Licht löst Molekülschwingungen aus, die Krebszellen zum Platzen bringen! ｜Wissenschaft täglich

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Beseitigung antibiotikaresistenter „Superkeime“

Ein Forschungsteam des Amherst College und seine Mitarbeiter haben einen Schlüsselmechanismus entdeckt, der verhindert, dass Krankheitserreger Wirtszellen infizieren, und eine Testmethode entwickelt, um die nächste Generation von Medikamenten zu identifizieren, die auf diesen anfälligen Zellmechanismus abzielen. Die Forschungsarbeit wurde in ACS Infectious Diseases veröffentlicht.

Die typische Strategie zur Behandlung mikrobieller Infektionen besteht darin, den Erreger mit Antibiotika zu bombardieren. Diese wirken, indem sie in die schädliche Zelle eindringen und sie abtöten. Es ist jedoch schwierig, Medikamente zu entwickeln, die sowohl wasser- als auch öllöslich sind. Alternativ können pathogene Zellen mehr „Effluxpumpen“ entwickeln, um Antibiotika sicher aus der Zelle auszuscheiden, und gegen dieses bestimmte Antibiotikum resistent werden.

Um die Zellwand der Wirtszelle zu durchdringen, muss der Erreger zwei Proteine, PopD und PopB, absondern und diese zu einem „Translationsadapter“ kombinieren, wodurch ein Zelltunnel durch die Zellmembran entsteht. Sobald der Tunnel etabliert ist, kann die pathogene Zelle andere Proteine ​​injizieren, um die Infektion des Wirtes abzuschließen. Der gesamte Prozess wird als Typ-3-Sekretionssystem bezeichnet. Forscher versuchen, diesen Prozess zu unterbrechen, um zu verhindern, dass Krankheitserreger Wirtszellen infizieren, ohne die Krankheitserreger abzutöten und so die Entwicklung einer Resistenz zu verhindern.

Um Moleküle zu finden, die die Bildung von „Translationsverbindungen“ verhindern könnten, entwickelten die Forscher einen Test, der ein fluoreszierendes Enzym als Tracer verwendet. Die Forscher teilten das Enzym in zwei Hälften, eine Hälfte wurde in das PopD/PopB-Protein und die andere Hälfte in die Wirtszelle eingefügt. Wenn die Wirtszelle plötzlich aufleuchtet, bedeutet dies, dass PopD/PopB erfolgreich die Zellwand durchbrochen und die beiden Hälften der Luciferase wieder verbunden haben. Wenn die Zellen im Dunkeln gehalten werden, kann festgestellt werden, welche Moleküle die Translationsverbindung zerstören.

Die Erkenntnisse könnten zur Entwicklung neuer Medikamente genutzt werden, die Krankheitserreger neutralisieren und so zu einer echten Verbesserung der öffentlichen Gesundheit führen können.

Link zum Artikel:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsinfecdis.3c00482

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Die Studie ergab Folgendes:

Schlafen ist auch Lernen, Atmen festigt das Gedächtnis

Eine Studie eines Teams der Universität München hat ergeben, dass die Atmung ein potenzieller Schrittmacher ist, der die Konsolidierung von Erinnerungen während des Schlafs beeinflusst. Die Forschungsarbeit wurde in Nature Communications veröffentlicht.

Die Forscher zeigten 20 Teilnehmern in zwei Sitzungen 120 Bilder. Alle Bilder sind mit bestimmten Wörtern verknüpft. Anschließend schliefen die Teilnehmer etwa zwei Stunden in einem Schlaflabor und als sie aufwachten, fragten die Forscher sie nach ihren Assoziationen. Während des gesamten Lern- und Schlafprozesses wurden die Gehirnaktivität und die Atmung der Teilnehmer mittels EEG aufgezeichnet. Die Forscher fanden heraus, dass das schlafende Gehirn während Phasen sogenannter langsamer Oszillationen und Schlafspitzen – kurzen Phasen erhöhter Gehirnaktivität – zuvor erlernte Inhalte spontan reaktiviert. Die Studie ergab außerdem, dass die Atmung mit der Entstehung charakteristischer langsamer Schwingungen und spindelförmiger Muster verbunden ist und dass die Atmung auch für die Gedächtnisverarbeitung während des Schlafs wichtig ist.

Link zum Artikel:

https://www.nature.com/articles/s41467-023-43450-5

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Die Isomerisierungsstellen des „Todessterns“ wurden vollständig identifiziert.

Kann bei der Entwicklung von Krebsmedikamenten helfen

Eine Studie aus Spanien und Großbritannien identifizierte umfassend isomere Stellen im Protein KRAS und lieferte die erste vollständige KRAS-Kontrollkarte, die bei der Entwicklung von Krebsmedikamenten helfen wird. Die Forschungsergebnisse wurden in Nature veröffentlicht.

KRAS ist eines der am häufigsten mutierten Gene bei vielen Krebsarten und wird aufgrund seiner kugelförmigen Gestalt und des Fehlens von Angriffspunkten für Medikamente auch als „Todesstern“-Protein bezeichnet. Die einzige wirksame Strategie zur Kontrolle von KRAS besteht darin, sein ektopisches Kommunikationssystem anzugreifen. Um ein Protein zu steuern, benötigen Sie einen Schlüssel (eine Verbindung oder ein Medikament), der das Schloss (das aktive Zentrum) öffnen kann. Proteine ​​können auch durch zusätzliche Verriegelungen beeinflusst werden, die sich an anderen Stellen auf ihrer Oberfläche befinden (allosterische Stellen). Wenn ein Molekül an eine isomere Stelle bindet, bewirkt dies eine Formänderung des Proteins, was wiederum die Aktivität des Proteins oder seine Fähigkeit, an andere Moleküle zu binden, verändern kann. Isomere Stellen werden bei der Arzneimittelentwicklung häufig bevorzugt, da sie eine höhere Spezifität bieten und das Risiko von Nebenwirkungen verringern. Sie können die Aktivität eines Proteins auch subtiler verändern und bieten so die Möglichkeit, seine Funktion fein abzustimmen. Medikamente, die auf isomere Stellen abzielen, sind im Allgemeinen sicherer und wirksamer als solche, die auf die aktive Stelle abzielen. Allerdings ist die isosterische Stelle äußerst schwer zu fassen und in vier Jahrzehnten Forschung wurden nur zwei Medikamente für den klinischen Einsatz zugelassen.

In der Studie wurde eine Technik namens „Deep Mutational Scanning“ verwendet, um diese isomeren Stellen zu kartieren. Dabei stellte sich heraus, dass KRAS mehr starke isomere Stellen aufweist als erwartet. Die Studie ergab außerdem, dass einige der Stellen in vier verschiedenen, leicht zugänglichen Taschen auf der Proteinoberfläche vielversprechende Angriffspunkte für zukünftige Medikamente sind, was zur Entwicklung sichererer und wirksamerer Medikamente beitragen wird.

Link zum Artikel:

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06954-0

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Licht löst Molekülschwingungen aus, die Krebszellen zum Platzen bringen!

Eine Studie der Rice University hat einen Weg gefunden, Krebszellen zu zerstören, indem man die Fähigkeit bestimmter Moleküle ausnutzt, bei Stimulation durch Licht stark zu vibrieren. Die Forschungsergebnisse wurden in Nature Chemistry veröffentlicht.

Forscher haben herausgefunden, dass die Atome eines kleinen Farbstoffmoleküls, das in der medizinischen Bildgebung verwendet wird, bei Anregung durch Nahinfrarotlicht im Gleichklang vibrieren – wobei ein sogenanntes Plasmon entsteht – und dies zum Reißen der Membranen von Krebszellen führt. Bei dem Molekül handelt es sich um ein Aminocyanin, eine Klasse fluoreszierender synthetischer Farbstoffe, die in der medizinischen Bildgebung verwendet werden.

Link zum Artikel:

https://www.nature.com/articles/s41557-023-01383-y

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Wissenschaft : Kandidatenmaterialien für die weltweit erste Hochtemperatur-Supraleiterdiode

Supraleitende Materialien, die einen reibungslosen Elektronenfluss ermöglichen, weisen diese quantenmechanische Eigenschaft seit Jahrzehnten im Allgemeinen nur bei Temperaturen auf, die nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt liegen, was sie für den praktischen Einsatz unbrauchbar macht.

Mithilfe einer einzigartigen Methode zur Herstellung von Niedertemperaturgeräten zur Erzeugung und Manipulation einer umfassend untersuchten Klasse von Hochtemperatur-Supraleitern, den sogenannten Kupraten, hat eine Harvard-Studie ein Kandidatenmaterial für die weltweit erste Hochtemperatur-Supraleiterdiode entdeckt – im Wesentlichen ein Schalter, der den elektrischen Stromfluss in eine Richtung ermöglicht –, die aus dünnen, becherförmigen Kristallen besteht. Die Forschungsarbeit wurde in Science veröffentlicht.

Die Forscher konstruierten eine saubere Schnittstelle zwischen zwei extrem dünnen Schichten aus Wismut-Strontium-Calcium-Kupferoxid („BSCCO“), indem sie ein luftfreies Niedertemperatur-Kristallmanipulationsverfahren in ultrareinem Argon verwendeten. BSCCO gilt als Hochtemperatur-Supraleiter. Die Forscher trennten BSCCO zunächst in zwei Schichten, die jeweils nur ein Tausendstel der Breite eines menschlichen Haares hatten. Dann stapelten sie bei -130 Grad Celsius die beiden Schichten in einer 45-Grad-Drehung übereinander, so als würden sie ein Eiscreme-Sandwich mit schrägen Waffeln herstellen, wodurch die Supraleitung an der fragilen Schnittstelle erhalten blieb. Die Forscher fanden heraus, dass der maximale Suprastrom, der ohne Widerstand durch eine Schnittstelle fließen kann, je nach Stromrichtung variiert. Am wichtigsten ist jedoch, dass die Forscher durch Umkehrung dieser Polarität auch eine elektronische Kontrolle über die Quantenzustände der Schnittstelle demonstrierten. Durch diese Steuerung gelang es den Forschern, effektiv eine schaltbare Hochtemperatur-Supraleiterdiode zu entwickeln.

Link zum Artikel:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8371

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Neues supraleitendes Material lässt sich ein- und ausschalten

Eine Studie der University of Washington hat ein supraleitendes Material entdeckt, das außergewöhnlich empfindlich auf äußere Reize reagiert, sodass seine supraleitenden Eigenschaften nach Belieben verstärkt oder unterdrückt werden können. Die Forschungsergebnisse wurden in Science Advances veröffentlicht.

Supraleitung ist ein quantenmechanischer Zustand der Materie, in dem elektrischer Strom ohne Widerstand durch das Material fließen kann. Das im Rahmen der Studie entdeckte Material besteht aus einer flachen Schicht ferromagnetischer Europiumatome, die zwischen supraleitenden Schichten aus Eisen-, Kobalt- und Arsenatomen eingebettet sind. Zwischen den verschiedenen Phasen dieses Materials besteht eine enge Konkurrenzbeziehung. Durch Anlegen einer kleinen Spannung oder eines Magnetfelds kann eine Phase die andere übertreffen und dadurch die supraleitende Funktion ein- oder ausgeschaltet werden.

Das Material könnte zu effizienterem Rechnen im großen Maßstab führen und auch in supraleitenden Schaltkreisen für die nächste Generation industrieller Elektronik eingesetzt werden.

Link zum Artikel:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj5200

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Herzwesten können das Risiko eines plötzlichen Herztodes vorhersagen

Eine Weste, die die elektrische Aktivität des Herzens detailliert abbildet, könnte möglicherweise dazu verwendet werden, Menschen mit einem hohen Risiko eines plötzlichen Herztods besser zu identifizieren, wie eine Studie des University College London nahelegt. Die Forschungsergebnisse wurden im Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance veröffentlicht.

Elektrische Daten von den 256 Sensoren der ECGI-Weste werden mit detaillierten Bildern der Herzstruktur kombiniert, die durch Magnetresonanztomographie (MRT) aufgenommen wurden, um ein dreidimensionales digitales Modell des Herzens und der Wellen elektrischer Aktivität zu erstellen, die durch das Herz fließen. Die Weste ist wiederverwendbar und zeitsparend (sie dauert nur fünf Minuten), sodass sie voraussichtlich in der Standardversorgung eingesetzt wird. Die Studie bewertete die Durchführbarkeit der Weste bei 77 Patienten und kam zu dem Schluss, dass sie zuverlässig und langlebig ist. Seitdem wurde die Weste bei 800 Patienten erfolgreich eingesetzt. Die Weste wird derzeit verwendet, um die Herzen von Patienten mit Erkrankungen wie hypertropher Kardiomyopathie und dilatativer Kardiomyopathie zu kartieren.

Die Weste könnte ein schnelles und kostengünstiges Screening-Tool sein, das Menschen dabei hilft, ihr Risiko für lebensbedrohliche Herzrhythmen in der Zukunft besser zu erkennen und die Auswirkungen von Medikamenten, neuen Herzgeräten und Lebensstiländerungen auf die Herzgesundheit einzuschätzen.

Link zum Artikel:

https://www.ucl.ac.uk/news/2023/dec/heart-vest-could-help-predict-sudden-cardiac-death-risk

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Die Studie ergab Folgendes:

KI kann vorhersagen, wann ein Mensch sterben wird

Eine Studie aus Dänemark ergab, dass künstliche Intelligenz Registrierungsdaten über den Wohnort, die Ausbildung, das Einkommen, den Gesundheitszustand und die Arbeitsbedingungen von Menschen analysieren und Lebensereignisse mit hoher Genauigkeit vorhersagen und sogar den Todeszeitpunkt schätzen kann. Die Forschungsergebnisse wurden in Nature Computational Science veröffentlicht.

Die Forscher analysierten Gesundheitsdaten und Arbeitsmarktdaten von sechs Millionen Dänen in einem Modell namens life2vec. Life2vec kodiert Daten in ein großes System von Vektoren, bei denen es sich um mathematische Strukturen handelt, die unterschiedliche Daten organisieren. Das Modell bestimmt, wo Daten zu Geburtszeitpunkt, Schulbildung, Ausbildung, Löhnen, Wohnsituation und Gesundheit platziert werden. Nach einer ersten Trainingsphase übertraf das Modell andere hochmoderne neuronale Netzwerke und konnte Ergebnisse wie Persönlichkeit und Todeszeitpunkt mit hoher Genauigkeit vorhersagen.

Natürlich gibt es auch einige ethische Probleme im Zusammenhang mit dem Life2Vec-Modell, wie etwa den Schutz sensibler Daten, die Privatsphäre und die Verzerrung der Daten. Ein tieferes Verständnis dieser Herausforderungen ist notwendig. Die Forscher glauben, dass der nächste Schritt darin bestehen wird, andere Arten von Informationen einzubeziehen, etwa Texte und Bilder oder Informationen über unsere sozialen Verbindungen. Durch die Nutzung der Daten ergeben sich völlig neue Möglichkeiten der Interaktion zwischen den Sozial- und Gesundheitswissenschaften.

Link zum Artikel:

https://www.nature.com/articles/s43588-023-00573-5

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Nature : Künstliche Intelligenz erzeugt Proteine ​​mit extrem starker Bindungsfähigkeit

In einer Studie der University of Washington School of Medicine wurden mithilfe von Software Proteinmoleküle erstellt, die mit extrem hoher Affinität und Spezifität an eine Vielzahl anspruchsvoller Biomarker, darunter auch menschliche Hormone, binden. Die Forschungsergebnisse wurden in Nature veröffentlicht.

Diese Studie stellt einen neuen Ansatz für das Proteindesign unter Verwendung fortschrittlicher Deep-Learning-Methoden vor, der RFdiffusion, ein generatives Modell zur Erstellung neuer Proteinformen, mit ProteinMPNN, einem Sequenzdesign-Tool, kombiniert. Durch die Kombination dieser Werkzeuge auf neue Weise konnten die Forscher Bindungsproteine ​​unter Verwendung begrenzter Zielinformationen, wie beispielsweise der Aminosäuresequenz eines Peptids, erzeugen.

Dieser Fortschritt könnte es Wissenschaftlern ermöglichen, kostengünstigere Alternativen zu Antikörpern für die Krankheitserkennung und -behandlung zu entwickeln.

Link zum Artikel:

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06953-1

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Künstliche Intelligenz lüftet das Geheimnis polykristalliner Materialien

Polykristalline Materialien werden häufig in Informationsgeräten, Solarzellen und elektronischen Geräten verwendet. Ein großes Problem bei der Verwendung polykristalliner Materialien in der Industrie besteht darin, dass Spannungs- und Temperaturschwankungen zur Bildung winziger Kristalldefekte führen können. Diese Defekte, sogenannte Versetzungen, stören die regelmäßige Anordnung der Atome im Gitter und beeinträchtigen die elektrische Leitfähigkeit und die Gesamtleistung.

Ein Forschungsteam der Universität Nagoya in Japan hat mithilfe künstlicher Intelligenz einen neuen Weg zum Verständnis von Versetzungen in polykristallinen Materialien entdeckt. Die Forschungsergebnisse wurden in Advanced Materials veröffentlicht.

Das Forschungsteam nutzte eine neue Art künstlicher Intelligenz, um Bilddaten eines in Solarmodulen weit verbreiteten Materials (polykristallines Silizium) zu analysieren. Die KI erstellte ein dreidimensionales Modell im virtuellen Raum und half den Forschern, Bereiche mit Versetzungsclustern zu identifizieren, die die Eigenschaften des Materials beeinflussen. Nachdem die Forscher die Bereiche der Versetzungscluster identifiziert hatten, nutzten sie Elektronenmikroskopie und theoretische Berechnungen, um zu verstehen, wie diese Bereiche entstehen. Sie enthüllten die Spannungsverteilung im Kristallgitter und entdeckten eine stufenartige Struktur an den Grenzen zwischen den Körnern. Diese Strukturen scheinen für die Entstehung von Versetzungen während des Kristallwachstums verantwortlich zu sein.

Diese Forschung weist den Weg zur Festlegung universeller Prinzipien für Hochleistungsmaterialien und dürfte zur Schaffung innovativer polykristalliner Materialien beitragen und möglicherweise sogar revolutionäre Veränderungen für die Gesellschaft mit sich bringen.

Link zum Artikel:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202308599

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VideoPoet: Ein großes Sprachmodell für die Zero-Shot-Videogenerierung

Vor Kurzem hat Google das Large Language Model (LLMs) VideoPoet auf den Markt gebracht, das eine Vielzahl von Aufgaben zur Videogenerierung erledigen kann, darunter Text-zu-Video, Bild-zu-Video, Videostilisierung, Video-In- und Out-of-Picture und Video-zu-Audio.

In jüngster Zeit gab es eine Welle von Modellen zur Videogenerierung, die in vielen Kontexten beeindruckende Fähigkeiten bewiesen haben. Einer der aktuellen Engpässe bei der Videoproduktion ist die Fähigkeit, zusammenhängende groß angelegte Aktionen zu generieren. Im Vergleich zu anderen Modellen in diesem Bereich integriert VideoPoet nahtlos mehrere Funktionen zur Videogenerierung in einem einzigen LLM, anstatt sich auf Komponenten zu verlassen, die für jede Aufgabe separat trainiert werden.

Insbesondere können in VideoPoet eingespeiste Bilder animiert werden, um Bewegungseffekte zu erzeugen, und Videos (optional zugeschnitten oder maskiert) können durch Zeichnen innerhalb oder außerhalb bearbeitet werden. Auf der Stilisierungsseite nimmt das Modell ein Video mit Darstellungen von Tiefe und optischem Fluss (der Bewegung darstellt) auf und zeichnet Inhalt darüber, um einen textgesteuerten Stil zu erzeugen.

Link zum Artikel:

https://www.nature.com/articles/s41467-023-43445-2