Warum sind Bärtierchen so robust? Neue Forschung enthüllt sein „einzigartiges Geheimnis“ | Wissenschafts- und Technologiewoche

Zusammengestellt von Zhou Shuyi und Wang Xiang

Warum sind Bärtierchen so robust? Neue Forschung enthüllt seinen Strahlungstoleranzmechanismus

Vom Weltraum bis zu hydrothermalen Quellen in der Tiefsee haben Bärtierchen eine erstaunliche Fähigkeit bewiesen, in extremen Umgebungen zu überleben. In einer am 25. Oktober in Science veröffentlichten Studie enthüllten chinesische Wissenschaftler die Multi-Omics-Eigenschaften der Toleranz von Bärtierchen gegenüber ultrastarker Strahlung und die komplexen molekularen Mechanismen, die dieser Toleranz zugrunde liegen. Diese Entdeckung bereichert nicht nur unser Verständnis der Biologie extremer Umgebungen, sondern bietet auch eine neue Perspektive für die zukünftige Entwicklung der Biotechnologie und Medizin.

Bärtierchen ist die gebräuchliche Bezeichnung für Bärtierchen, eine Art wirbelloser Wassertiere mit sehr kleinem Körper, die meist nicht länger als 1 mm sind. Es ist auf der ganzen Welt verbreitet, unter anderem in der Arktis, den Tropen, der Tiefsee und heißen Quellen, und kann einer Vielzahl extremer Bedingungen standhalten, wie etwa ultrastarker Strahlung, hohen Temperaturen, hohem Druck, niedrigen Temperaturen, Trockenheit und sogar der Vakuumumgebung des Weltraums.

Eine neue Studie berichtet über eine neue Bärtierchenart, Hypsibius henanensis, die bis zu 5000 Gy Gammastrahlen aushalten kann (die tödliche Dosis für den Menschen liegt bei etwa 5 Gy). Die Forscher richteten ein Laborkultursystem ein und erstellten eine hochwertige Genomkarte (112,6 M, mit 14.701 annotierten proteinkodierenden Genen, die gleichmäßig auf 6 Chromosomen verteilt sind). Sie waren die ersten weltweit, die die dynamischen Veränderungen des Transkriptoms und Proteoms als Reaktion auf ultrastarke Strahlung integrierten und mit der molekularen Evolution und der Analyse funktioneller Eigenschaften kombinierten, um den molekularen Mechanismus aufzudecken, durch den der schnell wachsende Bärenwurm von Henan ultrastarke Strahlung verträgt.

Berichten zufolge haben Forscher auf Grundlage von 2.801 durch Omics-Analysen gewonnenen unterschiedlich exprimierten Genen die Mechanismen der Strahlungstoleranz in drei Kategorien eingeteilt: Die eine sind fremde Gene, die horizontal von Bakterien, Pilzen und Pflanzen auf Bärtierchen übertragen werden und ihnen eine besondere Stressresistenz verleihen, beispielsweise durch die Produktion von Betain mit starker antioxidativer Wirkung, wodurch Strahlenschäden verringert werden; Insgesamt wurden in dieser Studie 75 hochzuverlässige verwandte Gene identifiziert, von denen 13 nach der Bestrahlung signifikant hochreguliert waren. Zweitens sind etwa 30 % der Gene im Bärtierchen-Genom bärtierchenspezifisch, und bärtierchenspezifische Proteine ​​neigen dazu, stark ungeordnet zu sein und sind an Prozessen wie der Reparatur von DNA-Schäden durch Phasentrennung beteiligt. Drittens weisen Bärtierchen besondere Strahlungsreaktionsmuster auf, da sie alte Proteine ​​haben, die sie mit anderen Stämmen teilen (wie etwa Proteine ​​zur Assemblierung der mitochondrialen Atmungskette).

Es ist erwähnenswert, dass die Studie ergab, dass diese Moleküle, die bei Bärtierchen eine strahlenabweisende Wirkung haben, deren Fähigkeit zur Strahlenabwehr deutlich steigern können, wenn sie in menschliche Zellen übertragen werden. Dies lässt darauf schließen, dass sie einen wichtigen potenziellen Anwendungswert haben und bietet eine theoretische Grundlage für die Entwicklung einer „goldenen Glocke“, die Schäden durch ultrastarke Strahlung widersteht.

Strahlenschäden im Weltraum sind eines der größten medizinischen Probleme, das die menschliche Erforschung des Weltraums und den langfristigen Aufenthalt im Orbit einschränkt. Darüber hinaus sind viele nuklearbezogene Betriebsumgebungen durch ultrastarke Strahlung ernsthaft gefährdet. He Fuchu, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Direktor des Nationalen Schlüssellabors für Medizinische Proteomik, sagte, dass die Erforschung der Stressresistenzmechanismen extremer Lebensformen wie Bärtierchen das menschliche Verständnis der grundlegenden Aufbauprinzipien und Funktionsmechanismen von Lebenssystemen auf den neuesten Stand bringen und die Tür zu einem umfassenden Verständnis der Mechanismen der Strahlungstoleranz öffnen könne.

Mithilfe der Epigenetik Fotos in der DNA speichern

Im Zeitalter von Big Data stellt die Datenflut die Speichertechnologie vor große Herausforderungen. DNA-Moleküle verfügen über eine ultrahohe Datenspeicherdichte und eine ultralange Lebensdauer und sind zu einem mit Spannung erwarteten bahnbrechenden Speichermedium geworden. Die herkömmliche DNA-Speicherung beruht jedoch auf der Methode der „De-novo-Synthese“ zur Informationsspeicherung, was offensichtliche Nachteile hinsichtlich Kosten und Geschwindigkeit mit sich bringt. Eine am 23. Oktober in Nature veröffentlichte Studie schlug eine DNA-Speicherstrategie vor, die keine Neusynthese erfordert, eine effiziente und kostengünstige DNA-Speicherung im großen Maßstab ermöglicht und eine neue Idee für die Entwicklung praktischer DNA-Speichertechnologien in der Zukunft liefert.

Der von den Forschern entwickelte „Epi-Bit“-DNA-Speicher verwendet vorgefertigte DNA-Vorlagen und molekulare bewegliche Typenblöcke, um molekulare Informationen durch DNA-Selbstassemblierung vermittelten molekularen Informationssatz und selektive enzymatische Methylmodifikationsübertragung zu setzen und so den Informationsdruck im „Moving Type Printing“ auf molekularer Ebene zu erreichen. Es gelang ihnen, hochauflösende Bilder der Dachziegel des „Weißen Tigers“ aus der chinesischen Han-Dynastie und des Großen Pandas „Feiyun“ mit einem Datenvolumen von mehr als 275.000 Bits in DNA-Moleküle zu schreiben. Im Vergleich zu anderen, bisher veröffentlichten nicht-traditionellen DNA-Speichertechnologien hat sich der Datenumfang um mehr als das 300-fache erhöht. Beim Informationslesen wird ein tragbarer Nanoporensequenzer verwendet, um ein Hochdurchsatzlesen komplexer epigenetischer Bitinformationen auf DNA-Vorlagen zu erreichen, und die Originaldaten werden durch die parallele Analyse von mehr als 240 verschiedenen Modifikationsmustern in einem einzigen Durchgang verlustfrei wiederhergestellt. Die experimentellen Ergebnisse bestätigten die Machbarkeit und Genauigkeit dieser innovativen molekularen Speichertechnologie und zeigten auch die Stabilität der scheinbaren Bits.

Groß angelegte Analyse der Speicherung epigenetischer DNA und der Ausleseergebnisse. |PKUCQB

Es ist erwähnenswert, dass die neue Forschung auch das Anwendungspotenzial dieser Technologie für verteilte Speicherung demonstriert. Das Team lud 60 junge Freiwillige mit unterschiedlichem Hintergrund ein, ihre privaten Daten in einer nicht professionellen Umgebung (normales Klassenzimmer) von Hand in DNA zu schreiben. Erst durch die Sequenzierung konnten die relevanten Daten interpretiert werden. Diese Methode der verteilten DNA-Speicherung senkt nicht nur die Nutzungsschwelle für die DNA-Speicherung erheblich, sondern gewährleistet auch den Datenschutz und dürfte die private Anwendung der DNA-Speicherung fördern.

„Das Stapeldrucken von Informationen auf ein leeres DNA-Blatt stellt einen wichtigen technologischen Durchbruch bei der DNA-Speicherung dar, verglichen mit der traditionellen Methode der ‚De-novo-Synthese‘, bei der molekulare Informationsbits einzeln hinzugefügt werden“, sagte Qian Long, Autor des Artikels und Forscher an der Peking-Universität. „In Zukunft wird jeder überall und jederzeit in der Lage sein, DNA-Daten einfach, präzise und effizient zu speichern, ohne auf große experimentelle Instrumente angewiesen zu sein. Gleichzeitig werden durch die Kombination vielfältigerer Basenmodifikationen, Basenanaloga und präziserer Sequenzierungstechnologien Umfang und Zuverlässigkeit der Epi-Bit-DNA-Speicherung weiter verbessert.“

Sie erfanden das erste Rad vor 6.000 Jahren

Niemand weiß, wer das Rad erfunden hat, und niemand weiß, wann das erste Rad gebaut wurde. Viele Historiker vermuten, dass das Rad in verschiedenen Teilen der Welt und zu unterschiedlichen Zeiten der Geschichte immer wieder unabhängig voneinander erfunden wurde. Frühere Studien haben gezeigt, dass das Rad bereits 3000 v. Chr. weltweit weit verbreitet war.

Eine am 23. Oktober in Royal Society Open Science veröffentlichte Studie legt nahe, dass die Erfindung und Verwendung des Rades ihren Ursprung in einer Kupfermine in Osteuropa haben könnte. Vor etwa 6.000 Jahren nutzten Bergleute in den Kupferminen der Karpaten die ältesten bekannten Räder, um Erz aus den Tiefen der Minen zu transportieren.

Archäologen haben an Ausgrabungsstätten in der Karpatenregion Osteuropas mehr als 150 wagenförmige Keramikgefäße entdeckt, bei denen es sich vermutlich um zeremonielle Trinkbecher handelte. Die Kohlenstoff-14-Datierung zeigt, dass es spätestens 3600 v. Chr. hergestellt wurde. Untersuchungen legen nahe, dass die Inspiration für die Idee die kleinen Karren mit Rädern waren, mit denen Erz in Bergwerkstunneln transportiert wurde. Auf der Grundlage einer computergestützten Strukturmechanikanalyse und mithilfe der Topologieoptimierung simulierten und rekonstruierten die Forscher die mögliche Evolutionsgeschichte des Rades. Sie schlagen vier mögliche Stufen der Radentwicklung vor: Die erste sind frei rollende zylindrische Rollen (die in der Studie als „freie Rollen“ bezeichnet werden), wie beispielsweise ein Baumstamm, von dem Äste entfernt wurden. Man hat festgestellt, dass das Rollen mit einer Rolle die Reibungsableitung verringern und so Kraft sparen kann. Allerdings ist bei dieser Methode ein ständiges Nachfüllen der verbrauchten Walzen nach vorne erforderlich, was in engen Minen nur schwer möglich ist. Also nahmen die Bergleute Verbesserungen vor und das Rad erreichte seine zweite Stufe: Die Rolle wurde mit Rillen versehen, damit sich die Rolle mit der Ladung vorwärts bewegen konnte und so einen „Wagen“ bildete.

Die Evolution des Rad- und Achssystems. | Offene Wissenschaft der Royal Society

In der dritten Stufe wird der Mittelteil der Trommel dünner und wird zum Prototyp der Achse. Die Studie spekuliert, dass dies dazu dienen könnte, die Passierbarkeit zu verbessern und Hindernisse besser zu überwinden. In diesem Stadium sind Achse und Rad relativ fest und bilden eine Einheit. In der vierten Stufe können sich die Räder unabhängig von der Achse drehen, wodurch sich die äußeren Räder beim Wenden schneller drehen können als die inneren Räder, was die Lenkleistung verbessert. Computersimulationen haben gezeigt, dass die Rad-Achs-Verbindung eines starren Radsatzes einer höheren Belastung ausgesetzt und anfälliger für Schäden ist. Untersuchungen zeigen, dass Minengänge künstlich in geraden Linien gebaut werden können und keine große Lenkleistung erfordern. Der bewegliche Radsatz wurde etwa 500 Jahre nach der Erfindung des festen Radsatzes erfunden.

Sie können nicht auf Kohlenhydrate verzichten? Es kann an den Genen der Vorfahren liegen

Wenn Sie der Versuchung von Nudeln und Reis nur schwer widerstehen können, kann es sein, dass Ihre alte DNA am Werk ist. Eine am 17. Oktober in Science veröffentlichte Studie zeigt, dass die erste Duplikation des Speichelamylase-Gens (AMY1) beim Menschen vor mehr als 800.000 Jahren stattgefunden haben könnte, lange vor dem Aufkommen der Landwirtschaft. Dadurch konnten die frühen Menschen die Stärke in der Nahrung effizienter abbauen, was ihnen einen Vorteil bei der Anpassung an stärkehaltige Nahrungsmittel verschaffte.

Wissenschaftler wissen seit langem, dass die meisten modernen Menschen mehrere Kopien von AMY1 besitzen, das uns beim Kauen dabei hilft, Stärke aufzuspalten. Je mehr Kopien von AMY1 ein Mensch besitzt, desto stärker ist seine Fähigkeit zur Amylase-Sekretion und desto mehr Kalorien kann er aus stärkehaltigen Lebensmitteln gewinnen. Allerdings fiel es den Wissenschaftlern schwer, festzustellen, wann und wie sich die Anzahl der Genkopien im menschlichen Körper vermehrte.

Um die frühe Duplikation von AMY1 zu verfolgen, verwendeten die Forscher optische Genomkartierung und Long-Read-Sequenzierung (LRS), um 68 alte menschliche Genome zu analysieren, darunter eine 45.000 Jahre alte Probe aus Sibirien. Die Studie ergab, dass bereits in der Zeit der Jäger und Sammler vor der Ära der Landwirtschaft jede normale menschliche Zelle (diploide Zelle) vier bis acht Kopien von AMY1 besaß. Dies deutet darauf hin, dass der Mensch schon lange bevor er Pflanzen domestizierte und große Mengen Stärke konsumierte, mehrere Kopien von AMY1 in sich trug und in Eurasien aktiv war.

Die Studie ergab außerdem, dass Neandertaler und Denisova-Menschen mehrere Kopien von AMY1 besaßen. Dies legt die Vermutung nahe, dass sich AMY1 möglicherweise erstmals vor mehr als 800.000 Jahren dupliziert hat, also bevor sich der moderne Mensch vom Neandertaler abspaltete und viel früher als bislang angenommen. Die Studie legt nahe, dass die anfängliche Replikation von AMY1 wie die „erste Welle“ in einem Teich war, eine evolutionäre Chance für den Menschen schuf und unsere Spezies prägte. Als die Menschen an verschiedene Orte migrierten und sich an unterschiedliche Lebensstile anpassten, boten Variationen in der Anzahl der AMY1-Kopien den Menschen einen Vorteil bei der Anpassung an neue Ernährungsweisen, insbesondere an stärkehaltige Nahrungsmittel. Darüber hinaus hat die durchschnittliche Anzahl der AMY1-Kopien bei europäischen Bauern in den letzten 4.000 Jahren deutlich zugenommen. Dies könnte damit zusammenhängen, dass eine stärkereiche Ernährung Individuen mit mehr AMY1-Kopien einen evolutionären Vorteil verschaffte.

Die Forscher sagen, dass Individuen mit mehr Kopien von AMY1 Stärke effizienter verdauen und dazu neigen, mehr Nachkommen zu haben. Studien zur Variation der AMY1-Kopienzahl werden dazu beitragen, deren Auswirkungen auf die Stoffwechselgesundheit zu erforschen und unser Verständnis von Mechanismen wie der Stärkeverdauung und dem Glukosestoffwechsel zu vertiefen.

Von Boeing gebauter Satellit zerfällt im Weltraum

Der Satellit Intelsat 33e (IS-33e) der International Communications Satellite Corporation (Intelsat) ist vor Kurzem im Weltraum auseinandergebrochen und hat dabei eine große Menge an Trümmern hinterlassen. Das Unternehmen sagte, es stimme sich mit dem Satellitenhersteller Boeing und den zuständigen Behörden ab, um die Ursache für den Satellitenzerfall zu analysieren.

Berichten zufolge wurde der Satellit von Boeing entworfen und hergestellt, im August 2016 gestartet und im Januar 2017 in Betrieb genommen. Er soll hauptsächlich Kommunikationsdienste für Nutzer in Europa, Afrika und Teilen des asiatisch-pazifischen Raums bereitstellen. Die ursprünglich geschätzte Lebensdauer des Satelliten betrug 15 Jahre.

In einer am 19. Oktober auf der Website der International Telecommunications Satellite Corporation veröffentlichten Mitteilung hieß es, dass beim Satelliten IS-33e ein anormaler Zustand aufgetreten sei, der zur Unterbrechung des Satellitendienstes geführt habe. In einer aktualisierten Mitteilung vom 21. hieß es, der Satellit sei „vollständig verloren“. Das Unternehmen arbeitet mit Boeing und den zuständigen US-Behörden zusammen, um relevante Daten und Beobachtungen zu analysieren. Das Unternehmen erklärte, es stehe seit dem Auftreten der Satellitenanomalie mit betroffenen Kunden und Partnern in Kontakt und die unterbrochenen Dienste seien auf andere vom Unternehmen betriebene Satelliten oder auf Satelliten Dritter übertragen worden.

Einige Medien berichteten, dass der Satellit sehr wertvoll sei und dass die International Communications Satellite Corporation aufgrund eines technischen Defekts des Satelliten eine Versicherungsentschädigung in Höhe von 78 Millionen US-Dollar gefordert habe. Doch Berichten zufolge war der Satellit zum Zeitpunkt seiner Zerstörung nicht versichert.

Die US Space Force teilte mit, sie habe bestätigt, dass der Satellit IS-33e am 19. um 04:30 UTC (12:30 Uhr Pekinger Zeit) in der geostationären Umlaufbahn zerfiel. Die Space Force verfolgt etwa 20 Trümmerteile des Satelliten, konnte jedoch keine finden, die eine unmittelbare Bedrohung darstellen.

Die Pressestelle der russischen staatlichen Raumfahrtgesellschaft gab bekannt, dass russische Experten mehr als 80 Fragmente des Satelliten registriert hätten, die eine Bedrohung für Satelliten in der geostationären Umlaufbahn darstellen könnten. Eine Analyse der Flugbahn des Trümmerteils ergab, dass der Satellit augenblicklich auseinanderbrach. Einige Medien berichteten über den Vorfall auch unter dem Begriff „Satellitenexplosion“.

Zuvor war bereits der ebenfalls von Boeing gefertigte Satellit IS-29e aus der gleichen Serie wie der Satellit IS-33e im Jahr 2019 nach nur drei Jahren im Orbit im geostationären Orbit verschrottet worden. (CCTV-Nachrichten)

Versucht die Zeitung, „auf der Popularität zu reiten“? Erwähnungen von KI erhöhen die Zitierungen

Mit der Popularisierung der künstlichen Intelligenz (KI) beginnen immer mehr Forscher, KI-Tools zu verwenden. Eine kürzlich in Nature Human Behaviour veröffentlichte Studie ergab, dass wissenschaftliche Forschungsarbeiten, in denen KI erwähnt wurde, häufiger zitiert wurden als solche, in denen KI nicht erwähnt wurde.

Die Forscher analysierten rund 75 Millionen zwischen 1960 und 2019 veröffentlichte Artikel aus 19 Disziplinen. Die Ergebnisse zeigten, dass Arbeiten, deren Titel oder Abstracts KI-Begriffe wie „Maschinelles Lernen“ und „Deep Neural Network“ enthielten, eher zu den 5 % der am häufigsten zitierten Arbeiten in ihrem Fachgebiet gehörten und tendenziell auch in anderen Fachgebieten mehr Zitate erhielten.

Die Studie ergab außerdem, dass alle 19 in die Untersuchung einbezogenen Disziplinen in den letzten 20 Jahren ihren Einsatz von KI-Tools gesteigert haben, die Wachstumsraten jedoch unterschiedlich sind. Informatik, Mathematik und Ingenieurwissenschaften weisen die höchsten Nutzungsraten auf, Geschichte, Kunst und Politikwissenschaften die niedrigsten und Geologie, Physik, Chemie und Biologie liegen in den mittleren Raten. Durch die Untersuchung und Analyse der Verwendungstrends bestimmter KI-bezogener Verb-Objekt-Phrasen (wie etwa „Daten analysieren“ oder „Bilder generieren“) in der Literatur bewerteten die Forscher die Vorteile der Verwendung von KI-Tools in verschiedenen Bereichen und stellten ähnliche Trends fest: Informatik, Mathematik und Ingenieurwissenschaften weisen den größten potenziellen Nutzen aus der Verwendung von KI auf, während Geschichte, Kunst und Politikwissenschaft den geringsten potenziellen Nutzen aufweisen.

Unter den von der Forschung abgedeckten Bereichen wird der Begriff „KI in der Informatik“ am häufigsten verwendet. | Naturnachrichten

Neue Forschungsergebnisse quantifizieren, wie KI die wissenschaftliche Forschung verändert, weisen aber auch Grenzen auf. Die Autoren räumen ein, dass die Studie, da sie 2019 endete, keine aktuellen Fortschritte in der KI abdeckt, wie etwa den Aufstieg von ChatGPT, einem auf großen Sprachmodellen basierenden Tool, das die Art und Weise, wie manche Forscher forschen, verändert hat. Marinka Zitnik, Expertin für Biomedizinische Informatik an der Harvard Medical School, sagte, dass in der neuen Studie nicht untersucht worden sei, warum ein bestimmtes Verb oder Nomen in einem Artikel auftaucht. Nur weil sie gleichzeitig auftreten, heißt das nicht, dass KI in diesem Bereich unbedingt nützlich sein wird.

Die Forschungsergebnisse haben auch bei einigen Wissenschaftlern Besorgnis ausgelöst. Lisa Messeri, außerordentliche Professorin für Anthropologie an der Yale University, äußerte ihre Sorge darüber, dass einige Forscher KI-Tools missbrauchen würden, nur um die Zitationsrate ihrer Arbeiten zu erhöhen und dabei die Qualität ihrer Forschung außer Acht lassen würden.

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