Информация

Имеет ли феомеланин полезную биологическую функцию?

Имеет ли феомеланин полезную биологическую функцию?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Меланин - это натуральный пигмент, который подразделяется на две основные формы: эумеланин и феомеланин. В научной литературе хорошо задокументировано, что повышенный уровень эумеланина снижает риск развития рака кожи, тогда как недавно в Nature сообщалось, что феомеланин сам по себе может быть канцерогенным. Итак, мой вопрос:

Обладает ли феомеланин полезной биологической функцией?


Я не думаю, что пока известна роль феомеланина. Чтобы производить его в больших количествах, вам нужны в основном два условия: слабая (или отсутствующая) передача сигнала MC1R и доступность аминокислоты цистеина. Если передача сигналов MC1R сильна, предпочтительный путь идет в направлении эумеланина. Давно известно, что феомеланин производит активные формы кислорода, которые либо напрямую вызывают повреждение ДНК, либо делают это косвенно, используя запасы антиоксидантов в клетках. Вы можете найти более подробную информацию в этом обзоре, а также ссылки на ряд оригинальных статей.


Насколько я понимаю, он способствует поглощению солнца кожей, особенно в местах с низким солнечным светом / в пасмурную погоду. У меня нет источника под рукой, но он может направить вас в нужном направлении.

Также учтите, что феомеланин, особенно рыжие волосы, может способствовать успеху размножения, в зависимости от того, где вы находитесь.


Я не думаю, что для феомеланина было обнаружено какое-либо применение. Я не могу найти источники, подтверждающие, что он увеличивает поглощение УФ-излучения, поэтому я думаю, что мы пока не можем этого сказать.

Я бы просто предположил, что это недостаточно вредно, чтобы гарантировать устранение посредством естественного отбора (то есть в местах, где люди менее подвержены УФ-излучению), и в некоторых обществах может иметь повышенную сексуальную пригодность. Однако даже это трудно сказать, потому что исторически рыжие волосы считались одновременно идентичностью и желанной чертой (как для галлов во времена Римской империи, которые даже обесцвечивали свои волосы известковой водой, чтобы получить рыжевато-светлые волосы), и вызывали отвращение и повод для дискриминации.

Остатки и побочные продукты полезных мутаций могут накапливаться бесконечно, если их влияние на общую приспособленность незначительно. В этом случае полезным эффектом будет ингибирование эумеланина в коже, что желательно в условиях слабого освещения / холодного климата. Это, в свою очередь, может вызвать большую продукцию феомеланина и позволяет проявиться обычно скрытому фенотипу феомеланина.


Феомеланин выполняет обычную функцию по преобразованию лучистого тепла в энергию, но не может защитить своего хозяина от ультрафиолетовых лучей солнца, поскольку ультрафиолет разрушает клетки меланина.


SOX10 регулирует несколько генов, регулирующих выработку эумеланина по сравнению с феомеланином у домашних сизых голубей.

Эрик Т. Домьян, факультет биологии, Университет Юта-Вэлли, Орем, штат Юта.

Биологический факультет Университета Долины Юты, Орем, Юта

Биологический факультет Университета Долины Юты, Орем, Юта

Биологический факультет Университета Долины Юты, Орем, Юта

Биологический факультет Университета Долины Юты, Орем, Юта

Биологический факультет Университета Долины Юты, Орем, Юта

Биологический факультет Университета Долины Юты, Орем, Юта

Кафедра химии, Школа медицинских наук Университета здоровья Фудзита, Тойокэ, Япония

Кафедра физиологии и биологии развития, Университет Бригама Янга, Прово, Юта

Биологический факультет Университета Долины Юты, Орем, Юта

Эрик Т. Домьян, факультет биологии, Университет Юта-Вэлли, Орем, штат Юта.

Биологический факультет Университета Долины Юты, Орем, Юта

Биологический факультет Университета Долины Юты, Орем, Юта

Биологический факультет Университета Долины Юты, Орем, Юта

Биологический факультет Университета Долины Юты, Орем, Юта

Биологический факультет Университета Долины Юты, Орем, Юта

Биологический факультет Университета Долины Юты, Орем, Юта

Кафедра химии, Школа медицинских наук Университета здоровья Фудзита, Тойокэ, Япония

Кафедра физиологии и биологии развития, Университет Бригама Янга, Прово, Юта


Селективное и чувствительное определение феомеланина в биологических образцах с использованием MEKC с лазерно-индуцированной флуоресцентной детекцией на основе дериватизации внутримолекулярной эксимер-образующей флуоресценции

Первоначально был описан метод высокоселективной мицеллярной электрокинетической капиллярной хроматографии (MEKC) с детектированием лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF) для чувствительного определения феомеланина в различных биологических материалах. Реагент дериватизации, 4- (1-пирен) масляная кислота. N-гидроксисукцинимидный эфир (PSE), позволяющий селективно детектировать два маркера аминогидроксифенилаланина (AHP) для феомеланина, контролируемого при 500 нм. Множественное мечение двух AHP с помощью PSE позволило сформировать внутримолекулярные эксимеры, которые излучают на более длинных волнах (500 нм), чем моно-меченые аналиты (360–420 нм), на основе внутримолекулярной дериватизации эксимер-образующей флуоресценции. Оптимальное разделение меченых полиаминов было достигнуто с использованием разделительного буфера, состоящего из 20 мМ фосфата pH 7,4, 30 мМ холата и 30% метанола. Используя эти условия, два AHP были разделены в течение 12 минут, и относительные стандартные отклонения (RSD) были менее 1,5 и 1,6% (внутри прогона), 3,8 и 4,6% (между прогонами, в течение 6-дневного периода). для времен миграции и площадей пиков (п = 10) соответственно. Этот метод был успешно применен для мониторинга феомеланина в различных биологических образцах с повышенным извлечением в диапазоне 94–101%. При соотношении сигнал / шум 3 предел обнаружения AHP в реальных образцах составил 31 пМ для 3-AHP и 35 пМ для 4-AHP, соответственно, что превосходит те, о которых ранее сообщалось в литературе с использованием флуоресцентного детектирования. .

Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение.


2. Объяснительный телеонатурализм

Философский натурализм обозначает широкий диапазон отношения к онтологическим вопросам. Мы используем & ldquoteleonaturalism & rdquo для обозначения столь же широкого диапазона натуралистических представлений о телеологии в биологии, которые объединены в отказе от любой зависимости от ментальных или интенциональных понятий в объяснении использования телеологических терминов в биологических контекстах. Таким образом, те, кто отвергает телеоментализм, обычно ищут условия истины для телеологических утверждений в биологии, которые основаны на нементальных фактах об организмах и их свойствах.

Некоторые телеонатуралисты анализируют телеологический язык как в первую очередь описательный, а не объяснительный, утверждая, что телеология в биологии подходит для биологических систем, которые демонстрируют целенаправленные, целенаправленные модели поведения (для которых Питтендрай (1958) ввел термин & ldquoteleonomic & rdquo). Для таких взглядов основная научная задача - объяснить телеономию, а не использовать телеономию в качестве объяснения (см. Thompson 1987). В то время как кибернетика потеряла свою привлекательность во второй половине двадцатого века, более современные подходы к живым системам, которые рассматривают их как самоорганизующиеся или «автопоэтические» (Maturana & amp Varela, 1980), имеют определенное сходство с описательным отношением к телеонатурализму, хотя большинство сторонников утверждают, что эти концепции разработанные в рамках этих подходов носят пояснительный характер.

Следовательно, большинство телеонатуралистов отдают предпочтение объяснениям биологической функции, которые делают объяснительную роль этого понятия желательным. Натуралистические отчеты обычно стремятся удовлетворить два дополнительных желания. Они должны отличать настоящие биологические функции от случайной полезности (например, носы, поддерживающие очки), и они должны фиксировать нормативный аспект функции, чтобы сохранить различие между функцией и нарушением. Хотя эти три desiderata не являются общепринятыми и не являются условиями адекватности в строгом смысле слова, они, тем не менее, достигли канонического статуса в рамках современных дебатов о биологических функциях.

В следующих разделах мы разделим различные способы различения различных телеонатуралистических представлений о функциях. Наше первое различие состоит в следующем: (а) взгляды, которые ассимилируют функциональные объяснения в биологии с моделями объяснения в небиологических науках, и (б) взгляды трактуют функциональное объяснение как явно биологическое.


Полученные результаты

Характеристика MC1R генотип и соотношение эумеланина и феомеланина

Мы установили 35 культур меланоцитов человека (NHM) из светлой крайней плоти (NHM-c) и восемь культур из темной крайней плоти (NHM-b) и сравнили их способность реагировать на α-MSH с дозозависимым увеличением пролиферации и активность тирозиназы, фермента, ограничивающего скорость синтеза меланина. Из них 33 NHM-c и семь NHM-b продемонстрировали дозозависимое увеличение активности и пролиферации тирозиназы в ответ на α-MSH в диапазоне испытанных доз. В остальных трех культурах ответ на α-MSH был минимальным или отсутствовал. Мы секвенировали всю кодирующую область MC1R в трех культурах с нарушенной реакцией на α-MSH и в десяти культурах, чувствительных к α-MSH (четыре NHM-b и шесть NHM-c). Мы проанализировали 11 из этих 13 культур на содержание эумеланина и феомеланина, чтобы оценить различия в их основной пигментации. Было включено большее количество культур NHM-c, чем культур NHM-b, поскольку MC1R ожидается, что он будет выше у людей со светлой кожей и фенотипом рыжих волос, чем у людей с темной кожей и цветом волос (Valverde et al., 1995 Smith et al., 1998 Harding et al., 2000).

Данные секвенирования, представленные в таблице 1, показали, что NHM 753-c был гомозиготным по Arg160Trp, NHM 830-c был гетерозиготным по Arg160Trp и Asp294His, а NHM 849-b был гетерозиготным по заменам Arg151Cys и Asp294His в MC1R. Все три культуры не ответили на α-MSH значительным дозозависимым увеличением активности тирозиназы (рис. 1B). NHM 755-c был гомозиготным по замене Val92Met и гомозиготным по молчащей мутации Thr314Thr в MC1R. Четыре других культуры были гетерозиготными по заменам Arg151Cys (NHM 731-c), Val60Leu (NHM 777-c), Arg163Gln (NHM 790-c) и Phe196Leu (NHM 780-b). Две культуры были гетерозиготными по замене Val92Met (NHM 754-b и 765-c). NHM 754-b и 780-b были гетерозиготными по молчащей мутации Thr314Thr и Thr177Thr соответственно. Только три культуры, NHM 729-b, 747-c и 751-b несли дикий тип MC1R генотип.

Определение MC1R генотип и относительное содержание эумеланина и феомеланина в культурах меланоцитов человека

Меланоцит. MC1R генотип. Эумеланин (мкг / 10 6 клеток). Феомеланин (мкг / 10 6 клеток). Эумеланин / феомеланин. Общий меланин (мкг / 10 6 клеток).
729-б Консенсусная последовательность 26.7 4.29 6.23 49.3
747-с Консенсусная последовательность 1.23 1.43 0.86 14.7
751-б Консенсусная последовательность ND ND ND 23.8
731-с Гетерозиготный по Arg151Cys ND ND ND 5.73
754-б Гетерозигота по Val92Met 34.4 2.49 13.8 41.8
755-с Гомозиготный по Val92Met 2.58 2.15 1.20 11.7
765-с Гетерозигота по Val92Met 0.83 0.55 1.51 4.20
777-с Гетерозигота по Val60Leu 1.46 3.01 0.49 14.6
790-с Гетерозиготный по Arg163Gln 1.25 0.87 1.44 8.81
780-б Гетерозигота по Phe196Leu 25.9 3.05 8.49 41.7
753-с Гомозиготный по Arg160Trp 0.66 0.86 0.77 3.3
830-с Соединение, гетерозиготное по Arg160Trp и Asp294His 2.30 1.48 1.55 4.60
849-б Соединение, гетерозиготное по Arg151Cys и Asp294His 14.9 3.64 4.09 33.8
Меланоцит. MC1R генотип. Эумеланин (мкг / 10 6 клеток). Феомеланин (мкг / 10 6 клеток). Эумеланин / феомеланин. Общий меланин (мкг / 10 6 клеток).
729-б Консенсусная последовательность 26.7 4.29 6.23 49.3
747-с Консенсусная последовательность 1.23 1.43 0.86 14.7
751-б Консенсусная последовательность ND ND ND 23.8
731-с Гетерозиготный по Arg151Cys ND ND ND 5.73
754-б Гетерозигота по Val92Met 34.4 2.49 13.8 41.8
755-с Гомозиготный по Val92Met 2.58 2.15 1.20 11.7
765-с Гетерозигота по Val92Met 0.83 0.55 1.51 4.20
777-с Гетерозигота по Val60Leu 1.46 3.01 0.49 14.6
790-с Гетерозиготный по Arg163Gln 1.25 0.87 1.44 8.81
780-б Гетерозигота по Phe196Leu 25.9 3.05 8.49 41.7
753-с Гомозиготный по Arg160Trp 0.66 0.86 0.77 3.3
830-с Соединение, гетерозиготное по Arg160Trp и Asp294His 2.30 1.48 1.55 4.60
849-б Соединение, гетерозиготное по Arg151Cys и Asp294His 14.9 3.64 4.09 33.8

В MC1R генотип 13 культур меланоцитов определяли путем анализа последовательности всей кодирующей области MC1R ген, как описано в разделе "Материалы и методы". Генотипы NHM 830-c и 849-c были дополнительно подтверждены анализом RFLP. Культуры меланоцитов сгруппированы в зависимости от того, являются ли они гомозиготными по консенсусу. MC1R, гетерозиготный по a MC1R вариант, или гомозиготный, или соединение, гетерозиготный по MC1R варианты. Культуры анализировали на содержание эумеланина, феомеланина и общего меланина. НД, не определено.

Дозо-ответы различных культур меланоцитов на α-МСГ. Ответы NHM 753-c, 830-c, 849-b и 755-c, гомозиготные или составные, гетерозиготные для MC1R варианты, и NHM 747-c, 729-c и 751-b, гомозиготные по консенсусу MC1R сравнивались. Также представлен ответ NHM 765-c, гетерозиготного по замене Val92Met, поскольку он сопоставим с NHM 753-c и 830-c по соотношению эумеланина и феомеланина. Ответы на α-MSH тестировали, как описано в разделе «Материалы и методы». Эффекты увеличения доз α-МСГ на образование цАМФ, активность тирозиназы и пролиферацию клеток представлены в A, B и C соответственно. Базальные уровни цАМФ (Pmole / 10 6 клеток) в тестируемых культурах были следующими: 753-c = 2,176 ± 0,134 830-c = 1,451 849-b = 1,172 ± 0,0219755-c = 2,193 ± 0,206 765-c = 1,675 ± 0,137 747-c = 1,074 ± 0,098729-b = 2,007 ± 0,128 751-b = 0,84 ± 0,103. В A и B каждое значение представляет собой средний процент контроля шести определений ± s.e. В C каждое значение представляет собой средний процент контроля трех определений ± s.e.

Дозовые реакции различных культур меланоцитов на α-МСГ. Ответы NHM 753-c, 830-c, 849-b и 755-c, гомозиготные или составные, гетерозиготные для MC1R варианты, и NHM 747-c, 729-c и 751-b, гомозиготные по консенсусу MC1R сравнивались. Также представлен ответ NHM 765-c, гетерозиготного по замене Val92Met, поскольку он сопоставим с NHM 753-c и 830-c по соотношению эумеланина и феомеланина. Ответы на α-MSH тестировали, как описано в разделе «Материалы и методы». Эффекты увеличения доз α-МСГ на образование цАМФ, активность тирозиназы и пролиферацию клеток представлены в A, B и C соответственно. Базовые уровни цАМФ (Pmole / 10 6 клеток) в тестируемых культурах были следующими: 753-c = 2,176 ± 0,134 830-c = 1,451 849-b = 1,172 ± 0,0219755-c = 2,193 ± 0,206 765-c = 1,675 ± 0,137 747-c = 1,074 ± 0,098729-b = 2,007 ± 0,128 751-b = 0,84 ± 0,103. В A и B каждое значение представляет собой средний процент контроля шести определений ± s.e. В C каждое значение представляет собой средний процент контроля трех определений ± s.e.

Анализ соотношения эумеланина и феомеланина показал, что культуры NHM-b стабильно экспрессируют более высокие отношения эумеланина к феомеланину, чем культуры NHM-c. Среднее (± стандартное отклонение) содержание эумеланина в культурах NHM-b (25,5 ± 8,02 п= 4) был более чем в десять раз выше (п≤0,01), чем у культур NHM-c (1,47 ± 0,72 п= 7). Кроме того, среднее (± стандартное отклонение) содержание феомеланина в культурах NHM-b (3,37 ± 0,77) было значительно выше (п≤0,01), чем у NHM-c (1,48 ± 0,86). В результате среднее (± стандартное отклонение) отношение эумеланина к феомеланину в NHM-b (8,15 ± 4,17) было в семь раз выше (п≤0,01), чем у NHM-c (1,12 ± 0,41).

Ответ меланоцитов на известную MC1R генотип к α-MSH

Культуры меланоцитов гомозиготны по консенсусу MC1R или гетерозиготны по одному варианту MC1R (представленные данными для NHM 765-c) ответили на α-MSH дозозависимым увеличением уровней цАМФ, активности тирозиназы и пролиферации (рис. 1). Различия в величине ответа на α-MSH среди культур можно объяснить дифференциальной экспрессией других генов, участвующих в регуляции пигментации. NHM 753-c, гомозиготный по Arg160Trp, 830-c, гетерозиготный по Arg160Trp и Asp294His, и замены 849-b, гетерозиготный по заменам Arg151Cys и Asp294His в MC1R, не реагируют или в 100 раз менее чувствительны, чем меланоциты дикого типа или меланоциты дикого типа. гетерозиготный по MC1Rварианты (рис. 1). Сравнение ответов на α-MSH NHM 753-c, 830-c и 849-b с ответом на NHM 765-c продемонстрировало значительные различия. NHM 753-c, 830-c и 849-b не показали значительного изменения уровней цАМФ после обработки α-MSH, как было определено с использованием критерия Стьюдента. т-тест. (рис. 1А). Напротив, NHM 765-c, гетерозиготный по замене Val92Met и с низким отношением эумеланина к феомеланину, отвечал на 0,1 или 10 нМ α-MSH со значительным увеличением уровней цАМФ по сравнению с контролем (66% и 4,5 раза, соответственно. п≤0,001, согласно оценке Стьюдента т-тестовое задание). NHM 755-c, гомозиготный по замене Val92Met, отвечал на 0,1 нМ и 10 нМα-MSH с 4-кратным и 11-кратным увеличением образования цАМФ (фиг. 1A).

Кроме того, NHM 753-c, 830-c и 849-b не показали изменений, в то время как NHM 765-c продемонстрировали значительное повышение активности тирозиназы в ответ на 0,1 или 1 нМ α-MSH (увеличение примерно на 90% или 130% соответственно. п& lt0.0001 с использованием Student's т-тест) (рис. 1Б). NHM 753-c, 830-c и 849-b не показали значительной стимуляции, в то время как NHM 765-c продемонстрировал 160% увеличение активности тирозиназы после обработки 10 нМ α-MSH. NHM 753-c, 830-c и 849-b ответили на 1 мкМ форсколин, активатор аденилатциклазы, с заметным увеличением пролиферации и активности тирозиназы. Это указывает на то, что их аденилатциклаза является индуцибельной и что их неспособность реагировать на α-MSH обусловлена ​​дефектом, лежащим выше аденилатциклазы (рис. 1B, C). NHM 755-c дозозависимо отвечал на 1 или 10 нМ α-MSH с повышением активности тирозиназы на 80 или 110% соответственно (п& lt0.001, как определено Студентом т-тестовое задание).

Как и ожидалось, культуры дикого типа для MC1R ответил дозозависимым увеличением пролиферации, начиная с дозы 0,1 нМ (Abdel-Malek et al., 1995 Suzuki et al., 1996). NHM 753-c и 849-b продемонстрировали значительное увеличение (на 38% по сравнению с контролем) количества клеток только после обработки 10 нМ α-MSH (п& lt0.01) NHM 830-c не показал стимуляции пролиферации ни при одной из использованных концентраций α-MSH (фиг. 1C). Для сравнения, NHM 765-c продемонстрировал 30 (п& lt0.1), 126 или 229% (п& lt0,0001), а NHM 755-c, гомозиготный по замене Val92Met, продемонстрировал увеличение числа клеток на 25, 70 или 96% по сравнению с контролем (п& lt0,0001) в ответ на 0,1, 1 или 10 нМ α-MSH соответственно. Дальнейший статистический анализ с использованием двухфакторного дисперсионного анализа показал, что эффекты 1 и 10 нМ α-MSH на уровни цАМФ, тирозиназную активность и пролиферацию NHM 753-c, 830-c и 849-b значительно отличаются от эффектов на NHM 747. -c, 729-b и 751-b с MC1R дикого типа (п≤0.01).

MC1R генотип и ответы меланоцитов на УФР

Мы оценили выживаемость культур меланоцитов после однократного воздействия УФБР в дозе 21 мДж / см 2. Эта обработка привела к 28, 31 и 34% гибели клеток NHM 753-c, 830-c и 849-b, соответственно, по сравнению с гибелью только 6% клеток NHM 765-c и 755-c через 2 дня после облучение (рис. 2). NHM 753-c, 830-c и 849-b столкнулись с 17, 22 и 27% гибелью клеток, соответственно, на 4-й день после воздействия UVB, по сравнению с 8 и 5% гибелью клеток в NHM 765-c и 755-c, соответственно (рис. 2).Различия в степени гибели клеток между культурами, которые не реагировали на α-MSH, и культурами с функциональным MC1R, были статистически значимыми, как было определено с помощью однофакторного дисперсионного анализа ANOVA, который учитывал чувствительность к α-MSH (п& lt0.0001). Ответы двух последних культур сопоставимы с ответами многих других культур с функциональным MC1R что мы проверили. Мы не обнаружили значительных различий в количествах УФ-В-индуцированных димеров циклобутан-пиримидина или фотопродуктов пиримидин-6,4-пиримидона в NHM 753-c с потерей функции. MC1R и NHM 765-c с функциональным MC1R которые имеют сопоставимое содержание меланина (данные не показаны). Культуры меланоцитов реагируют на УФВ-излучение линейным дозозависимым увеличением выработки внеклеточной перекиси водорода. Мы не обнаружили значительных различий в количестве внеклеточного образования перекиси водорода в NHM 830-c с потерей функции. MC1R и NHM-c с функциональным MC1R и сопоставимое содержание меланина (данные не показаны).

Цитотоксическое действие UVBR на меланоциты с разными генотипами MC1R. Мы сравнили ответ на UVBR гомозиготных или гетерозиготных NHM 753-c, 830-c и 849-b на мутации потери функции в MC1R с NHM 765-c и NHM 755-c, гетерозиготными или гомозиготными по замене Val92Met, соответственно. Все культуры меланоцитов облучали один раз УФBR, а количество клеток и жизнеспособность определяли на 2 и 4 дни после облучения, как описано в разделе «Материалы и методы». Каждое значение представляет собой средний процент гибели клеток по трем определениям ± s.e.

Цитотоксическое действие UVBR на меланоциты с разными генотипами MC1R. Мы сравнили ответ на UVBR гомозиготных или гетерозиготных NHM 753-c, 830-c и 849-b на мутации потери функции в MC1R с NHM 765-c и NHM 755-c, гетерозиготными или гомозиготными по замене Val92Met, соответственно. Все культуры меланоцитов облучали один раз УФBR, а количество клеток и жизнеспособность определяли на 2 и 4 дни после облучения, как описано в разделе «Материалы и методы». Каждое значение представляет собой средний процент гибели клеток по трем определениям ± s.e.


Функция сепала

Первоначальная функция чашелистиков - поддерживать и защищать цветок. бутон когда они закрываются вокруг него, пока он не готов зацвести. Чашелистики окружают лепестки и репродуктивные органы внутри цветка и защищают их от суровых условий окружающей среды и высыхания. После того, как цветок распустился, чашелистик может покрыться шипами и выполнять функцию защиты цветка у некоторых растений, в то время как у других он засыхает или присутствует, но больше не используется. В других случаях чашелистики могут увеличиваться в размерах и закрываться вокруг плода, чтобы защитить его от различных видов насекомых или пчел, или они могут становиться острыми и заостренными, как в роде. Acaena показано ниже. У этого цветка нет лепестков, но чашелистики острые и служат защитой для плода, несущего множество семян. Другой механизм защиты, который используют чашелистики некоторых растений, заключается в выработке химикатов, которые отпугивают хищников.


Цветок: части и функции | Биология

Типичный цветок состоит из четырех оборотов цветочных придатков, прикрепленных к цветоложу, т. Е. Чашечки, венчика, андроция и гинецея. Из них два нижних оборота, т. Е. Чашечка и венчик, стерильны и считаются второстепенными / вспомогательными / вспомогательными оборотами, а два верхних оборота, то есть андроций и гинецей, являются плодородными и считаются основными или репродуктивными.

Ниже приведены различные мутовки цветка:

Это самая внешняя мутовка цветочных листьев. Отдельный сегмент листа называется чашелистником. Чашелистики в основном зеленые, но в некоторых случаях они окрашены как лепестки, их называют лепестковидными. Они выполняют защитную функцию. Они могут упасть сразу после раскрытия цветка или могут оставаться стойкими и защищать развивающиеся плоды.

Это вторая мутовка цветочных листьев, которая поднимается внутри чашечки. Отдельный лист венчика называется лепестком. Лепестки ярко окрашены и ароматны, что делает цветок привлекательным. Они привлекают насекомых-опылителей и помогают в опылении.

Лепестки и чашелистики вместе образуют цветочный конверт. Цветочная оболочка, включающая чашечку и венчик, называется околоцветником. Отдельный член околоцветника, когда чашелистики и лепестки не дифференцированы четко, называется листочком околоцветника.

Это третий оборот цветочных придатков, которые возникают внутри венчика. Индивидуальный аппарат - тычинка, представляющая мужской репродуктивный орган.

Каждая тычинка состоит из пыльника и нити, обычно пыльники двулопастные и содержат четыре микроспорангии, но иногда имеют только одну лопасть и две микроспорангии.

Точка тычинки, соединяющая пыльник и нить, называется соединительной. Его основная функция - производство микроспор, то есть пыльцевых зерен, содержащих мужские гаметы в пределах доли пыльника.

(iv) Гинецей / пестик:

Это четвертый и последний оборот цветочных придатков, который представляет женский репродуктивный орган и состоит из трех частей: яичника, рыльца и стигмы.

Они приведены ниже:

(а) Яичник - это базальная вздутая часть плодолистика, которая несет одну или несколько семяпочек.

(б) Стигма - это чувствительное место, в котором находятся пыльцевые зерна.

(c) Стиль - это связь между стигмой и яичником.

Он помогает частям тела в производстве мегаспор, фруктов и семян.

Функции цветка:

Ниже приведены функции цветка:

(а) Цветы - это разновидности побега, выполняющие функцию полового размножения.

(b) Плодородные листья становятся микроспорофиллами и мегаспорофиллами, несущими соответственно пыльники и семяпочки. Пыльники производят пыльцевые зерна, а семяпочки содержат яйца.

(c) Цветки имеют различную форму, чтобы помочь разнообразным способам опыления.

(d) Они обеспечивают семена для прорастания пыльцы, развития пыльцевой трубки, образования гамет и оплодотворения.

(e) Цветочные части превращаются в плоды и семена после оплодотворения.


Цинк и иммунная функция: биологическая основа измененной устойчивости к инфекции

Известно, что цинк играет центральную роль в иммунной системе, и люди с дефицитом цинка испытывают повышенную восприимчивость к различным патогенам. Иммунологические механизмы, посредством которых цинк регулирует повышенную восприимчивость к инфекции, изучались в течение нескольких десятилетий. Ясно, что цинк влияет на множество аспектов иммунной системы, от кожного барьера до регуляции генов в лимфоцитах. Цинк имеет решающее значение для нормального развития и функционирования клеток, опосредующих неспецифический иммунитет, таких как нейтрофилы и естественные клетки-киллеры. Дефицит цинка также влияет на развитие приобретенного иммунитета, предотвращая как рост, так и определенные функции Т-лимфоцитов, такие как активация, выработка цитокинов Th1 и помощь В-лимфоцитам. Точно так же нарушается развитие В-лимфоцитов и выработка антител, особенно иммуноглобулина G. На макрофаг, ключевую клетку во многих иммунологических функциях, негативно влияет дефицит цинка, который может нарушать регуляцию внутриклеточного уничтожения, выработки цитокинов и фагоцитоза. Влияние цинка на эти ключевые иммунологические медиаторы уходит корнями в бесчисленное множество ролей цинка в основных клеточных функциях, таких как репликация ДНК, транскрипция РНК, деление клеток и активация клеток. Апоптоз усиливается дефицитом цинка. Цинк также действует как антиоксидант и может стабилизировать мембраны. В этом обзоре исследуются эти аспекты биологии цинка иммунной системы и делается попытка предоставить биологическую основу для измененной устойчивости хозяина к инфекциям, наблюдаемой во время дефицита цинка и приема добавок.


Влияние новых технологий на биологические науки

По сравнению с физикой, химией и другими физическими науками, биология не так последовательно, быстро и не так тщательно использовала возможности, предоставляемые новыми технологиями. За некоторыми примечательными исключениями традиционные методы визуализации, сбора данных и анализа оставались основой прогресса в биологических науках. Однако многие из основополагающих достижений биологии в последние годы были в значительной степени основаны на творческом применении новых технологий. Вполне вероятно, что эта тенденция сохранится, поскольку технический прогресс продолжает открывать возможности для научного прогресса. Управление биологических наук (BIO) Национального научного фонда (NSF) изучает механизмы для организации и финансирования исследовательской деятельности, которая будет способствовать развитию и использованию передовых и / или новых технологий для решения фундаментальных проблем в биологических науках. Чтобы получить информацию от экспертов в этой области, которые могли бы помочь в ее стратегическом планировании, Директорат BIO призвал директоров Центров науки и технологий (НТЦ), которые он поддерживает, организовать семинар для изучения «Влияние новых технологий на биологический мир». Науки ». Семинар проводился в NSF в июне 1995 года. В нем приняли участие директора научно-технических центров (STC), поддерживаемых Директоратом BIO, а также избранные лидеры в ключевых областях исследований как в науке, так и в технологиях из академических кругов. и промышленность. Двухдневная сессия была очень продуктивной и принесла множество идей, информации и предложений, которые дадут конкретное направление будущим усилиям BIO в этой области. Я хотел бы отметить ключевую роль доктора Ланса Тейлора, директора Центра световой микроскопии и биотехнологии Университета Карнеги-Меллона. Доктор Тейлор работал в тесном сотрудничестве с персоналом Директората BIO в организации семинара и разработке его тем, а также сыграл важную роль в разработке этого отчета. Я определенно хочу поблагодарить доктора Мэри Клаттер, помощника директора NSF по биологии, за ее лидерство в этой работе и за ее заинтересованную поддержку во время самого семинара. Также выражаем благодарность доктору Джеймсу Брауну, директору отдела биологических инструментов и ресурсов доктору Джеральду Зельцеру, директору программы специальных проектов BIO, за материально-техническую и интеллектуальную поддержку семинара, а также Кортленду Льюису, консультанту, за его помощь в проведении семинара. готовим отчет о семинаре. Наконец, я хочу с благодарностью отметить энтузиазм участников семинара, которые по-настоящему «продумали» эти вопросы на взаимовыгодной, эффективной и в то же время вдохновляющей интеллектуальной манере. Я считаю, что их усилия, описанные здесь, привели к более широкому вниманию к новым технологиям, которые откроют новые захватывающие направления в биологии в предстоящие годы.

Это захватывающие времена для биологии. В течение следующего десятилетия биологические науки вырастут по мере слияния фундаментальной науки с новыми технологиями. Проблемы биологических исследований все чаще стимулируют развитие технологий, а новые технологии, в свою очередь, стимулируют прогресс в науке. Это отчет о семинаре, проведенном в Национальном научном фонде, который преследовал две цели: выявление новых технологий, которые могут повлиять на биологические исследования, и поиск способов более эффективного развития и использования этих технологий посредством изменений в научной инфраструктуре и механизмах поддержки. .

Участникам семинара удалось определить широкий спектр новых технологий, в том числе пять, которые они считали наиболее приоритетными. В своем отчете они призывают NSF уделять больше внимания развитию технологий и применять междисциплинарный подход к объединению биологии с новыми технологиями, создавая для этой цели новые программы. Они рекомендуют более междисциплинарное научное образование, чтобы уменьшить «языковые барьеры» между дисциплинами и подготовить кадры исследователей, способных разрабатывать и применять новые технологии в биологии. Они подчеркивают, что научные ресурсы должны использоваться консервативно, с более четкой установкой приоритетов NSF наряду с большей специализацией объектов и исследовательской деятельности университетами. Академические администраторы могут многое сделать для продвижения и облегчения междисциплинарных исследований и разработки технологий, признавая свою легитимность и признавая ее в политике и практике.

Великая задача и возможность для биологической науки на пороге 21 века - это понять биологические системы во всей их сложности, при этом сохраняя и используя биологические системы устойчивым образом. Инструменты, позволяющие справиться с этой сложностью, потребуют адаптации и применения новых технологий.

Среди множества новых инструментов, которые необходимы или потребуются, некоторые из них имеют наивысший приоритет:

  • биоинформатика
  • вычислительная биология
  • инструменты функциональной визуализации с использованием биосенсоров и биомаркеров
  • технологии трансформации и временной экспрессии
  • нанотехнологии

Расширение взаимодействия между университетами и промышленностью, вероятно, ускорит разработку и применение новых технологий в биологических науках. NSF может способствовать такому взаимодействию, финансируя программы обмена, совместные исследования и конференции. Фонд мог бы служить в качестве центра обмена информацией о недостаточно используемых и потенциально ценных технологиях, которые в настоящее время «лежат на полке». Также была бы полезна разработка более формальных стандартов прав интеллектуальной собственности.

Эти и другие рекомендации подробно описаны в первой главе отчета, где очевидна их важность и своевременность.

Биология стоит на перепутье. Биологические науки отставали от других наук, таких как физика и химия, в широкомасштабном применении передовых технологий для решения исследовательских задач. Однако за последние 20 лет технологии все больше демонстрируют свой потенциал в качестве катализатора революционных прорывов в биологических науках.

От сканирующего туннельного микроскопа до технологий клонирования генов и спутников дистанционного зондирования - новые технологии стимулировали новые исследования и даже породили новые отрасли.

Теперь появляются новые технологии, которые обещают обеспечить аналогичный быстрый прогресс в биологических науках, если их можно будет вовремя и эффективно объединить в исследованиях и образовании. В то же время, однако, появился еще один фактор, который имеет огромные последствия для исследований и образования во всех науках: снижение федеральной поддержки академических исследований, сокращение бюджетов промышленных НИОКР, сильная глобальная конкуренция в исследованиях, а также в развитии технологий и возрастающая сложность. Стоимость и скорость развития технологий - все это исторический сдвиг парадигмы научных исследований в Соединенных Штатах.

Таким образом, новые технологические и научные возможности сочетаются с новой средой для исследований и образования, создавая серьезные проблемы и возможности для биологических наук. Директорат биологических наук (BIO) Национального научного фонда (NSF) созвал семинар лидеров биологических исследований и развития технологий, чтобы изучить способы решения этой проблемы. Они сделали ряд выводов и разработали рекомендации относительно действий, которые могут быть предприняты для содействия успешному объединению новых технологий с исследованиями и образованием в области биологических наук. Эти выводы и рекомендации резюмируются здесь.

Великая задача и возможность для биологической науки на пороге 21 века - понять биологические системы во всей их сложности, сохраняя и используя биологические системы устойчивым образом. Инструменты для решения этой сложности потребуют адаптации и применения новых технологий не только из биологии, но и из многих других областей науки и техники. Существует острая необходимость в использовании и разработке новых аналитических инструментов на всех уровнях - от молекулярного до клеточного, системы, организма и сообщества организмов. Ключевым моментом будет сочетание передовой биологии с соответствующими технологиями. В некоторых случаях сама технология будет передовой. В других случаях «правильными» технологиями будут те, которые уже были проверены в других областях, но их применение в биологии является новым. В других областях биологические науки могут быть первыми пользователями или могут дать первоначальный импульс развитию новых технологий.

Участники семинара определили широкий спектр применимых новых технологий, которые представлены в таблице в разделе III «Новые технологии». Среди множества новых инструментов, которые необходимы или будут необходимы, некоторые из тех, которые имеют наивысший приоритет, следующие:

  • биоинформатика, облегчающая биологические исследования за счет значительного улучшения нашей способности накапливать, обрабатывать и визуализировать данные
  • вычислительная биология применяется к сложным системам для достижения прогресса в структурной биологии (например, химические события молекулярной динамики в клетках, тканях, органах и организмах, а также динамика популяций и экосистем)
  • инструменты функциональной визуализации с использованием биосенсоров и биомаркеров для определения функций клеток, тканей, органов и организмов
  • технологии трансформации и временной экспрессии, позволяющие использовать животных, растения и системы клеточных культур в качестве систем экспрессии для производства соединений для исследований и торговли, а также
  • нанотехнологии для создания небольших машин для микроанализа и микроманипуляции.

Междисциплинарный подход к биологической сложности

Мы пришли к выводу, что понимание биологической сложности и разработка инструментов для эффективного достижения этой цели потребует междисциплинарного подхода в контексте целевых программ исследований и разработок.

Рекомендация: NSF следует поощрять и облегчать усилия, направленные на разработку инструментов, необходимых для решения биологической сложности. С этой целью общий инвестиционный портфель Фонда в области биологии должен уделять больше внимания разработке и применению технологий. Среди важных действий необходимо:

  • Увеличьте поддержку междисциплинарного сотрудничества в области разработки технологий. Значительное финансирование в этой области должно быть направлено небольшим междисциплинарным группам и исследовательским центрам, охватывающим разные факультеты и разные университеты, с упором на сотрудничество между биологией и физическими или компьютерными науками и инженерией.
  • Создавайте новые программы, направленные на объединение биологии с новыми технологиями. Они могут входить в состав Управления биологических наук и / или перекрестного управления. Чтобы облегчить формирование таких программ и управление ими, NSF следует рассмотреть возможность создания Отдела биотехнологии в Управлении BIO. Структура программы должна быть достаточно гибкой, чтобы охватывать новые разработки и позволять быстро реагировать на возникающие технологические возможности.
  • Поддержите серию междисциплинарных семинаров по новым технологиям в конкретных областях (например, «Применение твердотельной электроники в биологии»).

Инициируя эти изменения в финансировании, важно поддерживать поддержку и признавать центральную важность отдельного исследователя.

Образование и человеческие ресурсы

Проблема внедрения других дисциплин и их технологий в биологию заключается в преодолении «языкового барьера» между дисциплинами.Мы пришли к выводу, что один из эффективных подходов к уменьшению этого барьера - это изменить образовательный процесс, сделав его более междисциплинарным. С этой целью мы предлагаем следующее:

Рекомендация: NSF и NIH должны расширять программы, которые способствуют междисциплинарному обучению в области биологии (т. Е. Со значительными требованиями к курсам физических и компьютерных наук, математики и / или инженерии) для студентов и молодых ученых. Высшее образование по биологии должно включать существенные требования к курсу по крайней мере по одной дисциплине, не входящей в основную область. Промышленное облучение должно быть доступным для всех студентов-биологов. Чтобы облегчить эти улучшения, исследовательские учебные группы, в настоящее время финансируемые Управлением BIO, могут быть расширены. Целью должно быть формирование штата исследователей, обладающих опытом разработки и применения новых технологий в биологических науках.

Рекомендация: естественнонаучное образование на уровне бакалавриата должно быть широким, с существенным знакомством с другими научными дисциплинами и основами инженерии. Кроме того, обучение каждого бакалавра биологии должно включать значительный исследовательский опыт.

Поскольку многие зарубежные страны стремительно развивают впечатляющие академические исследования и научно-производственный потенциал, вполне вероятно, что все больший процент иностранных студентов, обучающихся по научным программам в американских университетах, вернется в свои страны после окончания учебы. Эта тенденция вызовет нехватку ученых на факультетах и ​​отраслях американских университетов. Мы пришли к выводу, что необходимо привлечь больше граждан США в науку и что ключом к этому является дошкольное образование.

Рекомендация: Национальному научному фонду следует уделять особое внимание научным программам K-12, в которых воображение детей с самого раннего возраста захватывается чудесами науки. Каждое научное управление должно иметь прямую ответственность за работу с общественностью K-12.

Рекомендация: необходимо наладить более тесное сотрудничество и взаимодействие между Управлением образования и человеческих ресурсов (EHR) и научными управлениями. Для обеспечения надлежащего научного содержания необходимо больше программ по распространению информации об ЭУЗ, которые будут присуждаться через научные управления.

Рекомендация: чтобы побудить больше студентов, аспирантов, докторантов, занимать преподавательские должности в начальных и средних школах, NSF следует разработать механизм (например, летнее научное сотрудничество), который позволит им поддерживать связь с исследовательским отделом университета и тем самым обновлять их базу знаний. .

Ограничения на финансирование

По крайней мере, в ближайшие несколько лет у NSF, скорее всего, не будет роста или даже сокращения своего бюджета. В реальном выражении это приведет к сокращению государственной поддержки университетских исследований. Мы пришли к выводу, что есть два основных последствия для развития новых технологий.

Во-первых, ресурсы необходимо использовать консервативно и разумно. С этой целью мы рекомендуем следующее:

Рекомендация: Все научные управления NSF должны внимательно изучить свои существующие центры, помещения, гранты и другие расходы и посмотреть, где можно вернуть ресурсы. Следует создать группу с голубой лентой для единообразного анализа этих расходов во всех управлениях и определения соответствующих приоритетов для их поддержки.

Рекомендация: в университете должна быть больше специализации учреждений с, как следствие, целенаправленным упущением аналогичных средств в других университетах. Каждый университет должен сосредоточиться на создании определенного количества тщательно отобранных специализированных учреждений.

Рекомендация: Все новые объекты и исследовательские центры должны иметь в контракте «оговорку о закате», чтобы оптимизировать вложение ограниченных средств в новые технологии.

Рекомендация: Обзор предложений по биологическим базам данных должен включать более подробное рассмотрение рыночных сил, т.е. действительно ли это необходимо? Может ли частный сектор это предоставить? Кроме того, обзор должен учитывать наличие адекватного компьютерного оборудования и каналов электронной связи для доступа к базе данных.

Во-вторых, необходимо будет совместно использовать ценные ресурсы и оборудование. Таким образом, мы рекомендуем следующее:

Рекомендация: NSF следует разместить мощные и дорогостоящие объекты (например, центр информатики, объект белка, объект структурной биологии) в соответствующих учреждениях и потребовать или создать механизмы совместного использования для их использования исследователями в других учреждениях на региональном или национальном уровне. Такие средства могут быть частично «виртуальными» в том смысле, что их базы данных должны быть доступны в электронном виде, и даже измерения и анализ могут быть удаленными.

Сотрудничество между агентствами

В эту эпоху строгих бюджетов важно искать возможности для агентств с взаимодополняющими интересами и программами сотрудничать в разработке и применении технологий в биологии. Примером могут служить совместные программы NSF и Национальных институтов здравоохранения, Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства, Агентства по охране окружающей среды или министерств энергетики и сельского хозяйства.

Рекомендация: NSF должен играть ведущую роль в поощрении межведомственного и межведомственного сотрудничества по разработке и применению технологий в биологии.

Роль и обязанности университета

Академическое отношение и политика играют очень важную роль в направлениях исследовательской работы преподавателей. Текущая среда в большинстве институтов склонна направлять ученых к «чистым» исследованиям в специализированных областях и от разработки новых инструментов и технологий, а также к промышленно ориентированным исследованиям. Мы пришли к выводу, что необходимы изменения в восприятии многими администраторами того, что составляет уместную академическую деятельность преподавателей-исследователей.

Рекомендация: Академические администраторы и политики должны способствовать и способствовать пересечению дисциплинарных границ преподавателями-исследователями. Вот некоторые конкретные предложения:

  • Примите законность прикладной биологии и биоинженерии как академических занятий, уделяя должное внимание патентам и деятельности по развитию технологий при принятии решений о продвижении и владении.
  • Отдайте должное решениям о продвижении по службе и сроках пребывания за успешное участие и лидерство в проектах с участием нескольких исследователей.
  • Поощрять и облегчать участие преподавателей в исследованиях, имеющих отношение к отрасли, финансируемых или даже организованных и направляемых ею.

Университетско-промышленное взаимодействие

Сотрудничество между университетами и промышленностью в применении новых технологий в биологии потенциально может быть очень плодотворным. Оба сектора и правительство должны сыграть свою роль.

Рекомендация: NSF следует расширить возможности академического обмена между университетами и промышленностью, например, в рамках программы GOALI. Можно изучить возможность использования промышленных фондов согласования.

Рекомендация: NSF следует выделить дополнительные средства для облегчения взаимодействия между университетами и промышленностью - например, через программу исследований инноваций малого бизнеса. Эффективные механизмы включают совместные или совместные исследовательские проекты, совместные объекты для фундаментальных исследований и совместные семинары и конференции.

Мы пришли к выводу, что академическое отношение к работе с промышленностью должно изменить отрасль - это не «глубокий карман», не конкурент или недостойный партнер. Соответствующее наблюдение заключается в том, что сотрудничество между университетом и промышленностью, по-видимому, упрощается, если проект небольшой, сфокусированный и сосредоточен на конкретной цели.

Права интеллектуальной собственности (ПИС) часто представляют собой препятствие для взаимодействия университетов и промышленности. Переговоры часто бывают долгими и подробными, и обе стороны часто не могут понять потребности и приоритеты друг друга. В каждом отдельном соглашении есть аспекты, которые делают его уникальным. Мы пришли к выводу, что дополнительное понимание и, возможно, некоторая дальнейшая формализация в этой области посредством типовых соглашений были бы полезны.

Рекомендация: NSF следует провести семинар по ПИС между государством, университетом и промышленностью и передаче технологий в области биотехнологии. Один из вопросов, который следует изучить, - это разработка набора стандартов для ПИС, который сместил бы акцент университетов и промышленности с краткосрочных выгод на долгосрочные возможности.

Часто потенциально полезные технологии, разработанные в промышленности, становятся «квотофонами», потому что корпоративное руководство не видит достаточного рынка, чтобы оправдать дальнейшее развитие, или они могут иметь приложения в биологии, которые сильно отличаются от тех, для которых они были разработаны. Точно так же технологии, разработанные университетскими исследователями, могут томиться «на полке», потому что не появляется ни одно агентство, которое желало бы продвигать их к более полному осознанному состоянию развития. Мы пришли к выводу, что значительный потенциал может заключаться в поиске подходящих "домов" для таких технологий в биологических науках.

Рекомендация: NSF может служить в качестве центра обмена информацией по недостаточно используемым и бесхозным технологиям, находящимся в промышленности, университетах и ​​других государственных и частных учреждениях. Фонд подготовит базу данных, содержащую общие описания технологий, доступных предпринимателям и другим лицам, при необходимости в соответствии с соглашениями о конфиденциальности. (В этом контексте, возможно, более тесная связь между NSF и Патентным ведомством США принесет значительную пользу обществу.)

Обзор предложения

Процесс и критерии, используемые при рассмотрении заявки, имеют решающее значение для определения направления и потенциала успеха любой новой исследовательской инициативы, но особенно той, которая включает сочетание дисциплин. Мы заключаем, что для достижения междисциплинарного подхода к исследованиям и развитию технологий процесс рассмотрения предложения должен соответствовать этой цели.

Рекомендация: NSF следует тщательно адаптировать состав комиссий по рассмотрению предложений в этой области с учетом междисциплинарного характера рецензентов работ, которые должны иметь личный опыт проведения междисциплинарных исследований. Социальная и экономическая полезность должна быть включена в качестве одного из критериев финансирования при рассмотрении заявки.

Текущий процесс рассмотрения предложения NSF проводится по частям. Предложения рассматриваются отдельно, а не как часть общего инвестиционного портфеля.

Рекомендация: В каждом управлении необходимо найти способы связать анализ потенциальных новых программ с обзором существующих программ. Например, контрольным комиссиям следует дать обзор расходов Управления и дать указание критически рассмотреть предлагаемые инвестиции в ресурсы с точки зрения «большой картины» портфеля.

Предложения «методов» в прошлом обычно рассматривались неблагоприятно по сравнению с биологическими исследованиями, часто они считались слишком прозаичными. Мы пришли к выводу, что разработка методов будет играть все более важную роль в развитии биологических наук.

Рекомендация: NSF следует запрашивать предложения по разработке методов со средним и высоким уровнем риска, возможно, включая предложения по центрам, посвященным разработке методов. Эти предложения следует рассматривать отдельно от стандартных исследовательских грантов.

Особые вопросы и опасения

В ходе семинара возник ряд особых вопросов и проблемных тем, которые потребуют дальнейшего изучения, поскольку участники семинара не чувствовали себя достаточно квалифицированными, чтобы обсуждать их подробно или давать рекомендации по ним. Они кратко перечислены здесь как возможные «пищу для размышлений» для читателей этого отчета или для будущих исследовательских групп.

  • Правильно ли организован NSF в настоящее время для достижения тесной интеграции между исследованиями и образованием?
  • Должны ли Руководство NSF по заявке на грант и Руководство по программам явно поощрять исследования, направленные на разработку и адаптацию технологий?
  • Имеют ли офисы трансфера технологий в университетах правильный взгляд на работу с промышленностью? Если нет, что можно сделать для улучшения ситуации?
  • Могут существовать некоторые & quotsocioeconomic проблемы, связанные с междисциплинарной работой & # 151, особенно в больших, общих помещениях & # 151 в связи с взаимодействием профессорско-преподавательского состава с преподавательским составом, преподавательского состава с промышленными исследователями и присутствием профессионального персонала (особенно нанятого из промышленности). Между этими группами существуют различия в ожиданиях, компенсации, языке и профессиональном социальном взаимодействии, что может вызвать трения. Все эти различия необходимо устранить, но некоторые из них могут быть трудными (например, набор и удержание компетентных инженеров-программистов, которые высокооплачиваются в отрасли и чья компенсация может быть трудной для университетов).

Эпилог

Новые захватывающие возможности в биологии только начинают реализовываться благодаря достижениям в медицине, фармацевтике, сельском хозяйстве, экологии и судебной медицине. Это только начало. Подобно тому, как химия и электроника помогли определить 20-й век, биологические науки могут легко помочь сформировать жизнь в 21-м веке. Но способность добиться быстрого прогресса в широком спектре областей биологии будет в значительной степени зависеть от интеграции новых технологий с биологическими исследованиями. Это потребует нового системного взгляда на биологические науки, более последовательного понимания взаимоотношений между науками, а также между науками и технологиями.

Рекомендации и действия, предложенные в этом отчете, если они будут приняты, значительно улучшат прогресс в биологических науках и, следовательно, качество жизни в грядущем столетии.

Технология: катализатор открытий

Традиционно мы думаем, что научные открытия являются движущей силой развития технологий, но часто бывает наоборот. На самом деле между ними существует тесный симбиоз. Особенно сегодня, с кажущимся распространением междисциплинарных исследовательских групп и центров, группы исследователей обычно занимаются фундаментальной наукой и разработкой инструментов одновременно. Исследователи всех дисциплин привыкли к тому, что они должны использовать последние технологические достижения, чтобы оставаться на передовых позициях в своей области. Таким образом, сегодня технологии играют ключевую роль в развитии биологической науки, и эта роль резко контрастирует с ее традиционно низким статусом в научной сфере.

Революция, происходящая в биологических науках, основана на том факте, что сегодня биологическая информация может быть расшифрована и обработана с экспоненциально возрастающей скоростью. Биологическая информация подразделяется на три общие категории, которые представляют возрастающие уровни сложности: (1) одномерная информация ДНК - цифровой информационный архив - с ее четырехбуквенным языком (2) трехмерная информация белков, молекулярных машин. жизни, с их языком из двадцати букв и (3) наиболее сложной из всех четырехмерной информацией живых систем - взаимодействием сложных систем, включая молекулы, клетки, ткани, органы, организмы, популяции и сообщества - с его пока еще только частично определенный язык. Эта последняя категория объединяет первые две и кодирует наиболее интересные черты микробов, растений и животных, включая отдельных людей и популяции живых систем.

Основные достижения в науке, включая биологические науки, были стимулированы применением новых технологий для решения конкретных задач, таких как эти, действительно, общим знаменателем большинства значительных достижений в биологии за последние десятилетия было оптимальное применение технологий для решения конкретных задач. особая проблема. В некоторых случаях основные разработки, первоначально нацеленные на одну область, с большим успехом применялись в другой области. Это междисциплинарное взаимное обогащение стало визитной карточкой американской науки. Примеры областей, которые были созданы или сильно стимулированы появлением новых (или недавно применяемых) технологий, включают:

  • Медицина и физиология с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ) и компьютерной томографии (CAT)
  • Микробиология с помощью различных форм электронной микроскопии
  • Биология развития с помощью технологии секвенирования ДНК
  • Генетика с помощью технологии рекомбинантной ДНК и трансгенных организмов
  • Криминалистика с помощью ПЦР и других технологий ДНК
  • Экосистемная наука через математическое моделирование
  • Фармакология через комбинаторную химию
  • Физика элементарных частиц на атомных ускорителях
  • Метеорология с помощью спутников дистанционного зондирования
  • Астрофизика с помощью радио- и рентгеновской телескопии.

И, конечно же, почти каждая область науки и техники была стимулирована - в некоторых случаях революционизирована - благодаря достижениям в твердотельной электронике и сопутствующему появлению мощных недорогих компьютеров, которые обеспечивают быстрые вычисления, моделирование и симуляцию, а также быстрый доступ. к огромным базам данных.

Можно привести несколько умозрительных примеров потенциальных областей в биологических науках, развитие которых может быть обусловлено новыми технологиями. К ним относятся: сравнительная геномика (с помощью передовых технологий быстрого секвенирования), экология наземных экосистем (с помощью инструментов масштабного моделирования, микросенсоров и дистанционного зондирования), структурная биология (с помощью улучшенных источников рентгеновского излучения и устройств ядерного магнитного резонанса), биоинформатика (с помощью улучшенного компьютерного оборудования и программное обеспечение) биотехнология (с помощью передовых технологий обработки), биоремедиация (за счет достижений в характеристике участков и возможностей мониторинга) и клеточная, эволюционная и нейробиология (за счет улучшенных реагентов и методов визуализации).

Процесс разработки и внедрения технологий

При рассмотрении вопроса о том, как способствовать развитию новых технологий, возникает важный вопрос: как возникают новые технологии?

Некоторые прорывы были вызваны целенаправленными усилиями по разработке технологий для решения значительных исследовательских проблем, которые были ограничены технологией - процесс, который можно было бы назвать «рыночным притяжением». Например, размер и сложность генетического материала, который контролирует Форма и функции живых систем потребовали значительного развития технологий для картирования, упорядочивания и манипулирования ДНК с высокой пропускной способностью. Методы крупномасштабного картирования ДНК и секвенирования были разработаны для решения задачи создания высокопроизводительных инструментов. Кроме того, технологии микротехнологии, сочетающие кремниевый пластинчатый материал с методами твердофазного химического массива, позволили быстро и с небольшими размерами образцов проводить скрининг матриц конкретных последовательностей ДНК. На горизонте появятся более совершенные автоматизированные инструменты, основанные на разработке новых методов микрообработки и анализа с использованием гибридных технологий из биологии, химии, материаловедения, физики, инженерии и информатики. Также потребуются высокопроизводительные вычисления и связь для обработки, анализа, отображения, поиска и архивирования огромных наборов данных.

В других случаях новые технологии возникают в результате случайных прорывов либо в фундаментальной науке, либо в результате применения недавно открытых научных принципов. Хорошим примером является разработка магнитно-резонансной томографии (МРТ) для изучения физиологических процессов у живых растений и животных, включая человека. В 1930-х годах физики охарактеризовали магнитные свойства ядер элементов с целью понимания структуры ядра.Химики, начиная с 1950-х годов, разработали инструмент ядерного магнитного резонанса для химического анализа. Впоследствии биологи с междисциплинарным опытом в области физики и химии осознали потенциал использования магнитных полей для создания изображений ядер в образце. Сегодня МРТ - это важный инструмент для изучения фундаментальных физиологических процессов в живых системах и важный инструмент медицинской диагностики. Будущие разработки будут включать внедрение высокопроизводительных вычислительных и коммуникационных технологий для получения, обработки, анализа, отображения, поиска и архивирования сложных изображений с помощью «виртуальных лабораторий».

Как правило, разработка новых технологий происходит либо посредством промышленных инноваций (иногда случайно, но чаще в форме целенаправленных усилий по разработке), либо благодаря открытиям академических исследователей (обычно случайно). Федеральное финансирование академических исследований стало ключом ко многим академическим достижениям.

Когда технология существует и используется, существует множество механизмов, с помощью которых она может применяться в новых и различных областях. Основным средством является признание ее полезности в разных дисциплинах исследователями, которые узнают о технологии и творчески подключаются к своим потребностям - процесс, который иногда называют «технологическим толчком». Улучшение возможностей, безусловно, имеет тенденцию расширять применимость новой технологии. технологии, особенно если они представляют собой модификации, специфичные для нужд конкретной области. Снижение стоимости, обычно за счет более широкого использования и сопутствующей экономии от масштаба, ведет к еще более широкому использованию.

Некоторые из традиционных механизмов, которые хорошо зарекомендовали себя при создании этого «квотаха!» Признания, - это профессиональная осведомленность посредством публикаций, конференций и других средств профессионального общения. технологические возможности.

Мы вполне можем спросить, как эти процессы разработки и внедрения технологий могут измениться в будущем. Вероятно, будет больше запланированных стратегических усилий, особенно в академической среде. Мы также, вероятно, увидим более широкое междисциплинарное сотрудничество. Интуиция всегда будет играть роль, но междисциплинарность будущих исследований создаст новую среду для творческих людей, которые будут заниматься научными открытиями.

Меняющиеся парадигмы биологической науки и технологий

Для участников семинара очевидно, что мы переживаем серьезный сдвиг парадигмы в способах развития науки и технологий. В этом сдвиге парадигмы есть два не менее важных компонента:

  • во-первых, возрастающее значение и ускорение развития технологий как внутри, так и за пределами области, которые меняют направление, скорость прогресса и подходы, используемые в биологических науках и
  • во-вторых, внешняя среда, заключающаяся в уменьшении государственной поддержки, усилении конкуренции с неакадемическими учреждениями и растущей потребности в союзов и партнерских отношениях с другими академическими учреждениями и другими секторами общества.

Послевоенная эра открытой и расширяющейся общественной поддержки науки и технологий, похоже, закончилась. В настоящее время наука конкурирует, часто на менее ровном игровом поле, с постоянно меняющимся арсеналом громких социальных императивов. Как отмечается в недавнем отчете Американской ассоциации развития науки: *

Ученые и инженеры изо всех сил пытаются интерпретировать новую парадигму, созданную наиболее значительным повсеместным сокращением финансирования НИОКР в послевоенную эпоху.

Таким образом, основной вопрос, на который попытались ответить участники семинара, заключается в следующем: какие изменения парадигмы будут влиять на развитие новых технологий, применимых к биологии? Мы ожидаем, что следующие элементы станут неотъемлемыми элементами новой среды для НИОКР:

  • меньшие федеральные бюджеты на НИОКР, особенно в гражданских технологиях и, возможно, в оборонных технологиях.
  • снижение промышленных затрат на НИОКР, особенно на долгосрочные или более рискованные НИОКР
  • сильная глобальная конкуренция, особенно в развитии технологий, но также все чаще и в фундаментальных исследованиях и
  • более высокие темпы развития технологий во всем мире (чем больше технологий, тем больше технологий).

Следующий вопрос касается того, как эти изменения будут ощущаться на уровне академического исследователя или исследовательского подразделения. Основное изменение, которое уже ощущается, - это сокращение финансирования академических исследований. Федеральные программы будут консолидированы, а их бюджеты сокращены, многие будут урезаны полностью. Государственное финансирование университетских исследований, вероятно, станет гораздо более целенаправленным и стратегически целевым, причем прямая применимость к национальным интересам станет более важным соображением. Рыночные силы будут все больше приниматься во внимание при принятии решений о финансировании. Поскольку количество исследователей, ищущих финансирование, в ответ не сократится, в обозримом будущем конкуренция за доступные средства возрастет. Промышленное финансирование собственных НИОКР, особенно долгосрочных работ, будет продолжать сокращаться.

Некоторые федеральные финансовые агентства будут испытывать большее давление, чтобы установить приоритеты и ориентиры, но особенно в академических исследованиях, финансируемых промышленностью. Усиление иностранной конкуренции в области исследований и образования будет удерживать многих из лучших и способнейших иностранных студентов дома - или, по крайней мере, в других странах, помимо Соединенных Штатов, - сокращая доход от обучения, который теперь помогает поддерживать научные исследования в США. Несмотря на атмосферу более строгой экономии, для проведения передовых исследований все чаще требуется более сложное и дорогое оборудование. Частично из-за более высоких затрат будет сохраняться тенденция к расширению сотрудничества между университетами и промышленностью. Промышленная поддержка академических исследований будет все чаще принимать форму натуральных грантов на оборудование и совместного финансирования совместных, предконкурентных или общих НИОКР. Относительно меньшее промышленное финансирование будет доступно для фундаментальных исследований с участием одного исследователя.

Основываясь на этих предпосылках, относительно просто спрогнозировать, какие основные изменения будут в том, как биологические исследования и образование будут проводиться в академических учреждениях, промышленности и правительстве в течение следующих 5-25 лет. Мы ожидаем, что образовательный опыт станет более междисциплинарным, с более широким знакомством с другими дисциплинами и часто по крайней мере двумя советниками по диссертациям на каждого аспиранта. Будет подчеркнута командная работа. Студенты действительно будут более активно взаимодействовать с производством на различных этапах своего обучения, выпускное обучение будет больше ориентировано на рынок труда в промышленности. Исследования также будут отражать более широкое промышленное взаимодействие, и более высокий процент будет носить прикладной или количественный характер. Исследователи факультета получат лучшее представление о деловой культуре и драйверах. Академические исследования в области биологических наук приведут к увеличению групповых занятий и совместному использованию объектов.

Эти изменения будут масштабными и глубокими по своему влиянию. Во многих отношениях новая парадигма не будет такой гостеприимной для науки и ученых, как это было в прошлом. Окружающая среда будет более суровой и требовательной как в личном, так и в социальном плане. Неизбежно будет (и уже есть) сильное сопротивление признанию того факта, что произошел переход к новой фазе. Это сопротивление проявляется не только со стороны отдельных лиц, но и со стороны институтов. Искушение состоит в том, чтобы не принять реальность перемен, пока они не навязаны кому-либо. Но многие устоявшиеся взгляды и практики придется изменить. Например, очевидно, что существует потребность в лучшем взаимном понимании потребностей, движущих сил и условий взаимодействия между отраслью и научным сообществом (например, в отношении ставок роялти и интеллектуальной собственности в целом).

Мы можем предсказать общие контуры этой новой парадигмы науки, но мы еще не знаем точных условий или правил. Что можно сказать с уверенностью, так это то, что в следующие 25 лет среда для науки не будет такой же, как за последние 40 лет. Эти преобразования предвещают серьезные изменения в подходе исследователей к своей работе и восприятии своей роли в обществе. . По мере того, как биологи стремятся более полно и регулярно внедрять новые технологии в свои исследования, у них появляется возможность привести научное сообщество в адаптацию к этой новой парадигме.

Ключевые технологии

Большая часть семинара была посвящена выявлению ключевых новых технологий (включая технологии, уже применяемые в других областях), которые обещают стимулировать прогресс в биологических науках. Участников семинара попросили подготовиться к презентации нескольких технологий-кандидатов, относящихся к их собственной области знаний, чтобы инициировать последующее групповое обсуждение. (Приложение A суммирует эти презентации.)

Таблица 1 суммирует результаты этого обсуждения. В таблице перечислены более 30 новых технологий, а также научно-технические цели, достижению которых эта технология, как ожидается, будет способствовать, а также любые связанные, более конкретные технологии, которые потребуются для реализации применения новой технологии в биологии. Было определено, что небольшое количество этих технологий имеют наивысший приоритет для поддержки и дальнейшего развития. Эти приоритетные технологии подробно описаны в тексте, следующем за таблицей.

Стоит отметить, что многие из новых технологий, указанных в таблице, имеют прямое отношение к определенным NSF стратегическим областям исследований, которые ограничены технологиями и имеют отношение к биологическим наукам. Эти обширные области включают: глобальные изменения, исследования окружающей среды и биотехнологии. Например, исследования глобальных изменений и окружающей среды поддерживаются дистанционным зондированием, биосенсорами, а также компьютерным моделированием и симуляциями. Биотехнология поддерживается многими технологиями, представленными в таблице, в том числе: картированием, секвенированием и анализом продукции ДНК биологических молекул, разработкой модулирующих реагентов, основанных на манипуляции с ДНК, белками, и анализом сложных систем сложных биологических систем и сети и создание и анализ генетически модифицированных растений и животных.

Из множества новых технологий, указанных в Таблице 1, участники семинара определили следующие как наиболее приоритетные для биологических наук.

  • Биоинформатика, использующая сети данных, инструменты запросов и поиска, а также методы анализа и визуализации для облегчения исследования
  • Вычислительная биология применяется к сложным системам для достижения прогресса в структурной биологии (например, молекулярная динамика, химические процессы в клетках, а также динамика популяций и экосистем)
  • Инструменты функциональной визуализации, использующие спектроскопический анализ реагентов, которые служат биомаркерами и биосенсорами, для определения функции клеток, тканей, органов и организмов.
  • Технологии трансформации и временной экспрессии, позволяющие использовать животных, растения и системы клеточных культур в качестве систем экспрессии для производства соединений.
  • Нанотехнологии (от микро- до нанотехнологий) для создания небольших аналитических и селекционных машин.

«Высший приоритет» - это, конечно, очень субъективное обозначение. Есть много многообещающих технологий и инструментов, которые заслуживают поддержки. В самом деле, наиболее важные научные открытия могут быть связаны с использованием любой из технологий в списке (или, возможно, некоторых даже не предусмотренных здесь). Природа научного открытия не позволяет с уверенностью ожидать таких событий.

Тем не менее, участники семинара согласились с тем, что упомянутые выше технологии предлагают самую широкую применимость в различных дисциплинах биологии для понимания биологической сложности. Анализ сложности - от молекулярной до клеточной, системы, организма и сообщества организмов - потребует этих инструментов для анализа биологических систем и управления ими. Таким образом, их потенциал наибольший, потому что он наиболее универсален.

Стоит обсудить эти пять технологий более подробно с точки зрения (1) их природы, (2) вероятных применений, (3) потенциальных воздействий и (4) узких мест разработки (текущих или ожидаемых).

Биоинформатика. Биоинформатика включает в себя все аспекты передовых компьютерных наук и инженерии. Он включает в себя высокоскоростной сбор биологических данных, за которым следует высокопроизводительная обработка, анализ, архивирование, поиск и извлечение данных, создание сетей и отображение сложных наборов биологических данных. Это может быть самая распространенная новая технология с точки зрения приложений для биологических исследований.

Большие базы данных, к которым можно получить доступ и анализировать с помощью сложных инструментов, станут центральными в биологических исследованиях и образовании. Содержание информации в геномике организмов, в молекулярной динамике белков и в динамике популяций, и это лишь некоторые области, огромно. Биологи все чаще обнаруживают, что управление сложными наборами данных становится узким местом для научных достижений. Таким образом, биоинформатика быстро станет ключевой технологией во всех областях биологии.

Существующие узкие места в биоинформатике включают обучение биологов использованию передовых вычислительных инструментов, привлечение компьютерных специалистов в эту развивающуюся область, ограниченную доступность разработанных баз данных биологической информации и потребность в более эффективных и интеллектуальных поисковых системах для сложных базы данных. Общие структуры данных и пользовательские интерфейсы потребуются для увеличения инвестиций в разработку программного обеспечения.

Вычислительная биология. Вычислительная биология включает использование вычислительных инструментов для обнаружения новой информации в сложных наборах данных и для расшифровки языков биологии (например, одномерной информации ДНК, трехмерной информации белков и четырехмерной информации о живых существах). системы).

Приложения вычислительной биологии широки. Они включают: анализ структуры макромолекул на основе данных с высоким разрешением; предсказание структуры на основе последовательностей белков и нуклеиновых кислот; предсказание динамики популяции; молекулярный дизайн сконструированных организмов; молекулярная филогения; предсказания будущей эволюции. Важное значение приобретет использование фракталов, теории хаоса и систем искусственного интеллекта / знаний для исследования сложности биологии.

К узким местам для дальнейшего развития относятся наличие высокопроизводительных компьютеров для вычислительной мощности, плохое состояние баз данных, обучение биологов использованию передовых вычислительных инструментов, набор специалистов по информатике в эту область и низкий уровень развития всех компоненты биоинформатики.

Функциональная визуализация химической и молекулярной динамики жизни. Технологии, которые были разработаны для обеспечения функциональной визуализации живых систем, включают: приборы для получения изображений на основе одного из спектроскопических методов, таких как флуоресценция и ядерный магнитный резонанс (ЯМР); программное обеспечение для обработки, анализа, отображения, архивирования и поиска данных изображений. -основы и реагенты, разработанные как усилители контраста и / или биосенсоры с определенной химической активностью. Интеграция этих технологий создала новую технологию для измерения и управления химической и молекулярной динамикой живых систем. Светооптические методы позволяют исследовать молекулярную и химическую динамику отдельных молекул, субклеточных доменов, целых клеток, популяций клеток, тканей, органов и даже целых организмов. Технологии визуализации ЯМР позволяют проводить некоторые исследования на субклетках целых организмов, включая человека. Поэтому быстро становятся доступными инструменты для изучения динамики от молекул к человеку.

Вероятные применения включают фундаментальные исследования в биологии, где живая клетка или весь организм рассматривается как «живая микрокювета» для измерения и управления пространственно-временной динамикой химических и молекулярных процессов, которые производят определенные функции. Богатство биохимических и молекулярных знаний, полученных in vitro, теперь может быть распространено на живые системы. Следовательно, механизмы функций могут быть определены путем буквального картирования конкретных биохимических и молекулярных событий во времени и пространстве. Можно определить основные механизмы клеточных функций, такие как перемещение клеток, деление клеток и эндоцитоз. Можно определить основные механизмы, ответственные за осуществление развития организмов. Живые системы можно исследовать от стадии одиночной клетки до взрослой жизни. Те же технологии могут быть применены к прикладным задачам, таким как передовые методы токсикологического скрининга, открытия лекарств и диагностических тестов.

Ожидается, что влияние этой технологии будет огромным. Возможность отображать конкретные химические и молекулярные события в живых системах позволит исследовать четырехмерную информацию, ответственную за жизнь. Кроме того, ожидается, что развитие технологии фундаментальных исследований радикально изменит методы, используемые в токсикологии, открытии лекарств и клинической диагностике.

К узким местам разработки относятся применение высокопроизводительных вычислений для сбора, обработки, анализа, отображения, архивирования и извлечения сложных наборов данных изображений. Целью будет выполнение всех этих функций в режиме реального времени, поэтому должна быть эффективная и сверхбыстрая связь от оборудования для обработки изображений к вычислительному оборудованию и производительность программного обеспечения. Требуются новые классы детекторов с техническими характеристиками, но по разумной цене для биомедицинских исследователей. Кроме того, необходимы новые классы реагентов для улучшения контраста конкретных молекул и / или процессов, а также для определения конкретных химических и молекулярных событий. Основной проблемой / узким местом является создание необходимых реагентов с помощью генной инженерии. Цель состоит в том, чтобы производить молекулы, клеточные линии и организмы, которые экспрессируют оптимальный реагент (ы) для измерения конкретных химических и молекулярных процессов.

Технологии трансформации. Самым революционным последним достижением в биологических науках является методология манипулирования молекулами ДНК и введения нуклеиновых кислот в генетически компетентной форме в клетки. Введенная ДНК может быть интегрирована в ядерную или другую ДНК клетки, так что гены, кодируемые в ДНК, экспрессируются, а ДНК реплицируется и передается в клетки потомства. В этом процессе генетической трансформации в организм вводится новый ген, потенциально повышая ценность его потомства. Методология, которая отличается от генетической трансформации и которая имеет большой потенциал для применения в биотехнологии, представляет собой «переходную экспрессию». При временной экспрессии молекулы ДНК или РНК вводятся в клетку, но не в условиях или в форме, которые будут интегрироваться в клеточную ДНК. Векторы временной экспрессии обычно основаны на вирусных геномах, так что введенная молекула ДНК или РНК может опосредовать свою собственную репликацию, тем самым значительно увеличивая количество копий введенной нуклеиновой кислоты.В настоящее время доля экспериментов на животных с продемонстрированной экспрессией нового белка примерно на два порядка больше для систем временной экспрессии, чем для генетической трансформации.

Вероятные применения включают продукты из новых сельскохозяйственных культур и новые продукты из домашних животных, включая пищевые продукты, волокна, химическое сырье, биопластики и «котируемые фармацевтические препараты» в форме белков, адаптированные к потребностям отдельного пациента (например, для индукции иммунотолерантности). Среди потенциальных воздействий - новые продукты биотехнологии, производимые с использованием солнечной энергии. Существует четыре основных препятствия на пути развития: (1) очень ограниченное понимание процессов, посредством которых ДНК передается от клетки к клетке и интегрируется в геном целевой клетки (2) отсутствие научного понимания регенерации растения из одиночных клеток и животные из эмбрионов или слитых клеток (3) неполная информация о механизмах контроля транскрипции, трансляции и посттрансляционной модификации белков и (4) потребность в дополнительной информации о метаболических процессах и физиологии животных и растений для полностью использовать эти технологии.

Нанотехнологии. Нанотехнологии представляют собой замечательную технологию, которая будет иметь широкое применение во многих науках, включая биологию. В этой технологии используются методы изготовления микроэлектроники для интеграции механических и биосенсоров, мощности компьютера и электромеханических выходов в интегрированный микрочип. Способность ощущать, вычислять и перемещаться в микроскопических измерениях открывает возможности для фундаментальных биомедицинских исследований, а также прикладных исследований.

Технология обеспечит применение как in vitro, так и in vivo. Приложения in vitro будут происходить на макроуровне, например, перемещение клеток в их положение в культурах клеток / тканей для формирования синапсов для построения определенных нейронных цепей или для создания других специализированных тканей. Эта технология также позволит применять гибкие и сложные стратегии сортировки клеток. Приложения на микроуровне будут включать перемещение молекул вместе строго контролируемым образом и, возможно, перемещение определенных молекул в клетки и из них. Другой тип применения - лабораторное оборудование для проведения высокоскоростного электрофоретического и хроматографического разделения молекул на кремниевых чипах. Нанотехнология также будет иметь множество приложений in vivo, включая измерение параметров крови in situ в кровеносных сосудах и органах, измерение и локализованное высвобождение химических веществ для регулирования больных или дефектных гомеостатических систем (например, мониторинг уровня глюкозы в крови, кислорода, температуры мозга). и восстановление поврежденной нервной ткани (например, с помощью электрического зондирования и затем контролируемого и локализованного высвобождения нейромедиаторов). Эта технология может также обеспечить новую форму микрохирургического восстановления с большим количеством «аномальных машин», работающих согласованно (под управлением компьютера) для восстановления, например, закупоренных артерий или удаления опухолей и других тканей.

Развитие сложной, биологически ориентированной нанотехнологии окажет глубокое влияние на биологические исследования, медицинскую практику и, возможно, фармацевтическую промышленность. Очевидно, что возможность выполнять операции без разрезов, заменять больные или дефектные ткани и регулировать эндогенные системы, которые теперь требуют экзогенного лечения (например, диабет), может произвести революцию в медицинской практике. Кроме того, способность контролировать пространственные и временные аспекты взаимодействия молекул может привести к огромной эффективности производства новых лекарств.

Однако, вероятно, технология изготовления электроники намного превзойдет биологию. Многие применения нанотехнологии потребуют лучшего понимания базовой биологии, которой манипулируют, и, в частности, необходимо будет разработать новые методы для взаимодействия кремниевого чипа с нервной системой. Например, хотя можно отслеживать ускорение и положение с помощью биочипа, который заменяет дефектный полукружный канал, может оказаться невозможным эффективно сопрягать выход биочипа с нервной системой. Скорее всего, слияние кремния и ткани станет самой большой проблемой для нанотехнологий in vivo.

Успешная адаптация к меняющейся парадигме биологических исследований и технологий потребует изменений в организациях, которые спонсируют и проводят эту работу, а также в поддерживающей инфраструктуре. Это потребует гибкости и готовности изменить - где это уместно - структуру, политику, практику и отношения, преобладающие в государственных учреждениях, в промышленности и в академических кругах. В качестве основного спонсора исследований в области биологии роль NSF особенно важна.

Ряд предложений, приведенных ниже, являются новыми и, как мы полагаем, оригинальными для этой довольно продуктивной рабочей группы, они относятся к вопросу о том, как облегчить слияние новых технологий с биологией. Однако некоторые из вопросов, обсуждаемых в этом разделе, не новы и возникали раньше в других контекстах. Мы считаем, что сейчас ситуация изменилась, эти вопросы актуальны и требуют решения.

Институциональные адаптации

Государственные органы. В качестве основного источника финансирования и, следовательно, как институтов, определяющих широкие направления биологических исследований и развития технологий, государственные агентства в целом имеют огромное влияние на тип и объем проводимых исследований. Благодаря определению программы и управлению ею, формулировкам запросов на предложения и критериям финансирования они могут быстро изменить или предотвратить их. Мы предполагаем, что следующее ускорит разработку новых технологий и их применение в соответствующих биологических науках:

  • Содействовать нарушению дисциплинарных границ. Большинство технологий не зависят от установленных дисциплинарных исследовательских специальностей. Развитие как осведомленности о технологических возможностях, так и способности эффективно применять или адаптировать их почти всегда требует либо междисциплинарных знаний со стороны отдельного человека, либо междисциплинарных групп людей. Финансирование междисциплинарного образования и исследований для отдельных лиц и групп (как в исследовательских центрах) - особенно между биологией и физическими или компьютерными науками и инженерией - является наиболее прямым способом достижения этих результатов.
  • Поощряйте межведомственное сотрудничество. В эту эпоху строгих бюджетов важно искать возможности для агентств с взаимодополняющими интересами и программами сотрудничать в разработке и применении технологий в биологии. Примером могут служить совместные программы NSF и Национальных институтов здравоохранения, НАСА, Агентства по охране окружающей среды или министерств энергетики и сельского хозяйства.
  • Быть гибким. В общем, финансирующие агентства должны уделять больше внимания «продукту» (быстрому прогрессу в биологии), чем традиционному процессу. Это требует гибкости в поиске технологических возможностей и проактивной разработке программ, чтобы попытаться извлечь выгоду из этих возможностей в режиме быстрого реагирования.

Промышленность. Большая часть фактического развития технологий осуществляется в промышленности. В условиях сильного конкурентного давления и ограниченных бюджетов менеджеры промышленных предприятий часто не видят необходимости в конкретных усилиях по развитию технологий, особенно если они относительно дороги и / или имеют долгосрочную перспективу. Разделение бремени затрат и поддержание связей с теми, кто может обосновать и частью рынка новых технологий, а именно с академическими исследователями, являются важными способами сохранения динамики и перспектив развития технологий. Некоторые конкретные предложения:

  • Формируйте консорциумы. Снижение антимонопольных ограничений в течение 1980-х годов позволило корпорациям объединиться для совместного проведения «предконкурентных» исследований. Такие совместные предприятия теперь становятся обычным явлением во многих областях развития технологий, от автомобильных аккумуляторов до композитных материалов и микроэлектроники, и, как правило, они вполне работоспособны и успешны. Аналогичные организации должны быть созданы в области биологических наук и технологий.
  • Работа с университетскими исследователями. Более тесное взаимодействие между академическими биологами и биологическими отраслями, от биотехнологии до фармацевтики и сельского хозяйства, несомненно, будет плодотворным. Механизмы включают совместные или совместные исследовательские проекты, совместные объекты для фундаментальных исследований, совместные семинары и конференции, а также консультационные услуги.
  • Организуйте стажировку и творческий отпуск. Обмен людьми в обоих направлениях между промышленностью и академией - это очень эффективный способ обеспечить полный обмен идеями, знаниями и точками зрения. Исследователи отрасли, проживающие в университетах, могут участвовать в совместных исследованиях с преподавателями, проводить семинары, консультировать студентов и даже проводить командные занятия. Члены профессорско-преподавательского состава и аспиранты, проходящие стажировку, или преподаватели, находящиеся в производственном отпуске, не только передают свои знания своим коллегам из отрасли, но и осваивают промышленные перспективы и потребности. Центры науки и технологий NSF спонсируют многие такие мероприятия. Программа NSF по грантам для академических связей с промышленностью (GOALI) явно ориентирована на финансирование таких взаимодействий.

Academia. Университеты, хотя и являются оплотами гуманитарного образования и интеллектуальных исследований, возможно, более консервативны в организационном отношении, чем правительство или промышленность. Тем не менее именно в университетах будет достигнут наибольший прогресс в биологических науках. Но сначала необходимо устранить препятствия на пути к этому прогрессу. С этой целью университеты должны:

  • Примите законность прикладной биологии и биоинженерии как академических занятий. Академический престиж и положение в научном сообществе жизненно важны для прогресса в этой области.
  • Содействовать нарушению дисциплинарных границ. По мере увеличения финансирования междисциплинарных исследований крайне важно, чтобы академические администраторы отдавали должное решениям о продвижении по службе и сроках пребывания в должности для междисциплинарных исследований и образования, включая проекты с участием нескольких исследователей.
  • Убедитесь, что основная учебная программа достаточно широка, чтобы допускать междисциплинарное движение. Чрезвычайно ранняя дисциплинарная специализация не позволяет молодым исследователям получить базовые знания, необходимые для распознавания и использования возможностей в смежных дисциплинах.
  • Поощряйте производственное взаимодействие. Как было описано выше в случае промышленности, взаимодействие и обмен кадрами между двумя секторами может привести к ускоренному прогрессу в разработке и применении технологий в биологии. Промышленное воздействие особенно важно для ознакомления студентов с технологиями и способами их использования.
  • Измените статус владения, включив в него тех, кто склонен разрабатывать технологии. Разработка новых передовых технологий может быть исследовательской деятельностью, полностью достойной научного признания и вознаграждения. Однако отказ во владении тем, чьи таланты и интересы лежат в этой области, - верный способ помешать прогрессу.
  • Будьте готовы поделиться удобствами. В эпоху ограниченных ресурсов и дорогостоящего оборудования учреждениям и исследователям будет все больше необходимо совместно использовать объекты на региональной и даже национальной основе. Для этого необходимо разработать протоколы. Электронные сети передачи данных будут способствовать этому обмену.

Потребности в развитии инфраструктуры

Поддерживающие программы, политика и подходы необходимы, но недостаточны для разработки и применения технологий. Также важна прочная поддерживающая «инфраструктура», то есть лабораторные помещения, вычислительные ресурсы и ресурсы баз данных, линии связи и т. Д., Которые позволяют проводить передовые исследования и разработки. Все перечисленное ниже требует внимания со стороны правительства, университетов и промышленности, чтобы эта работа продвигалась быстро и успешно:

  • Вычислительные средства - помимо рабочей станции на каждом стенде, локальные и глобальные сети должны быть легко доступны для связи и подключения к вычислительной утилите, состоящей из параллельных суперкомпьютеров, поисковых систем, распределенных баз данных и других информационных механизмов.
  • Коммуникационные сети и средства массовой информации - включая не только доступ к Интернету и возможности электронной почты, но и способность обрабатывать высокоскоростной трафик для мультимедийных (голос-видео-данные) приложений по мере их появления.
  • Базы данных - ключевые потребности включают более эффективные алгоритмы запросов и языки, лучшие инструменты для аннотации (встраивание биологии в базу данных), интеграцию баз данных и взаимодействие отдельных биологических баз данных с очень разными типами данных. Огромные распределенные базы данных, поддерживаемые посредством разработки программного обеспечения, представляют собой серьезную исследовательскую проблему.

По мнению участников семинара, в будущем должна появиться большая специализация учебных заведений в университете. То есть, хотя университет может определить одну или несколько основных областей знаний и сгруппировать вокруг них дорогостоящие учреждения, вполне вероятно, что ни один университет не будет располагать более чем несколькими специализированными высокозатратными объектами. Это будет прагматический ответ на сокращение ресурсов для биологических (и других научных) исследований. Финансирующие агентства должны распределять свои инвестиции таким образом, чтобы максимально расширить доступ к объектам для всего исследовательского сообщества.

Следствием этого прогноза является идея о том, что специализированные основные средства и инструменты будут совместно использоваться на региональном или национальном уровне. В какой-то степени исследователи будут ездить в эти учреждения, а в некоторой степени использование специализированных помещений станет электронным или «виртуальным».

Здесь стоит отметить несколько конкретных моментов. Во-первых, все более широкое использование инструментов, требующих одного или нескольких технических специалистов для наблюдения за операцией или выполнения самой операции, означает, что накладные расходы на исследования будут расти. Во-вторых, удаленность исследователя от своего анализа требует повышенного внимания к интерпретации данных и их значимости. В связи с этим при обучении аспирантов может потребоваться больший упор на тщательную интерпретацию машинно-генерируемых данных, а также на многомерную статистику.

Роль NSF

Национальный научный фонд как главное федеральное агентство, финансирующее фундаментальные исследования в области биологических наук, играет решающую роль в достижении быстрого прогресса. Участники семинара предложили ряд изменений в схемах финансирования, организационной структуре, приоритетах отбора проектов и образовательных программах.

Изменения в схемах финансирования / поддержки. Таким образом, предложения в этой области следующие:

  • Обеспечить усиленную поддержку междисциплинарных исследований и образования в области развития технологий.
  • Окажите больше поддержки небольшим группам и центрам обслуживания.
  • Поддержка совместной работы внутри и между факультетами и даже университетами («центры без стен»).
  • Тщательно выбирайте членов междисциплинарных комиссий по рассмотрению предложений на основе баланса и опыта.
  • Инициируя эти изменения в финансировании, направленные на создание более благоприятной среды для междисциплинарного обучения и исследований, важно будет поддерживать поддержку и признавать центральную важность отдельного исследователя.
  • Включите социальную и экономическую полезность (в виде коммерческих продуктов и вклада в качество жизни и национальную безопасность) в качестве одного из критериев финансирования при рассмотрении заявки.
  • Разработайте более сбалансированный общий инвестиционный портфель с относительно большим упором на разработку и применение технологий.
  • Найдите способы выступить в качестве посредника или «связующего звена» между доступными технологиями и потенциальными пользователями.

Изменения в программах и / или организационных структурах. Предложения в этой области следующие:

  • Разработать механизмы для облегчения сотрудничества между директоратами по разработке и применению технологий в биологических науках.
  • Создать механизмы, обеспечивающие лучшую координацию между Управлением образования и людских ресурсов и управлениями науки в отношении программ естественнонаучного образования.
  • Рассмотрите возможность создания межведомственного комитета по «закрытию базы» для проведения оценки и определения приоритетов в рамках всей программы NSF.
  • Убедитесь, что в контракте каждого центра и исследовательского центра, финансируемого NSF, есть пункт "quotsunset", чтобы оптимизировать инвестиции в новые технологии.

Независимо от организационных и программных изменений, позаботьтесь о сохранении миссии NSF как разработчика двигателя фундаментальных исследований.

Оценка проекта и определение приоритетов. В атмосфере жесткой бюджетной экономии критерии оценки и расстановка приоритетов становятся более важными. Вот некоторые предложения:

  • Комитеты по рассмотрению предложений должны быть привлечены к рассмотрению «большой картины» стратегических целей управления и текущего профиля финансирования. Персонал NSF должен проинформировать каждый комитет по этим вопросам.
  • Любые базы данных, рассматриваемые для финансирования, должны быть явно необходимыми и потенциально самоподдерживающимися.

Образование. Одним из препятствий для дальнейшего развития и применения новых технологий в биологических науках является относительно узкое, теоретическое, специализированное образование, которое студенты, как правило, получают даже на уровне бакалавриата. В решении этой проблемы NSF в лучшем случае может стать катализатором. Сами университеты должны решать проблему и внедрять решения. Участники семинара предлагают следующие основные правила:

  • Бакалавриат по биологии должен быть более широким, но более строгим, с углубленным изучением как минимум двух различных дисциплин.
  • Все студенты бакалавриата-биологии должны иметь некоторый непосредственный исследовательский опыт до окончания учебы.
  • Высшее образование по биологии - по сути, по всем наукам - должно быть междисциплинарным, со значительными требованиями к курсу по крайней мере по одной другой дисциплине (например, физика или информатика, математика и / или инженерия) за пределами основной области.
  • Различия в жаргоне являются серьезным барьером между учеными в разных областях, и студенты, и аспиранты по биологии должны быть наделены способностью говорить на нескольких научных «языках». Этого можно достичь с помощью междисциплинарных курсов и групповых исследований, особенно разработанных. познакомить студентов с разработкой и применением передовых технологий в других областях.
  • В идеале промышленное облучение должно быть доступно всем студентам-биологам, как аспирантам, так и студентам.
  • NSF следует финансировать междисциплинарные учебные гранты, направленные на развитие кадров исследователей, специализирующихся на разработке и применении новых технологий в биологических науках.
  • Директорат BIO совместно с Директоратом EHR должны разработать программы K-12 по естественным наукам и математике.

Получение сообщения

Учитывая тот факт, что технологии традиционно не занимали видного места в биологических исследованиях (по сравнению, например, с такими областями, как химия и физика), необходимо объяснить, каковы возможности и потенциальные преимущества - другими словами, сообщить изменение курса, которому должна подвергнуться биология, чтобы иметь дело с биологической сложностью.

В значительной степени это роль NSF в его коммуникации с исследовательским сообществом. Но правительство, научные круги и промышленность несут ответственность за доведение до Конгресса и широкой общественности информации о важности стимулирования развития новых технологий, применимых к биологии.

На все эти сектора также возложена новая ответственность за просвещение широкой общественности в более формальном смысле, и особенно за улучшение естественнонаучного и математического образования, чтобы увеличить число потенциальных исследователей в биологических науках. K-12 образование является важным ключом. Научно-исследовательские центры, такие как научно-технические центры, оказались отличным средством познакомить молодых студентов и их учителей с азартом научных открытий и поиском знаний. Также эффективны программы, в которых ученые посещают классы K-12, чтобы выступать с докладами и делать презентации. Вовлеченность K-12 должна стать постоянной составляющей академической жизни.


Производные моносахаридов

Производные моносахаридов встречаются в природе. Одним из примеров производного моносахарида является витамин С, также называемый аскорбиновой кислотой, который получают из глюкозы. Заменители сахара, такие как сорбит и маннит, используются в качестве подсластителей, и они естественным образом образуются в растениях и ягодах из моносахаридов, таких как глюкоза и манноза. Аминосахара, такие как глюкозамин, производное глюкозы, продуцируют хрящ, соединительную ткань и хитин, компонент экзоскелета насекомого.

Кара Батема - музыкант, педагог и писатель, специализирующаяся на раннем детстве, особых потребностях и психологии. С 2010 года Батема является активным писателем в областях образования, воспитания детей, науки и здравоохранения. Она имеет степень бакалавра в области музыкальной терапии и творческого письма.