高的评价,认为它让人们看到了聚多巴胺颗粒还有其他广泛用途,“这些颗粒展现出了相当好的生物相容性,在生物医学领域前途不可限量。”本项研究的参与者们则没有得意忘形,Gianneschi表示,尽管初步研究结果令人振奋,但若把它们转化为治疗性药物,甚至是用来美容的防晒霜,还有很长的路要走。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):Mimicking Melanosomes: Polydopamine Nanoparticles as Artificial MicroparasolsACS Cent. Sci., 2017, DOI: 10.1021/acscentsci.6b00230部分内容编译自:http://cen.acs.org/articles/95/web/2017/05/Artificial-melanin-gets-into-the-skin.html

来源: X-MOL 2017-06-24
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