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Nueva visión de cómo el cerebro memoriza
Cada vez que se memoriza algo, en alguna parte del cerebro un pequeño filamento se desplaza hacia fuera de una neurona y forma una conexión electroquímica con una neurona vecina.
Un equipo de biólogos de la Universidad de Vanderbilt, dirigido por el Profesor Asociado de Ciencias Biológicas Donna Webb, estudia cómo se forman estas conexiones a nivel molecular y celular.
Los filamentos que hacen estas nuevas conexiones se denominan espinas dendríticas y en una serie de experimentos descritos en la edición del 17 de abril del Journal of Biological Chemistry, los investigadores informan que una proteína de señalización específica, Asef2, miembro de una familia de proteínas que regulan la migración celular y la adhesión, desempeña un papel crítico en la formación de la espina dendrítica. Esto es significativo porque Asef2 se ha relacionado con el autismo y la coocurrencia de dependencia del alcohol y depresión.
«Las alteraciones en las espinas dendríticas se asocian con muchos trastornos neurológicos y de desarrollo, como autismo, enfermedad de Alzheimer y síndrome de Down«, dijo Webb. «Sin embargo, la formación y el mantenimiento de las espinas es un proceso muy complejo que apenas estamos comenzando a entender.»
Los cuerpos celulares de las neuronas producen dos tipos de largas fibras que se tejen a través del cerebro: dendritas y axones. Los axones transmiten señales electroquímicas desde el cuerpo celular de una neurona a las dendritas de otra neurona. Las dendritas reciben las señales entrantes y los llevan al cuerpo celular. Esta es la forma en que las neuronas se comunican entre sí.
Mientras esperan señales entrantes, las dendritas producen continuamente diminutos filamentos flexibles denominados filopodios. Estos salen hacia fuera de la superficie de la dendrita y oscilan en la región entre las células en busca de los axones. Al mismo tiempo, los biólogos piensan que los axones secretan sustancias químicas de naturaleza desconocida que atraen a los filopodios.
Cuando uno de los filamentos dendríticos hace contacto con uno de los axones, comienza a adherirse y desarrollarse una espina. El axón y la espina forman las dos mitades de una unión sináptica. Nuevas conexiones como esta son la base para la formación y el almacenamiento de memoria.
El autismo se ha asociado con espinas inmaduras, que no se conectan correctamente con los axones para formar nuevas uniones sinápticas. Sin embargo, una reducción de espinas es característica de las primeras etapas de la enfermedad de Alzheimer. Esto puede ayudar a explicar por qué las personas con Alzheimer tienen problemas para formar nuevos recuerdos.
La formación de espinas está impulsado por actina, una proteína que produce microfilamentos y es parte del citoesqueleto. Webb y sus colegas mostraron que Asef2 promueve las espinas y la formación de sinapsis mediante la activación de otra proteína llamada Rac, que es conocida por regular la actividad de actina. También descubrieron que otra proteína, espinofilina, recluta Asef2 y lo guía a las espinas específicas.
«Una vez que sepamos los mecanismos involucrados, entonces podremos ser capaces de encontrar fármacos que puedan restaurar la formación de espinas en las personas que la han perdido, lo que podría devolverles su capacidad de recordar», dijo Webb.
Los coautores del estudio son los estudiantes de postgrado J. Corey Evans y Cristina Robinson y postdoctoral Mingjian Shi, del Departamento de Ciencias Biológicas y el Centro Kennedy para la Investigación sobre el Desarrollo Humano.
La investigación fue apoyada por los Institutos Nacionales de Salud subvenciones GM092914, GM008554, MH071674 y el Centro Nacional de Recursos para investigación S10RR025524. EE.UU.
Transistores biodegradables a partir de sangre, leche y proteína de moco
Investigadores de la Universidad de Tel Aviv (Israel) allanan el paso a una nueva era en la nanotecnología, los transistores hechos de sangre, leche y moco.
Las proteínas de la sangre, la leche y moco pronto podría sustituir al silicio para producir transistores, que amplifican las señales eléctricas y se encuentran en la base de la tecnología más moderna. Una de las ventajas más importantes de este descubrimiento es que estos transistores serán biodegradables.
Un equipo de investigadores, entre ellos los estudiantes Elad Mentovich y Netta Hendler del Departamento de Química de la Universidad de Tel Aviv y el Centro de Nanociencia y Nanotecnología , con el supervisor Shachar Richter y en colaboración con el Prof. Michael Gozin y el estudiante Bogdan Belgorodsky. , han unido la biología y la química para crear un automontaje de transistores a base de proteínas.
Cada proteína tiene propiedades únicas y cuando se mezclan, juntas pueden crear un circuito completo con capacidades electrónicas y ópticas con una gran flexibilidad en términos de conductividad, de almacenamiento de memoria , y fluorescencia .
Las proteínas de la sangre pueden absorber oxígeno permitiendo a los investigadores agregar diferentes productos químicos para ajustar las propiedades de los semiconductores con el fin de crear propiedades tecnológicas específicas. Las proteínas de la leche, que son fuertes y estables en ambientes diferentes, forman las fibras que se convierten en los componentes básicos de los transistores. Por último, las proteínas de la mucosa tienen la capacidad para mantener la fluorescencia de colores rojo, verde y azul separados, creando juntos la emisión de luz blanca que es necesaria para la óptica avanzada.
Si esto puede ser ampliado, habrá una importante revolución en la tecnología a nanoescala. En primer lugar, habrá un cambio de una época de silicio a una era de carbono, y estos productos serán biodegradables, señala Mentovich.
Apple, Nokia y todas las grandes compañías electrónicas podrían finalmente ayudar a abordar el creciente problema de los desechos electrónicos, que desbordan los vertederos de todo el mundo.
En segundo lugar, los transistores construidos a partir de las proteínas de la sangre, la leche y moco será ideales para la producción de dispositivos pequeños y flexibles. La tecnología actual que utiliza silicio es de 18 nanometros, pero en el caso de proteína de la sangre, por ejemplo, la película es de aproximadamente cuatro nanómetros.
Este avance en la electrónica biológica podría conducir a una nueva gama de tecnologías flexibles, pantallas, teléfonos móviles, tabletas, biosensores, y chips de microprocesadores. La esperanza es que esto puede conducir a una tecnología más flexible y respetuoso con el medio ambiente .
Problemas excepcionales demandan ordenadores escepcionales
Las proteínas realizan la mayor parte del trabajo de la célula, catalizan la mayoría de las reacciones bioquímicas, inician y median las señales eléctricas en las neuronas y constituyen una parte importante de la estructura de nuestro cuerpo. Formadas por hasta varios miles de aminoácidos (de un conjunto de 20 tipos diferentes) encadenados entre ellos, las proteínas se pliegan bajo el efecto de fuerzas no covalentes entre diferentes partes de la molécula en formas con significado funcional; formas que no son estáticas, que cambian constantemente, al azar y también reaccionan a la influencia externa. Estos cambios conformacionales tienen un impacto en su función, lo que permite que las proteínas interactúen entre sí o con otras moléculas de señalización (hormonas, medicamentos …). El mal plegamiento de proteínas o modificaciones de los cambios conformacionales conducen a enfermedades, incluyendo la enfermedad de Alzheimer y Parkinson, y mucho dinero y esfuerzo se está poniendo en la comprensión de las estructuras de proteínas, caminos de plegado e interacciones con otras moléculas.
Varias herramientas experimentales se utilizan para estudiar la conformación de proteínas, pero todos están limitadas en su resolución espacial y temporal. En efecto, la más poderosa entre ellas, difracción de rayos X, sólo proporciona una instantánea de la estructura de las proteínas. Si queremos estudiar la dinámica de proteínas (como la conformación de una molécula cambia con el tiempo), entonces la simulación por ordenador ofrece una buena alternativa. Una simulación exacta requiere resolver las ecuaciones de la mecánica cuántica para moléculas grandes, pero esto es computacionalmente demasiado complicado para ser práctico. La dinámica molecular (MD) simula cada átomo de la molécula como evoluciona siguiendo las reglas de la mecánica clásica y campos de fuerza semi-empíricos. Las simulaciones MD se han utilizado desde mediados de los setenta para entender los procesos bioquímicos, y actualmente representan la mayor parte del tiempo asignado a ordenadores destinados a la investigación biomédica en los centros de supercómputo de la Fundación Nacional para la Ciencia, EE.UU..
A pesar de su popularidad, las simulaciones MD son computacionalmente costosas. La necesidad de captar las vibraciones de átomos rápidos requiere de pasos de cálculo de unos pocos femtosegundos, y cada paso involucra uno mil millones de operaciones para una molécula de cien mil átomos. Para simular un milisegundo en la vida de una única molécula de proteína se necesitan alrededor de mil millones de pasos y un sextillón (10 ^ 21) de operaciones. Como resultado, incluso utilizando los superordenadores más potentes disponibles, la mayoría de las simulaciones MD sólo estudian los procesos en tiempos de nanosegundos o microsegundos. Se necesitaría un tiempo excesivamente largo de supercomputadora para llegar a las escalas de tiempo de milisegundos en el que tienen lugar muchos cambios conformacionales de proteínas y sus interacciones. En un. Documento reciente Ron O. Dror y sus colegas de D. E. Shaw Research muestran estudios recientes que están superando este problema.
Una solución, el cálculo de las diferentes partes de la molécula en paralelo, ha demostrado ser particularmente difícil. Las innovaciones recientes en los algoritmos paralelos han mejorado parcialmente la situación, permitiendo agrupaciones de superordenadores para calcular en el plazo de tiempo de microsegundos. De hecho, en algunos problemas, parte de la simulación puede ser dividida en muchas trayectorias separadas cortas que se pueden ejecutar en paralelo en cientos de miles de ordenadores personales. Este es el proyecto Folding@Home, que permite a cualquier persona con un ordenador (o incluso una PlayStation moderna) y conexión a internet la oportunidad de donar tiempo de simulación y colaborar con la investigación científica. Más de cien estudios publicados se han producido gracias a esta iniciativa.
Los mayores avances en la optimización de simulación MD se han confeccionado siguiendo esa ruta de adaptar nuestras herramientas para la tarea. Esta es una solución bien conocida en ingeniería y en biología. Por ejemplo, los ojos se adaptan a las escenas que puedan ver, haciéndolos más eficientes, y los oídos a los sonidos que puedan escuchar. En la ingeniería del ordenador, las unidades de procesamiento gráfico (GPU) fueron diseñadas para operaciones con gráficos y en esa tarea es que superan a los procesadores generales mucho más potentes. Son particularmente un buen ejemplo del hecho de que el hardware de propósito integrado puede conducir a la computación más eficiente de problemas particulares.
La investigación de D. E. Shaw seguido esta idea en el diseño de una máquina específicamente diseñada para simulación MD, llamada Anton. Sus chips, contienen un «conjunto de unidades aritméticas de lógica cableada para el cálculo de las interacciones de partículas», están conectados entre ellos de una manera que evita el uso de la gestión de memoria que es computacionalmente cara. Anton lleva a cabo todas sus operaciones en circuitos construidos para tal fin, a diferencia de proyectos anteriores (FASTRUN, Motor MD, MDGRAPE), donde sólo las partes más costosas computacionalmente de la simulación fueron optimizados. Gracias a esta arquitectura especial, Anton puede realizar 20 microsegundos de una simulación MD de todos los átomos por día, alrededor de 100 veces más rápido que cualquier otra alternativa.
En su opinión, los desarrolladores de Anton sugiern problemas que son susceptibles de beneficiarse de los avances en este campo. Mejores simulaciones MD ayudarán en el desarrollo de fármacos, mediante la producción de predicciones más precisas de la eficacia con que se unen a las proteínas, y en el diseño de proteínas para ser utilizadas como biosensores para el cáncer o anticuerpos. Además, el estudio de la dinámica de otras moléculas grandes tales como ARN y ADN también se beneficiarán de la construcción de ordenadores especiales.
Fuente: Exceptional problems demand exceptional computers en Mapping Ignorance.
Transistores biodegradables
Ganadora de un premio de investigación, la Universidad de Tel Aviv (Israel) utiliza automontaje de sangre, leche y proteínas del moco para construir la próxima generación de tecnología
El silicio, un elemento semiconductor, es la base de la más moderna tecnología, incluyendo teléfonos móviles celulares y ordenadores. Sin embargo, según investigadores de la Universidad de Tel Aviv, este material se está convirtiendo rápidamente en una industria obsoleta, pues la tendencia es hacia la producción de componentes cada vez más pequeños y que sean menos perjudiciales para el medio ambiente.
Un equipo que incluye a los estudiantes de doctorado Elad Mentovich y Hendler Netta del Departamento de Química de la UTA y el Centro de Nanociencia y Nanotecnología, con el supervisor el Dr. Richter Shachar y en colaboración con el Prof. Michael Gozin y su estudiante de doctorado Bogdan Belgorodsky, ha reunido las técnicas más avanzadas de múltiples campos de la ciencia para crear transistores basados en proteínas, semiconductores utilizados para alimentar dispositivos electrónicos, desde los materiales orgánicos que se encuentran en el cuerpo humano. Podrían convertirse en la base de una nueva generación del tamaño de las nanotecnologías, que sean flexibles y biodegradables.
Trabajan con las proteínas de la sangre, leche, y el moco, que tienen la capacidad de autoensamblarse para formar una película semiconductora, los investigadores ya han logrado dar el primer paso hacia las pantallas biodegradables, y su objetivo es utilizar este método para desarrollar todos los dispositivos de la electrónica. Su investigación, que ha aparecido en la revista Nano Letters and Advanced Materials, recibió recientemente la medalla de plata en los Materials Research Society Graduate Student Awards en Boston, MA.
Construyendo el mejor transistor de abajo hacia arriba
Uno de los retos de la utilización de silicio como semiconductor es que un transistor se debe crear mediante un «arriba hacia abajo». El fabricante ha de empezar con una oblea de silicio y esculpir la forma que se necesita, como tallar una escultura a partir de una roca. Este método limita las capacidades de los transistores cuando se trata de factores tales como el tamaño y flexibilidad.
Los investigadores se volvieron hacia la biología y la química, con un enfoque diferente para la construcción del transistor ideal. Cuando apilaban varias combinaciones de sangre, leche y proteínas mucosas a cualquier material de base, las moléculas se autoensamblaban para crear una película semiconductora a nanoescala. En el caso de proteína de la sangre, por ejemplo, la película es aproximadamente de cuatro nanómetros alta. La tecnología actual en uso ahora es de 18 nanómetros, dice Mentovich.
Juntos, los tres tipos diferentes de proteínas crenr un circuito completo con capacidades electrónicas y ópticas, cada uno trayendo algo único al dispositivo. La proteína de la sangre tiene la capacidad para absorber oxígeno, Mentovich dice, que permite el «dopaje» de semiconductores con productos químicos específicos a fin de crear propiedades tecnológicas específicas. Las proteínas de la leche, conocidas por su fortaleza en entornos difíciles, forman las fibras, que son los componentes básicos de los transistores, mientras que las proteínas de la mucosa tiene la capacidad de mantener de color rojo, verde y azul por separado tintes fluorescentes, así como la creación de la emisión de luz blanca que es necesaria para la óptica avanzada.
En general, las habilidades naturales de cada proteína dan a los investigadores «control único» sobre el transistor orgánico resultante, lo que permite ajustes para la conductividad, el almacenamiento de memoria, y la fluorescencia entre otras características.
Una nueva era de la tecnología
La tecnología está ahora cambiando de una época de silicio a una época de carbono, según Mentovich, y este nuevo tipo de transistor podría desempeñar un papel importante. Los transistores construidos a partir de estas proteínas son ideales para los circuitos más pequeños y flexibles, que están hechos de plástico en lugar de silicio, que existe en forma de oblea que se rompen como el cristal si se doblan. El descubrimiento podría conducir a una nueva gama de tecnologías flexibles, como pantallas, teléfonos celulares, tabletas, biosensores, y hips de microprocesadores.
Tan significativo es, que debido a que los investigadores están utilizando proteínas naturales para construir su transistor, los productos que crean serán biodegradables. Es una tecnología mucho más respetuosa con el medio ambiente que aborda el creciente problema de la basura electrónica, que desborda los vertederos de todo el mundo.
Fuente: EurekAlert!
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