细胞美国盐湖城

国际2015年12月31日星期四Tel押(010)625806173主编:赵路编辑:张双虎校对:么辰E-mail押lzhao@stimes.
cn研究人员发现,全世界范围内的细菌都存在一种抵抗粘菌素———一种"终极"抗生素———的基因.
相关研究发现于11月份来源于中国,随后在丹麦、荷兰、法国和泰国也发现了类似的耐药基因.
尽管此次发现让人担忧,但是它们可能并不像很多媒体报道的那样会带来灾难性的后果,因为粘菌素只是在人体中用量非常稀少的几种抗生素之一.
这项发现"带来了很糟糕的消息,但是却不至于大难临头",美国盐湖城犹他大学传染病医生MakotoJones说.
粘菌素是在上世纪50年代研发的,是多粘菌素类化合物的一种.
它有着"终极"药物的称号,医生会尽可能地避免使用这种药物,因为它会损伤患者的肾脏,华盛顿大学流行病学家LancePrice说.
因此,和其他抗生素相比,细菌很难对粘菌素产生耐药性.
事实上,此前已经出现了有关粘菌素耐药性突变的报道.
很多土壤细菌都会对其产生耐药性,因为这种药物被广泛应用于农业,让猪长膘,并阻止农场动物患病.
在中国,粘菌素用量尤其高,每年农业领域应用量达到1.
2万吨.
最新发现表明,粘菌素耐药基因存在于一种叫作质粒的DNA回路中,而且细菌之间已经在"分享"这种耐药基因.
中国研究人员在多个省的大肠杆菌样本中发现一种叫作mcr-1的基因,表明该基因能够轻而易举地传播;同样的耐药基因在亚洲、欧洲均有发现.
丹麦研究人员已经发现,大肠杆菌能够将其耐药性传递给其他不相关的细菌.
研究人员表示,出现用现存抗生素不能治疗的细菌感染只是早晚的事.
美国食品药品监督管理局在过去两年里已经批准了若干种新抗生素,其中还有30多种抗生素正在审核中.
但是很多抗生素的功能和现存药物雷同,并不能产生更好的疗效.
(红枫)科学家发现"终极"抗生素耐药基因新粒子线索引发海量论文理论物理学家正在以惊人的速度发表关于欧洲大型强子对撞机(LHC)产生新粒子的分析论文.
实验揭示了他们12月15日在欧洲核子研究委员会(CERN)———瑞士日内瓦附近LHC所在的欧洲粒子物理实验室———的观察结果.
尽管这项发现在数据上的重要性仍然较低,但从那时起到12月24日,已经有95篇研究初稿被粘贴到arXiv预印本服务器上,讨论这种假设粒子.
这种盎然的兴趣和预期相符,LHC的CMS实验发言人TizianoCamporesi表示,该中心在网络上宣布这一消息之后,他曾期待两周内会看到数百篇预印本研究.
"我们的理论物理学家朋友们能够形成哪些结论,我对此非常好奇.
"他说.
此次扑面而来的大量文章超过了前两次让物理学家感到兴奋的事件,纽约康奈尔大学物理学家、arVix创始人PaulGinsparg说.
此前一次事件是2011年意大利OPERA实验发现中微子移动速度比光快;另一次事件是2014年利用南极BICEP2望远镜发现引力波.
这两项发现后来都没能经得住检验.
显然,和前两次事件不同,LHC的此次粒子声明尚未经过检验形成白纸黑字.
"目前所有的信息都是基于CERN的网上直播.
"Ginsparg说.
在东部标准时间16:00之后向arXiv提交的手稿都要到第二天才会发表,通过arXiv操作者设置的这一时间点和截稿日期表明,物理学家正在最后时间内迫不及待地交稿,Ginsparg补充说.
在公布声明的当天,CERN理论物理学家GianFrancescoGiudice与合作者上传了一份长达32页的文章分析此次发现,截至12月24日该文已经被引用68次.
Giudice认为,假想粒子很难和超对应理论(SUSY)一致,物理学家希望能够延伸目前粒子物理的"标准模型",该理论假设标准模型中的每个粒子都有一个质量更重的搭档.
"它感觉不像SUSY.
"Giudice说.
(鲁捷)赢不到的100万美元数学核心悖论让量子物理学难题无解超导环场探测器(ATLAS)重新启动粒子撞击.
图片来源:DavideCastelvecchi抗生素耐药性传播图.
图片来源:《自然》KevinGardner打开一个小冰箱模样的培养器,看着里面闪烁的蓝光,这种场景经常让他想起上世纪70年代的美国纽约迪斯科舞厅.
"一些有趣的事情正在这里发生.
"他提示说.
不过,他说的不是迪斯科闪光灯,而是微观层面发生的事情.
Gardner是纽约城市大学先进科学研究中心结构生物学家,他是使用光控制蛋白活动(即光遗传学研究)领域的专家.
利用他和其他蛋白质工程师研发的工具,科学家现在可以利用LED或激光闪光对诸如信号传导或信号移动过程进行微观层面的管理,而不是仅仅观察这些光.
例如,他们能够轻而易举地打开或关闭蛋白,或是在细胞内来回移动细胞器.
过去几年,蛋白质工程技术研发了十余种光敏感工具,用来完成这些特殊的研究.
光在通过常规方法操作细胞活动时可提供重要优势.
其中一个优势是速度,化学物质要用数分钟进入细胞,而光需要的时间不到一秒.
因此,细胞生物学家能够研究信号通路或蛋白质活动等快速发生过程,教堂山北卡罗来纳大学医学院细胞生物学家和蛋白质工程专家KlausHahn说.
其另一个优势是光遗传学能够提供精确的空间控制:不是对培养皿中的每个细胞进行同一种小分子治疗,而是细胞生物学家可以用高度聚焦的灯光打开一个细胞内的开关,或者甚至是单个细胞的部分开关.
光遗传学首先活跃于神经科学领域:光控制通道可以按照意愿用来制造神经元.
但现在分子生物学家也在积极地拥抱这种技术.
"未来一年,只要是你能想到的组织,就会看到利用这种工具做出的成品论文产出.
"新泽西州普林斯顿大学生物工程学家JaredToettcher说.
蛋白质伴侣光遗传学中最常见的技术之一是设计两个在光存在时可以相互结合的蛋白,形成一个"二聚物".
科学家有时会通过化合物形成二聚物,用光形成这种二聚物仍然相对新颖.
生物学上蛋白—蛋白相互作用让光诱导成的二聚作用成为游戏改变者,丹佛卡罗来纳大学医学院分子化学家CHandraTucker说.
"如果你富有创造性.
"她说,"你可以通过很多方式控制蛋白质活动.
"荷兰乌得勒支大学生物物理学家LukasKapitein利用光诱导的二聚作用,把个体层面的细胞器像屋子里的家具那样安排开来.
科学家最近认识到,细胞也会遵从一定的"风水"环境.
例如,如果有很多营养,溶酶体(代谢细胞器)会停留在细胞的边缘,提高新蛋白的产量;但是当细胞处于饥饿状态时,溶酶体会撤退到细胞内部,在那里它们会鼓励细胞消化自身.
在蓝光下,原子核附近的过氧化物会和驱动蛋白结合,从而把它们"拖拽"到细胞外围.
然而,细胞结构很难拆开.
Kapitein的光遗传方法提供了精确调解一种细胞器的能力,而且是可逆的.
他利用的主要光遗传工具是可调光诱导二聚作用标签(TULIPS),这种工具的基础是来自燕麦的LOV感光器和以普通PDZ序列为基础的基因工程改造的蛋白—蛋白互动区域.
LOV螺旋中隐藏着一个小肽,当接触蓝光后,会和PDZ区域相结合.
研究人员把TULIP设置应用于检测细胞核内体的位置如何影响神经元中的轴突生长.
他们从轴突尖端移除了核内体,使轴突停止伸展.
他们又在其中加入额外的核内体,发现轴突会生长得更快.
因此,和线粒体一样,这些核内体的位置会影响细胞的形状.
这种体系在很多细胞器中都会发挥作用,Kapitein说,从而让科学家可以提出一些此前从未解答的关于细胞单元结构的问题.
他已经收到数十个细胞生物学家的请求,他们希望重新排列自己重视的细胞结构.
未来,他希望找到一种移动单个细胞器以及使其停留在所希望位点的方法.
意向信号在细胞内有所作为,生物学家不需要改变整个细胞器的位置.
很多信号通道都是从一些外部因子和细胞膜上的受体结合开始,然后是把信息从内部一种蛋白向另一种传输的级联反应,比如基因表达的转变.
科学家经常通过区分参与通道早期的蛋白,并把它们转移到细胞质膜来模仿这种效应.
当蛋白到达细胞膜后,会表现出已经收到外部信号的状态,并开启下游的级联反应.
例如,Toettcher和同事利用光控制的系统研究Ras效应———一种参与诸如细胞增殖以及决定发育胚胎细胞命运等多个过程的信号蛋白.
这个信号通道可能调节这些不同过程,因为根据其在细胞内何时以及何地被激活,Ras可以产生不同的效应———但是研究人员直到今天才能研究这些细节,因为他们有了打开和关闭Ras的光遗传工具.
Toettcher利用了光敏色素B(PhyB)—PIF二聚体系,光遗传学家从植物遗传学家最钟爱的植物———拟南芥中提取到这种色素.
在这种植物中,可见红光会导致PhyB结合并激活PIF转录因子,拟南芥用这一机制打开一些参与种子发芽以及避荫生长等过程的基因.
但是和其他在黑暗中关闭的光遗传系统不同,当PhyB和PIF接触到波长更长的红外线之后,就会不再稳定.
Toettcher把PhyB和细胞质膜相结合,并把部分PIF和Ras激活因子相结合.
当打开红光后,Ras也会被打开.
因为能够用红外光打开与关闭Ras,因此Toettcher能够精确地控制其激活时间,从而让下游的反应发生很大变化.
例如,打开一个细胞内的Ras会导致其邻居STAT3(一种可以在细胞生长和死亡等过程中发挥作用的信号转导与转录激活因子)磷酸化.
两个小时的持续性红光会刺激STAT3磷酸化,但是一小时的红光、15分钟的红外光以及其他时间长度的红光都不能发生这种作用,infraredlight说.
研究人员并不清楚在Ras信号延伸后,STAT3被用于什么用途,他们猜测,这种系统会通过改变细胞外的输入时间,让一个细胞把同样的通路应用于各种目的.
基因翻转只有经过一连串的中间反应步骤后,细胞信号传导系统(比如Toettcher的研究)才会影响基因激活作用.
但是光遗传工具会直接改变基因表达,或者甚至诱导基因组发生永久改变.
例如,Gardner和同事、得克萨斯大学西南医学中心生化学家及细胞生物学家LauraMot-ta-Mena,利用来自细菌的光激活转录因子,激活了一系列有机物的基因.
同时,日本东京大学化学家MoritoshiSato和同事也设计了利用光激活以CRISPR-Cas9为基础的基因目标,以此实现高精度控制基因编辑或表达.
类似这样的光遗传CRISPR工具对于那些想要在生物体内跟踪细胞活动的科学家来说特别有用,Hahn说.
光遗传技术可以让科学家利用光开关激活单个基因或蛋白,下一步将是利用整个光谱控制生物学过程.
当前,光遗传技术也存在短板.
其中之一是很多系统存有漏洞,因为它们让一些活动在黑暗中也能进行.
而且光本身也会影响诸如转录以及信号传导等细胞活动,哥伦比亚大学医学中心干细胞生物学家MasaYazawa指出.
这意味着科学家在控制这些负面效应时应该更加谨慎.
其他缺点还包括光敏感系统需要一种叫作生色团(色基)的化学物质,如果科学家想要研究的细胞不能生成这种色基,科学家就要进行添加.
因此会带来不便.
此外,因为这种工具非常新颖,它们的使用仍然存在各种困难.
细胞生物学家期待未来能够更容易地利用光遗传技术.
从好的一方面来看,这一技术包裹中的发光技术相对容易.
这种可获得性将会让以光为基础的工具,如微生物和肽等成为细胞生物学的基础.
"从现在开始10年后,这种技术将会成为发育生物学和细胞生物学界人人使用的工具.
"Toettcher预测说.
(红枫)照进细胞的一束光光遗传技术为细胞结构研究带来机遇全球科技政策新闻与解析科学线人数学和计算机科学的核心逻辑悖论最终证实对真实世界也有影响,从而使一个关于物质的基本问题变得从根本上无法回答.
1931年,在澳大利亚出生的数学家库尔特·哥德尔震惊了整个学术界.
当时,他宣布一些数学命题是"不可判定的",而这意味着证明它们的对或错是不可能的事情.
如今,3位研究人员发现,相同的定理使计算一种材料的重要属性———理想原子模型中电子最低能级之间的间隙———变得不可能.
该研究作者之一、英国伦敦大学学院量子信息理论学家TobyCubitt介绍说,上述成果还引发了一种可能性,即粒子物理学中一个有着100万美元赏金的相关问题同样无法得到解决.
这项发现日前发表于《自然》杂志,140页的更长版本则发表在arXiv预印本服务器上.
西班牙巴塞罗那光子科学研究所量子信息理论学家ChristianGogolin表示,该成果"的确令人震惊,对致力于凝聚态理论研究的每个人来说可能都是一个巨大惊喜".
1936年,英国数学家阿兰·图灵首次将哥德尔的发现同物理世界联系起来.
"对于物理和逻辑之间的关系,图灵比哥德尔想得更加清楚.
"撰写了哥德尔传记的美国作家RebeccaGold-stein认为.
图灵从算法的角度将哥德尔的成果重新用公式表示出来.
这些算法由一台每次能读或写1比特数据的理想化计算机执行.
他证实,一些算法无法被此类"图灵机"判定.
也就是说,不可能知道这台机器能否在有限的时间里完成计算,也没有通用测试来判断某个特定算法是否不可判定.
相同的限制也适用于真实的计算机,因为任何此类设备在数学上和图灵机是对等的.
从上世纪90年代起,理论物理学家便试图在物理现象的理想化模型中体现图灵的研究.
不过,加拿大韦仕敦大学理论物理学家MarkusM俟ller表示:"他们得出的不可判定问题无法直接同物理学家感兴趣的具体问题联系起来.
"M俟ller同Gogolin和另一位合作者在2012年发表了一个此类模型.
"我认为,可以恰当地说,我们的模型是对人们会真正试图解决的一个重要物理问题产生的首个不可判定性结果.
"Cubitt表示.
Cubitt和合作者关注的是谱隙的计算.
谱隙是电子在一种材料中能占据的最低能级和下一个能级之间的间隙,而这决定了某种材料的一些基本属性.
例如,在一些材料中,降低温度能让谱隙关闭,从而使这种材料变成超导体.
该团队从一种材料的理论模型———无穷二维原子晶格入手.
晶格中原子的量子态可视为一台具体化的图灵机,包含着发现材料谱隙的每个计算步骤的信息.
Cubitt和同事证实,对于一个无穷晶格来说,不可能知道计算是否会终止,因此谱隙是否存在的问题就变得不可判定.
然而,对于有限的大量二维晶格而言,计算总是在有限的时间里终止,从而产生一个明确的答案.
因此,第一眼看上去,该结果似乎同真实世界几乎没有关联.
真实材料的大小总是有限的,它们的属性能通过实验测量得到或者被计算机模拟出来.
不过,"无穷情况"的不可判定性意味着,即使知道了某个有限大小晶格的谱隙,当材料尺寸增大时———哪怕只是单个额外原子的增加,也会发生急剧的变化,从没有谱隙变成有谱隙,反之亦然.
Cubitt表示,由于研究已经证明不可能预测何时或者是否将发生这种情况,因此从实验或模拟中得出普遍的结论非常困难.
他还介绍说,该团队最终想研究粒子物理中一个被称为"杨—米尔斯质量间隙问题"的相关问题.
这一问题被新罕布什尔州克雷数学研究所提名为"千禧年大奖难题"之一.
该研究所正提供100万美元,寻找能解决该问题的人.
质量间隙问题同对携带弱核力和强核力的粒子拥有质量的观察相关.
这也解释了为何弱核力和强核力拥有有限范围,而不是像引力和电磁作用那样以及为何夸克只是作为诸如质子或中子的复合粒子一部分被找到,而不是单独存在.
问题在于并未有严谨的数学理论能解释为何核力的载体拥有质量,以及电磁力的载体———质子何时变得没有质量.
Cubitt希望,其团队的方法和想法最终能证实,"杨—米尔斯质量间隙问题"是不可判定的.
不过,他认为,如何解决这一难题目前似乎还没有明显的思路.
"我们离赢取100万美元还有很长的路要走.
"(宗华)库尔特·哥德尔(左)、阿兰·图灵图片来源:PictorialPressLtd/Alamy(左)、Photoshot(右)转基因斑马鱼胚胎上的闪亮蓝光让科学家选择性地激活光敏感转录因子.
图片来源:AnnaReade从现在开始10年后,这种技术将会成为发育生物学和细胞生物学界人人使用的工具.
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