Ученые создали молекулярную модель внутреннего уха

Ученые из Лаборатории Беркли создали трехмерную модель структур внутреннего уха. Для этого они использовали метод электронной томографии, который до сих пор не применялся в изучении структуры слухового аппарата. Работа ученых опубликована в журнале Journal of the Association for Research in Otolaryngology. Пресс-релиз исследования доступен на сайте Лаборатории Беркли.

Метод электронной томографии подразумевает фотографирование объекта под разными углами с помощью электронного микроскопа и последующее конструирование трехмерного изображения. Ученые использовали электронную томографию для изучения чувствительного эпителия внутреннего уха лягушки-быка. Клетки чувствительного эпителия внутреннего уха снабжены волосками, которые колеблются при движениях эндолимфы - жидкости, заполняющей отдел внутреннего уха, где находятся волоски. Каждый волосок представляет собой пучок стереоцилиев - белковых нитей. Стереоцилии соединены между собой короткими молекулами белка. Эти связи получили название концевых.

Анализируя чувствительный эпителий внутреннего уха, ученые обнаружили, что он содержит два различных типа концевых связей. На данный момент неясно, какую конкретно роль играет каждый из них.

Концевые связи являются ключевым звеном в преобразовании механического сигнала (колебания волосков) в электрический нервный импульс. При колебаниях стереоицилиев концевые связи растягиваются, что приводит к открытию ионного канала. В чувствительную клетку устремляется поток ионов, который "заставляет" ее вырабатывать нейротрансмиттеры - вещества, обеспечивающие передачу нервного импульса.

Создание трехмерных моделей сложных белковых систем позволяет существенно ускорить процесс изучения принципов их работы. Исследователи надеются, что построенная ими модель в будущем позволит объяснить необычные свойства слухового аппарата, механизм которых до сих пор неясен. Так, ученые пока не могут понять, как органы слуха адаптируются к очень громким звукам, а затем быстро возвращаются к "штатному" режиму работы. Еще одной загадкой слухового аппарата является его способность различать тихий шепот, но "игнорировать" множество одиночных молекул, постоянно ударяющихся о барабанную перепонку.

Стабильные наночастицы оказались суператомами

Международная команда ученых определила, чем объясняется стабильность наночастиц золота. Согласно данным исследователей, золотая "сердцевина" наночастицы защищена оболочкой из атомов серы, которые взаимодействуют со внешними атомами золота. Свои выводы ученые опубликовали в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Команда, в которую входили специалисты из США, Финляндии и Швеции, установили структуру наночастицы, состоящей из 102 атомов золота, используя суперкомпьютеры из исследовательских центров в Финляндии, Швеции и Германии. Вычисления показали, что по своей структуре такая частица напоминает "суператом". Ядро такого "суператома", состоящего из 79 атомов золота, имеет вид усеченного десятигранника, образованного двумя пирамидами, в основании которых лежат пятигранники. Вершины этих пирамид "срезаны". Расположенные вокруг ядра 23 атома золота образуют связи с атомами серы.

Стабильность такой наночастицы определяется тем, что каждый из атомов золота внешнего слоя связан химической связью с атомом серы, в результате чего у наночастицы не остается "свободных" электронов, которые могут реагировать с окружающими ее атомами или молекулами (если речь не идет о термоядерном синтезе, все химические реакции определяются именно взаимодействием электронов).

В наночастице, состоящей из 102 атомов золота, 44 из них - атомы внешнего слоя - "расходуют" свои свободные электроны на взаимодействие с атомами серы. Оставшиеся 58 электронов образуют "облако" вокруг сердцевины и заполняют все "вакантные места". Такая структура является самодостаточной: она энергетически стабильна и поэтому неохотно вступает в химические реакции, которые разрушают эту стабильность. Схожее строение электронной оболочки имеют атомы благородных, или инертных, газов.

Структура наночастицы из 102 атомов совпадает с предсказанной одним из авторов исследования структуры наночастицы, состоящей из 38 атомов золота. Меньшая наночастица также должна состоять из ядра (24 атома) и защитного слоя атомов золота (14 атомов), связанных с атомами серы. Наночастицы, включающие 11, 13 и 39 атомов золота, также построены по принципу "суператома" благородного газа.

Исследователи надеются, что в будущем им удастся определить структуру наночастиц, содержащих другое число атомов золота. На данный момент ученые уверены, что они будут построены по тому же принципу. Если им удастся экспериментально подтвердить свою гипотезу, то его можно будет назвать универсальным.