科学家通过研究古代基因组寻找潜在的抗生素 让灭绝的分子重获新生

科学家通过研究古代基因组寻找潜在的抗生素让灭绝的分子重获新生机器生物学小组将人工智能与先进的实验方法相结合，从远古时代挖掘未来医学的突破口，让已经灭绝的分子重获新生图片来源：EllaMarushchenkoCesardelaFuente说："在抗生素研究方面，我们需要有大局观。每年有100多万人死于耐药性感染，预计到2050年将达到1000万人。几十年来，还没有出现过真正意义上的新型抗生素，而我们解决这个问题的人又太少，所以我们需要考虑的不仅仅是新药。我们需要新的框架。"DelaFuente是宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院生物工程系和化学与生物分子工程系的总统助理教授。他还在佩雷尔曼医学院的精神病学和微生物学担任主要职务。他的实验室，即机器生物学小组，利用工程和健康科学领域的强大合作关系创建了这些新框架，借助"机器的力量加速生物学和医学的发现"。该小组将人工智能与先进的实验方法相结合，从远古时代挖掘未来的医学突破。在最近发表在《细胞宿主与微生物》（CellHostandMicrobe）杂志上的一项研究中，研究小组开创了"分子灭绝"领域。我们的基因组--我们的遗传物质以及我们远古祖先的基因组都表达了具有天然抗菌特性的蛋白质。根据"分子灭绝"的假设，这些分子可能是安全新药的主要候选分子。这些分子是通过进化自然产生和选择的，与仅使用人工智能进行分子发现相比，它们具有广阔的前景。在这篇论文中，研究小组探索了两种已灭绝生物--尼安德特人（Neanderthals）和丹尼索瓦人（Denisovans）--的蛋白质组表达，发现了数十种具有抗生素特性的小蛋白质序列。随后，他们的实验室致力于合成这些分子，让这些早已消失的化学物质重获新生。delaFuente说："计算机为我们提供了氨基酸序列。这些是构成肽（一种小型蛋白质）的基石。然后，我们可以用一种叫做'固相化学合成'的方法制造这些分子。我们将氨基酸配方转化为实际分子，然后构建它。"接下来，研究小组将这些分子应用于培养皿和小鼠体内的病原体，以检验其计算预测的真实性和有效性。delaFuente继续说："那些起作用的分子效果相当好。在两种情况下，这些多肽的效果与标准疗法不相上下，甚至更好。那些不起作用的肽帮助我们了解了人工智能工具需要改进的地方。我们认为，这项研究打开了通往抗生素和药物发现新思路的大门，而这第一步将使科学家们能够以越来越高的创造力和精确度进行探索。"这一新的研究领域尤为丰富。除了为药物发现提供一个全新的框架外，他们的工作还对我们的免疫系统产生了意想不到的洞察力。值得注意的是，其中一些肽序列以前并不知道在免疫系统中起什么作用。事实上，研究小组之前的研究已经表明，他们发现的一些抗菌分子隐藏在与体内完全不同的系统和功能相关的蛋白质中。让人感到惊讶的是，实验室在人体的各个系统--心血管、神经、消化当中都发现了序列，之前没有意识到的是，在某一系统中发挥作用的蛋白质或肽也可能对整个免疫系统有贡献。生物学的传统观点认为，一个基因编码一种蛋白质，每种蛋白质具有一种功能。但研究小组和他们才华横溢的合作者发现，一种蛋白质可以具有多种功能。delaFuente说："我们正在开辟一条全新的途径，来了解我们的身体是如何预防和对抗疾病的。我们正在与生物伦理学家讨论让遗传物质复活意味着什么。我们这样做是为了医学，但如果其他人复活了有毒或有害的东西呢？我们还在与专利律师合作。目前的多肽序列依法不能申请专利。但我们从已灭绝的生物体中重新创造的肽序列呢？"宾夕法尼亚大学工程学研究团队在确定了这些分子的去灭绝性之后，现在正在深思熟虑地探索复活过去的后果。一个简单的分子，几千年前就已存在，却依然活着--而且正在帮助我们提出以前从未提出过的问题。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1378517.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1378517.htm

科学家发明独特方法 可以制造更好的分子磁铁

科学家发明独特方法可以制造更好的分子磁铁科学家们开发出一种新方法，利用双配位镧系元素复合物生产出改进型单分子磁体（SMM）。这一进展为高密度存储、量子计算和微型化存储设备带来了潜力。"我们的发现为制造基于分子的新型分子电子材料提供了指导。"MuraleeMurugesu-渥太华大学理学院教授。资料来源：渥太华大学镧系元素离子喜欢用许多有机配体包围自己，以稳定和填充它们的配位层。但由于采用了新颖的配体设计和合成方法，渥太华大学的科学家们不仅成功地分离出了稀有而珍贵的双配位物种，而且有史以来第一次揭示了巨大的能级分离，正如理论所预测的那样。这个复合体是一项合成成就，显示了这些分子令人难以置信的潜力。这项研究是在渥太华大学化学和生物分子科学系进行的，由理学院全职教授穆拉里-穆鲁格苏领导，芬兰奥卢大学的阿克塞利-曼西卡马基教授、渥太华大学博士后研究员迪奥戈-A-加利科（DiogoA.Gálico）和亚历山大-A-基托斯（AlexandrosA.Kitos）以及博士生迪伦-埃鲁拉特（DylanErrulat）和凯蒂-L-M-哈里曼（KatieL.M.Harriman）合作完成。"我们已经展示了非常令人兴奋的结果，首次证实了之前的理论预测，同时也提供了一种合成方法来制造更好的分子磁体。这些磁体对于制造更小、更快的存储设备和量子计算机非常有用，因为它们具有纳米级尺寸和特殊的量子特性，如磁化的量子隧道或量子相干性，"穆鲁格苏教授说。"我们利用CFI资助的设备，在10开尔文以下的超低温条件下测量了复合物的磁性和发光特性。这些测量结果向我们展示了复合物错综复杂的电子结构。我们还与芬兰奥卢大学的Mansikkamäki教授合作，通过计算研究证实了我们的发现。"自2007年以来，渥太华大学的Murugesu小组一直在研究能够在分子水平上存储和处理信息的单分子磁体（SMM）。这种备受期待的材料有望节省能源和空间，使电子产品更快更好，从而改变数据存储方式，开创分子电子产品的新时代。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382619.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382619.htm

"进化之窗" - 数学家发现了分子相互作用的通用解释框架

"进化之窗"-数学家发现了分子相互作用的通用解释框架新发现的基本的分子级设计原则有助于将生物系统中的重要分子维持在狭窄的浓度范围内，从而促进了稳健性和生存。这项突破性的研究为理解稳健的完美适应（RPA）提供了一个通用的框架，并可能导致在解决诸如癌症耐药性、成瘾和自身免疫性疾病等个性化医学挑战方面的新方法。阿劳霍博士说："我们的研究考虑了一个被称为稳健完美适应（RPA）的过程，在这个过程中，从单个细胞到整个生物体，尽管不断受到系统干扰的轰击，但仍将重要分子保持在狭窄的浓度范围内。""直到现在，没有人有一个一般性的方法来解释这一重要过程是如何在分子水平上通过不同类型的分子（主要是蛋白质）之间巨大的、复杂的、经常是高度错综复杂的化学反应网络来协调的。我们现在已经解决了这个问题，发现了基本的分子水平设计原则，这些原则将所有形式的生物复杂性组织成促进稳健性的，并最终促进生存的化学反应结构。"研究人员发现生物系统中相互作用的分子集合不能简单地'传输'生化信号，而是必须实际对这些信号进行'计算'。"这些复杂的分子间相互作用必须实现一种特殊的调节类型，被称为整体控制--这是工程师们近一个世纪以来知道的设计策略。然而，自然界的信号网络有很大的不同，已经进化到依靠离散分子之间的物理相互作用。因此，自然界的'解决方案'是通过非凡的、高度复杂的相互作用集合来运作的，没有工程上专门设计的、整体计算的组件，而且往往没有反馈回路。我们的研究表明，分子网络结构使用了一种积分控制的形式，其中多个独立的积分，每个都有一个非常特殊和简单的结构，可以合作赋予特定分子适应的能力。""使用基于这一发现的代数算法，我们已经能够证明在生物学上重要的化学反应网络中存在嵌入式积分，其表现出的适应能力以前从未能用任何系统方法来解释。"Liotta教授说，对揭示整个自然界中生物系统的基本设计原则的探索被认为是生命科学中最重要和意义深远的大挑战之一。"在这项突破性的新研究的基础上，RPA目前作为一种关键的生物反应而独树一帜，现在对它存在一个普遍的解释框架。这是一个对任意大而复杂的网络施加严格和不可侵犯的设计标准的框架，也是一个现在能说明网络微观尺度上复杂的分子间相互作用的微妙之处。在实践层面上，这一发现可以提供一种全新的方法来解决个性化医学中的巨大挑战，如癌症耐药性、成瘾和自身免疫性疾病。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1358523.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1358523.htm

科学家揭开尿素在生命起源中的秘密角色

科学家揭开尿素在生命起源中的秘密角色研究人员开发出一种观察液体中化学反应的新方法，揭示了涉及尿素等分子的反应，这些分子可能促成了地球生命的出现。这项技术涉及一种能产生细小液体射流的特殊仪器和X射线光谱学，使科学家们能够研究在短短飞秒内发生的反应。这一突破是在苏黎世联邦理工学院物理化学教授汉斯-雅各布-沃纳（HansJakobWörner）领导的同一研究小组先前研究的基础上取得的。这项工作针对在气体环境中发生的反应得出了类似的结果。为了将X射线光谱观测扩展到液体，研究人员必须设计一种仪器，能够在真空中产生直径小于一微米的液体射流。这一点至关重要，因为如果射流再宽一些，就会吸收部分用于测量的X射线。利用这种新方法，研究人员得以深入了解地球上生命出现的过程。许多科学家认为，尿素在其中发挥了关键作用。尿素是含有碳和氮的最简单分子之一。更重要的是，尿素极有可能在地球非常年轻的时候就已经存在，20世纪50年代的一项著名实验也表明了这一点：美国科学家斯坦利-米勒（StanleyMiller）调制了一种据信构成地球原始大气层的气体混合物，并将其暴露在雷暴条件下。这产生了一系列分子，其中之一就是尿素。根据目前的理论，尿素可能已经富集在当时没有生命的地球上的温暖水坑中--通常称为原始汤。随着汤中水分的蒸发，尿素的浓度也随之增加。在宇宙射线等电离辐射的作用下，这些浓缩的尿素有可能经过多个合成步骤产生丙二酸。反过来，这可能产生了RNA和DNA的组成元素。苏黎世联邦理工学院和日内瓦大学的研究人员利用他们的新方法，研究了这一长串化学反应的第一步，以找出浓缩尿素溶液在电离辐射下的表现。要知道，浓尿素溶液中的尿素分子会自行成对，即所谓的二聚体。研究人员现在已经能够证明，电离辐射会导致每个二聚体中的一个氢原子从一个尿素分子移动到另一个。这样，一个脲分子就变成了质子化的脲分子，而另一个脲分子则变成了脲自由基。后者具有很高的化学反应活性--事实上，它的反应活性非常高，很有可能与其他分子发生反应，从而形成丙二酸。研究人员还设法证明，氢原子的这种转移发生得非常快，大约只需要150飞秒，即150四十亿分之一秒。Wörner说："这个反应速度如此之快，以至于理论上可能发生的所有其他反应都会被这个反应所取代。这就解释了为什么浓缩尿素溶液会产生尿素自由基，而不是承载会产生其他分子的其他反应。"Wörner和他的同事们希望研究导致丙二酸形成的下一个步骤，希望这将有助于他们了解地球生命的起源。至于他们的新方法，一般也可用于研究液体中化学反应的精确顺序。"一系列重要的化学反应都发生在液体中，不仅包括人体中的所有生化过程，还包括与工业相关的大量化学合成，"沃纳说。"这就是为什么我们现在扩大了高时间分辨率X射线光谱的范围，将液体中的反应也包括在内，这一点非常重要"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382767.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382767.htm

科学家找到让红外线在室温下可见的新方法

科学家找到让红外线在室温下可见的新方法研究人员开发出一种名为MIRVAL的方法，可在室温下将中红外光子转换为可见光子，从而实现单分子光谱学，并在气体传感、医疗诊断、天文学和量子通信领域得到广泛应用。在使用量子系统的新方法中，研究小组利用分子发射器将低能量的近红外光子转换为高能量的可见光光子。这项新的创新有能力帮助科学家在室温下检测中红外，并在单分子水平上进行光谱分析。伯明翰大学助理教授、该研究的第一作者RohitChikkaraddy博士解释说："分子中保持原子间距的键会像弹簧一样振动，这些振动会产生非常高的共振频率。这些弹簧可以被人眼不可见的中红外光激发。在室温下，这些弹簧是随机运动的，这意味着探测中红外光的一大挑战就是要避免这种热噪声。现代探测器依赖于冷却半导体器件，这些器件耗能高、体积大，但我们的研究提出了一种在室温下探测这种光的令人兴奋的新方法"。这种新方法被称为中红外振动辅助发光（MIRVAL），使用的分子具有中红外光和可见光两种功能。研究小组能够将分子发射器组装成一个非常小的等离子腔体，该腔体在中红外和可见光范围内都能产生共振。他们进一步设计了这种腔体，使分子振动态和电子态能够相互作用，从而将中红外光有效地转化为增强的可见光。Chikkaraddy博士继续说道："最具挑战性的方面是将三种截然不同的长度尺度--数百纳米的可见光波长、小于一纳米的分子振动和上万纳米的中红外波长--整合到一个平台中，并将它们有效地结合在一起。"研究人员通过创建皮腔--由金属面上的单原子缺陷形成的捕获光的难以置信的小空腔--能够实现低于一立方纳米的极端光约束体积。这意味着研究小组可以将中红外光限制在单个分子的范围内。这一突破能够加深人们对复杂系统的理解，并打开通往红外活性分子振动的大门，而在单分子水平上通常是无法实现的。但事实证明，除了纯粹的科学研究之外，MIRVAL还能在许多领域发挥作用。Chikkaraddy博士总结道："MIRVAL可以有多种用途，如实时气体传感、医疗诊断、天文观测和量子通信，因为我们现在可以看到单个分子在MIR频率下的振动指纹。能够在室温下探测近红外，意味着探索这些应用和在这一领域开展进一步研究变得更加容易。通过进一步改进，这种新方法不仅可以应用于塑造未来近红外技术的实用设备中，而且还能释放出连贯操纵分子量子系统中'带弹簧的球'原子错综复杂的相互作用的能力"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380635.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1380635.htm

科学家发现地球生命的潜在星际起源

科学家发现地球生命的潜在星际起源在地球上出现生命之前，基本的有机分子是由氮、硫、碳和磷等稀缺元素形成的。新的研究表明，富含这些元素的宇宙尘埃可能通过在地球上，特别是在冰原融洞中的高浓度积累，启动了前生物化学，从而有可能导致生命组成元素的形成。资料来源：NASA/JPL-Caltech事实上，生命的基本组成元素是如此稀少，以至于化学反应很快就会耗尽，如果它们真的能够进行的话。地球组成岩石的侵蚀和风化等地质过程也无法确保充足的供应，因为地壳中包含的这些元素实在太少了。尽管如此，在地球历史的前5亿年里，发生了一种前生物化学反应，产生了诸如RNA、DNA、脂肪酸和蛋白质等有机分子，所有生命都是在这些有机分子的基础上诞生的。所需数量的硫、磷、氮和碳从何而来？地质学家、诺米斯研究员克雷格-沃尔顿坚信，这些元素主要是以宇宙尘埃的形式来到地球的。这些尘埃是在太空中产生的，例如当小行星相互碰撞时。即使在今天，每年仍有约3万吨尘埃从太空落到地球上。然而，在地球诞生的早期，尘埃的数量要大得多，每年高达数百万吨。然而，最重要的是，尘埃粒子含有大量的氮、碳、硫和磷。因此，它们有可能引发化学级联反应。然而，灰尘的散布范围很广，在任何一个地方都只能发现极少量的灰尘，这一事实与上述说法相悖。沃尔顿说："但如果把运输过程包括在内，情况就会不同。风、雨或河流在大范围内收集宇宙尘埃，并以浓缩的形式沉积在某些地方。"澄清问题的新模式为了弄清宇宙尘埃是否可能是启动前生物化学（反应）的源头，沃尔顿与剑桥大学的同事们一起建立了一个模型。研究人员利用该模型模拟了在地球历史的最初5亿年里，有多少宇宙尘埃落到了地球上，以及这些尘埃可能在地球表面的哪些地方积聚。他们的研究现已发表在科学杂志《自然-天文学》上。该模型是与剑桥大学的沉积专家和天体物理学家合作开发的。英国研究人员专门从事行星和小行星系统的模拟研究。模拟显示，早期地球上可能存在宇宙尘埃浓度极高的地方。而且，来自太空的补给源源不断。然而，地球形成后，尘埃雨迅速锐减：5亿年后，尘埃流比零年小了一个数量级。研究人员将偶尔出现的上升高峰归因于小行星碎裂并向地球发送了尘埃尾流。冰原上的融化洞是尘埃陷阱大多数科学家和普通人都认为，地球被岩浆海洋覆盖了数百万年；这将在很长一段时间内阻止宇宙尘埃的迁移和沉积。沃尔顿说："然而，最近的研究发现，有证据表明地球表面冷却和凝固的速度非常快，并形成了大面积的冰原。"根据模拟结果，这些冰原可能是宇宙尘埃积聚的最佳环境。冰川表面的融化孔--即所谓的冷冻孔--不仅会使沉积物积聚，也会使来自太空的尘粒积聚。随着时间的推移，尘埃粒子中释放出相应的元素。当它们在冰川水中的浓度达到临界值时，化学反应就会自动开始，从而形成有机分子，这就是生命的起源。即使在熔洞冰冷的温度下，化学过程也有可能开始进行。沃尔顿说："低温并不会破坏有机化学，相反，低温下的反应比高温下的反应更有选择性和特异性。其他研究人员已经在实验室中证明，简单的环形核糖核酸（RNA）会在冰点附近的温度下自发地在这种融水汤中形成，然后进行自我复制。该论点的一个弱点可能是，在低温条件下，形成有机分子所需的元素只能非常缓慢地从尘埃粒子中溶解出来。"启动关于生命起源的辩论沃尔顿提出的理论在科学界并非没有争议。这项研究肯定会引发一场有争议的科学辩论，但它也会引发关于生命起源的新观点。早在18和19世纪，科学家们就确信陨石将沃尔顿所说的"生命元素"带到了地球。即使在当时，研究人员也在来自太空的岩石中发现了大量这些元素，但在地球的基岩中却没有发现。沃尔顿说："然而，从那时起，几乎没有人考虑过前生物化学主要是由陨石引发的这一观点。"沃尔顿解释说："陨石的想法听起来很有吸引力，但有一个问题。一块陨石只能在有限的环境中提供这些物质；陨石撞击地面的位置是随机的，而且无法保证进一步的供应。我认为，生命的起源不太可能依赖于几块广泛而随机散落的岩石。"另一方面，我认为富集的宇宙尘埃是一个可信的来源。"沃尔顿的下一步将是通过实验检验他的理论。在实验室中，他将使用大型反应容器来重现原始熔洞中可能存在的条件，然后将初始条件设定为40亿年前低温熔洞中可能存在的条件，最后再观察是否真的发生了产生生物相关分子的化学反应。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428240.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428240.htm