日本科学家利用巧妙装置构建复杂的三维有机体

日本科学家利用巧妙装置构建复杂的三维有机体该装置有可能彻底改变我们测试药物的方式，还能让我们深入了解组织是如何发育的，并带来更好的人造器官生长技术。长期以来，科学家们一直在努力创造类器官--在实验室中培育的类似器官的组织--以复制实际的生物发育过程。制造与真实组织功能相似的类器官对开发药物至关重要，因为有必要了解药物是如何在各种组织中移动的。器官组织还能帮助我们深入了解发育过程本身，是培育出能帮助病人的完整器官的垫脚石。实验中使用的立方体之一。资料来源：理化学研究所然而，事实证明，要制造出栩栩如生的器官组织并不容易。在自然界中，组织的发育是通过精心设计的舞蹈进行的，其中包括化学梯度和物理支架，它们引导细胞形成特定的三维模式。与此相反，实验室培育的类器官通常是通过让细胞在均匀条件下生长--创造简单的相似细胞球--或者通过使用三维打印或微流体技术（这两种技术都需要复杂的设备和技术技能）来形成的。显示立方体系统和用途的示意图。资料来源：理化学研究所但现在，理化学研究所先锋研究小组在《先进材料技术》（AdvancedMaterialsTechnologies）上发表的一篇论文中宣布，他们开发出了一种新的创新技术，只需使用一个移液管，就能在空间上控制基于立方体的细胞群周围的环境。这种方法是在立方体培养容器内封闭多层具有不同物理和化学特性的水凝胶（主要由水组成的物质）。在这项研究中，使用移液管将不同的水凝胶插入支架，并根据表面张力固定到位。细胞既可以插入立方体中的单个水凝胶中，也可以以颗粒的形式移动到不同的层中，这样就有可能创造出一系列的组织类型。控制有机体在立方体系统中的位置。资料来源：理化学研究所在发表于《通讯生物学》（CommunicationsBiology）的第二篇论文中，研究小组还展示了重现所谓体轴模式化的能力。从本质上讲，脊椎动物在发育过程中会出现头/后背/腹部的细胞分化模式。尽管这对创造忠实再现实际生物体内情况的有机体非常重要，但在实验室中却很难实现。在这项工作中，研究小组利用基于立方体的系统重现了这种模式化，使用模帽将一组诱导多能干细胞（iPSC）精确地播种在立方体中，然后让细胞暴露在两种不同生长因子的梯度中。他们甚至"招募"了一名实验室助理和一名初中生来成功完成这项工作，这表明细胞播种并不需要很高的专业水平。研究小组还证明，由此产生的组织可以切片成像，并仍能保持梯度方向的信息。立方体系统中的细胞播种控制。资料来源：理化学研究所萩原说："我们对这些成就感到非常兴奋，因为新系统将使研究人员能够快速、无障碍地再造更接近实际生物体器官发育方式的类器官。我们希望广大研究人员能够利用我们的方法创造出各种新的器官组织，为不同器官系统的研究做出贡献。最终，我们希望它还能有助于了解我们如何才能制造出真正的人造器官来帮助病人。"有机体的分化、切片和分析过程。资料来源：理化学研究所...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376289.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376289.htm

科学家揭示火蚁用身躯搭建“蚁筏”背后的科学原理

科学家揭示火蚁用身躯搭建“蚁筏”背后的科学原理宾汉姆顿大学（BinghamtonUniversity）的研究人员正在探索火蚁如何形成浮筏在洪水中生存，目的是将这些生物机制应用到材料科学中。研究小组对这些蚂蚁浮筏的适应性和机械特性进行了研究，发现它们表现出一种独特的"捕捉粘合"行为，能在压力下增强强度。这项研究可能会开发出能在机械应力作用下自我强化的创新材料，有望应用于生物医学植入物和软机器人等多个领域。资料来源：罗伯特-瓦格纳当洪水侵袭火蚁生活的地区时，火蚁的生存对策是把蚁群螯合在一起，形成一个有浮力的"筏子"，漂浮在水面上，使蚁群团结在一起。把它想象成一种浓缩的、适应性强的材料，其中的构件--单个的蚂蚁--实际上是有生命的。宾汉姆顿大学助理教授罗布-瓦格纳（RobWagner）作为科罗拉多大学博尔德分校弗内里软物质力学实验室（VernereySoftMatterMechanicsLab）的成员领导了这项研究，他们在研究中调查了这些活体筏的适应性反应。研究目标是了解它们如何自主变形和改变机械特性，然后将最简单、最有用的发现融入人造材料中。他说："生命系统一直让我着迷，因为它们能实现我们目前的工程材料无法实现的东西--甚至差得很远。我们制造大块聚合物系统、金属和陶瓷，但它们都是被动的。这些成分不能像每一个生命系统那样储存能量，然后将能量转化为机械功。"瓦格纳认为，这种能量的储存和转换对于模仿生命系统的智能和自适应行为至关重要。在最近发表在《美国国家科学院院刊》上的论文中，科罗拉多大学的瓦格纳和他的合著者研究了火蚁蚁排在拉伸时对机械负荷的反应，并将这些蚁排的反应与动态自愈聚合物进行了比较。瓦格纳说："许多聚合物是通过动态键结合在一起的，这些键会断裂，但可以重组。如果拉得足够慢，这些键就有时间重组材料，这样它就不会断裂，而是像孩子们玩的粘液或软冰淇淋一样流动。如果拉得很快，它就会像粉笔一样断裂。由于筏子是由蚂蚁相互粘连在一起的，它们之间的粘结可以断裂，也可以重组。所以，我和我的同事认为它们也会做同样的事情。"但瓦格纳和他的合作者发现，无论他们以何种速度拉动蚂蚁排，它们的机械反应几乎都是一样的，而且它们从未流动过。瓦格纳推测，蚂蚁在感觉到力的时候会反射性地收紧并延长抓握的时间，因为它们想保持在一起。它们要么减弱，要么关闭动态行为。测试火蚁筏在拉伸时对机械负荷的反应的实验。资料来源：罗伯特-瓦格纳这种受力后粘结力增强的现象被称为"捕捉粘结行为"，它很可能会增强蚁群的凝聚力，这对蚁群的生存是有意义的。"当你用一定的力量拉动典型的粘合剂时，它们会更快松开，寿命也会缩短--你拉动粘合剂，就是在削弱它。这就是你在几乎所有被动系统中看到的情况，"瓦格纳说。"但在生命系统中，由于其复杂性，有时你会发现在一定范围的外力作用下，捕捉到的键能保持更长的时间。有些蛋白质会自动机械地做到这一点，但这并不是蛋白质在做决定。它们只是以这样一种方式排列，当施加外力时，就会显示出这些锁定或'捕捉'的结合位点。"瓦格纳认为，在工程系统中模仿这些捕捉键，可以制造出在机械应力较大的区域表现出自主、局部自强的人造材料。这可以延长生物医学植入物、粘合剂、纤维复合材料、软机器人组件和许多其他系统的寿命。像火蚁蚁排这样的昆虫集体聚集体已经在启发研究人员开发具有刺激响应机械特性和行为的材料。今年早些时候发表在《自然-材料》（NatureMaterials）上的一篇论文由德克萨斯农工大学的瓦尔响应生物材料实验室（WareResponsiveBiomaterialsLab）领导，论文作者包括瓦格纳（Wagner）和他的前论文导师弗朗克-J.Vernerey教授的贡献--该论文展示了由被称为液晶弹性体的特殊凝胶或材料制成的带子如何在加热过程中盘旋，然后相互缠绕，形成类似固体的凝结结构，其灵感正是来自于这些蚂蚁。瓦格纳说："这项工作的一个自然进展就是回答我们如何才能让这些带子或其他软构件之间的相互作用像火蚁和一些生物分子相互作用那样在负载下'接住'。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434111.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434111.htm

研究发现导致蛀牙的微生物“超级有机体”可以长出四肢跃过牙齿

研究发现导致蛀牙的微生物“超级有机体”可以长出四肢跃过牙齿如果需要更多的动力来定期刷牙，那么这可能会起到一定的作用。科学家们发现，唾液中的致龋细菌和真菌可以联手形成“超级有机体”，它们实际上可以长出四肢并在牙齿上爬行甚至跳跃。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1324195.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1324195.htm

科学家揭示水稻从野生到驯化的 10 万年连续演化史

科学家揭示水稻从野生到驯化的10万年连续演化史我国科研团队日前利用植硅体微体化石分析等方法，在浙江上山文化遗址开展水稻起源研究，揭示了水稻从野生到驯化的10万年连续演化史。研究结果表明：早在约10万年前，野生水稻就已在长江下游地区分布；约2.4万年前，人类开始采集并利用野生水稻；约1.3万年前，人类有意或无意地对野生水稻进行驯化前的栽培；约1.1万年前，东亚稻作农业起源。这项研究进一步确认了我国是世界水稻的起源地，有助于更好理解人类社会发展、农业文明起源。相关成果5月24日在国际学术期刊《科学》在线发表。（新华社）

科学家揭示了将振动转化为声音的内耳结构

科学家揭示了将振动转化为声音的内耳结构俄勒冈健康与科学大学(OHSU)的科学家们揭示了内耳的结构，该结构将振动转化为声音。这是几十年来的一项突破，其细节接近于原子结构。这一发现首次揭示了这一基本感官功能背后的分子机制，并为听力损失的研究开辟了令人兴奋的新途径。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1327085.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1327085.htm

科学家以前所未有的"实时"视角揭示大脑的复杂性

科学家以前所未有的"实时"视角揭示大脑的复杂性要掌握这种复杂程度的信息极具挑战性，因此我们必须采用先进的技术，在微观层面上解码大脑内部发生的微小而复杂的相互作用。因此，成像技术成为神经科学领域的关键工具。约翰-丹泽尔（JohannDanzl）在国际科学与技术协会（ISTA）的研究小组开发的新型成像和虚拟重建技术是大脑活动成像技术的一大飞跃，并被恰当地命名为LIONESS-即实时信息优化纳米镜成像技术（LiveInformationOptimizedNanoscopyEnablingSaturatedSegmentation）。LIONESS是一个用于成像、重建和分析活体脑组织的管道，其全面性和空间分辨率是迄今为止无法实现的。a:复杂的神经元环境b:LIONESS可以对样本进行成像和重建，从而阐明活体脑组织中的许多动态结构和功能。资料来源：JohannDanzl"有了LIONESS，我们第一次有可能对活脑组织进行全面、密集的重建。通过对组织进行多次成像，LIONESS让我们能够观察和测量大脑中的动态细胞生物学过程，"第一作者PhilippVelicky说。"输出结果是细胞排列的三维重建图像，时间是第四维，因为样本可以在几分钟、几小时或几天内成像。"LIONESS的优势在于精良的光学技术和构成其核心的两级深度学习（一种人工智能方法）：第一级提高图像质量，第二级识别密集神经元环境中的不同细胞结构。该管道是丹泽尔小组、比克尔小组、乔纳斯小组、诺瓦里诺小组、ISTA科学服务单位以及其他国际合作者的合作成果。"ISTA的约翰-丹兹尔（JohannDanzl）说："我们的方法是组建一个充满活力的科学家小组，他们拥有独特的跨学科综合专长，共同致力于填补脑组织分析领域的技术空白。重建活体脑组织的管道。通过优化的激光聚焦采集显微镜图像--图像处理（DL）--分割（DL）--三维视觉分析。图片来源：JohannDanzl跨越障碍以前可以通过电子显微镜重建脑组织。这种方法根据样本与电子的相互作用对样本进行成像。尽管电子显微镜能捕捉几纳米（百万分之一毫米）分辨率的图像，但它要求样本固定在一种生物状态，需要对样本进行物理切片才能获得三维信息。因此，无法获得动态信息。另一种以前已知的技术是光学显微镜，它可以通过"光学"而不是物理切片来观察活体系统和记录完整的组织体积。然而，由于光波产生图像的特性，光显微镜的分辨率受到严重影响。其最佳分辨率为几百纳米，过于粗糙，无法捕捉脑组织中重要的细胞细节。利用超分辨率光学显微镜，科学家们可以打破这一分辨率障碍。这一领域的最新研究成果被称为"超分辨率阴影成像"（SUSHI，Super-resolutionShadowImaging），它表明，在细胞周围的空间中涂抹染料分子，并应用获得诺贝尔奖的超分辨率技术STED（受激辐射损耗）显微镜，就能显示出所有细胞结构的超分辨率"阴影"，从而将它们在组织中可视化。LIONESS可以对样本进行成像和重建，从而阐明活体脑组织中的许多动态结构和功能。资料来源：朱莉娅-柳奇克（JuliaLyudchikISTA）尽管如此，要想通过提高分辨率来对整个体积的脑组织进行成像，从而与脑组织复杂的三维结构相匹配，这一直是不可能的。这是因为在提高分辨率的同时，还需要对样本进行高负荷的成像光照，这可能会损坏或"损坏"微妙的活体组织。这就是LIONESS的优势所在，根据作者的说法，LIONESS是在"快速、温和"的成像条件下开发的，因此能保持样本的活力。该技术在提供各向同性超分辨率的同时--即在所有三个空间维度上都同样出色--还能以三维纳米级分辨率的细节观察组织的细胞成分。在成像步骤中，LIONESS从样本中收集的信息越少越好。随后进行第一个深度学习步骤，在称为"图像复原"的过程中填充有关脑组织结构的额外信息。通过这种创新方式，它可以实现约130纳米的分辨率，同时又足够温和，可以对活脑组织进行实时成像。这些步骤共同实现了深度学习的第二步，这一次是让极其复杂的成像数据变得有意义，并以自动化的方式识别神经元结构。ISTA科学家约翰-丹兹尔（JohannDanzl）在奥地利科技研究所的实验室中。图片来源：NadinePoncioniISTA定位Danzl说："跨学科的方法使我们能够打破解析力和活体系统光照的相互交织限制，使复杂的三维数据变得有意义，并将组织的细胞结构与分子和功能测量结合起来。"在虚拟重建方面，Danzl和Velicky与视觉计算专家合作：ISTA的Bickel小组和哈佛大学HanspeterPfister领导的小组，他们在自动分割（自动识别组织中的细胞结构的过程）和可视化方面贡献了自己的专业知识，ISTA的图像分析科学家ChristophSommer也提供了进一步的支持。在复杂的标记策略方面，来自爱丁堡、柏林和国际科学与技术机构的神经科学家和化学家也做出了贡献。因此，在同一活体神经元回路中进行功能测量（即读出细胞结构和生物信号活动）成为可能。这项工作是通过与ISTA的Jonas小组合作，对进入细胞的钙离子通量进行成像并测量细胞电活动来完成的。小组提供了人脑有机体，这种有机体通常被昵称为迷你大脑，可以模拟人脑的发育过程。作者强调，所有这一切都得益于ISTA顶尖科学服务部门的专业支持。大脑的结构和活动是高度动态的；其结构随着大脑执行和学习新任务而不断演变。大脑的这一特性通常被称为"可塑性"。因此，观察大脑组织结构的变化对于揭开其可塑性背后的秘密至关重要。国际科学与技术协会开发的新工具通过揭示亚细胞结构并捕捉这些结构如何随时间发生变化，显示出了解脑组织以及其他潜在器官功能结构的潜力。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382361.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382361.htm