Клеточная система координат раскрывает тайны активного вещества

Все люди, когда-либо жившие на Земле, начинали свой путь с одной клетки, которая затем делилась бесчисленное количество раз, образуя тело, состоящее примерно из 10 триллионов клеток. Клетки ведут активную жизнь, выполняя всевозможные динамические движения: сокращаясь каждый раз, когда мы напрягаем мышцу, мигрируя к месту повреждения и ритмично сокращаясь в течение десятилетий.

Клетки как пример активного вещества

Клетки — это пример активного вещества. Подобно тому как неодушевлённым предметам для движения требуется топливо (например, самолётам и автомобилям), активное вещество также приводится в движение за счёт потребления энергии. Основной молекулой клеточной энергии является аденозинтрифосфат (АТФ), который катализирует химические реакции, позволяющие клеточным механизмам работать.

Исследователи из Калифорнийского технологического института разработали биоинженерную систему координат для наблюдения за движением клеточных механизмов. Это исследование позволяет лучше понять, как клетки создают порядок из хаоса, например, во время эмбрионального развития или при организованных движениях хромосом, которые являются предпосылкой для верного деления клеток.

Работа была проведена в лабораториях Роба Филлипса, профессора биофизики, биологии и физики, и Мэтта Томсона, профессора вычислительной биологии и исследователя Института медицинских исследований Heritage. Статья, описывающая исследование, опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Основные единицы клеточного механизма

Основными единицами клеточного механизма являются моторы и нити, состоящие из белков, которые действуют как мышцы и скелет клетки. Эти структуры самособираются, подобно маленьким белковым роботам, чтобы позволить клеткам двигаться.

В 2018 году бывший аспирант Тайлер Росс разработал систему этих компонентов, которую можно контролировать с помощью света в лабораторных условиях, что позволяет исследователям наблюдать за их движениями и экспериментировать с ними. Каждая экспериментальная система имеет ширину всего человеческого волоса и содержит тысячи отдельных моторов и нитей.

Новая система координат

В новой работе, возглавляемой бывшим аспирантом Соичи Хирокавой, команда разработала дополнительные световые узоры, которые создают сетку или систему координат в смеси моторов и нитей. Чтобы понять это, представьте себе лист резины с нанесённой на него сеткой — когда резина растягивается и деформируется, сетка также деформируется.

Деформация сетки позволяет измерить, какие области растягиваются или сжимаются и насколько. Таким образом, команда может отслеживать движения совокупности нитей и моторов — они слишком малы, чтобы их можно было увидеть, но светоузорная сетка, каждый квадрат которой составляет около 12 на 12 микрометров, видна в микроскоп.

Результаты исследования

Система позволяет наблюдать, как эти биомолекулы реорганизуются при коллективном формировании структуры. Исследователи смогли измерить конкурирующую динамику активного сжатия и процесса, который влияет на клеточную самосборку, называемого диффузией.

Они обнаружили, что чем больше АТФ в системе, тем больше молекул случайным образом диффундирует. «Формирование паттернов и структур в биологии должно бороться с этой случайностью», — говорит Филлипс. «Система способна организовываться, несмотря на силы хаоса».

Динамическая система координат, представленная здесь, может быть использована и в других контекстах.

Оптические часы на основе стронция в Китае устанавливают новые стандарты точности

Исследовательская группа под руководством профессора Чан Хонга из Национального центра временной службы (NTSC) Китайской академии наук разработала стронциевые оптические часы с частотой и систематической неопределённостью, превышающими 2×10-18. Это достижение ставит Китай в ряд мировых лидеров в области разработки оптических часов.

Прорыв соответствует дорожной карте, установленной 27-й Генеральной конференцией по мерам и весам (CGPM) в 2022 году, которая предложила переопределить единицу измерения времени в системе СИ — секунду — к 2030 году.

Результаты опубликованы в Metrologia.

Для достижения сверхвысокой точности и стабильности исследователи интегрировали несколько передовых технологий: технологию движущейся оптической решётки, технологию клетки Фарадея, технологию активного температурного контроля теплового щита и технологию неглубокой оптической решётки, основанную на наклонной решётке.

Эти достижения позволили решить постоянные проблемы измерений для критических сдвигов частоты, включая излучение чёрного тела и сдвиги плотности, в обычных стронциевых оптических решётчатых часах, подавив их до уровня 10-19, при этом последовательно поддерживая сдвиги постоянного тока на уровне 10-20.

Система также выиграла от высокоэффективного процесса подготовки квантовых эталонов с холодными атомами и технологии лазеров со сверхузкой шириной линии. Вместе система достигла стабильности частоты 3,6×10-16 (τ/s)-0,5 и 1,2×10-18 за 57 000 секунд при общей систематической неопределённости 1,96×10-18.

Это развитие не только приближает Китай к будущему переопределению секунды, но и расширяет возможности страны в области прецизионной метрологии и фундаментальных физических исследований.