Os pesquisadores puderam observar o crescimento irregular das colônias bacterianas em três dimensões. Crédito: Neil Adelantar/Princeton University
Os pesquisadores descobriram que as colônias de bactérias são formadas em três dimensões com formas ásperas semelhantes a cristais.
As colônias bacterianas geralmente crescem em linhas em placas de Petri em laboratórios, mas até agora ninguém entendia como as colônias se organizam em ambientes 3D mais realistas, como tecidos e géis em corpos humanos ou solo e sedimentos no ambiente. Esse conhecimento pode ser importante para o avanço da pesquisa ambiental e médica.
uma Universidade de Princeton A equipe agora desenvolveu uma maneira de monitorar bactérias em ambientes 3D. Eles descobriram que, à medida que as bactérias crescem, suas colônias formam continuamente formas maravilhosamente irregulares, semelhantes a uma cabeça ramificada de brócolis, muito mais complexa do que vemos em uma placa de Petri.
“Desde que as bactérias foram descobertas há mais de 300 anos, a maioria das pesquisas de laboratório as estudou em tubos de ensaio ou em placas de Petri”, disse Sujit Datta, professor assistente de engenharia química e biológica da Universidade de Princeton e principal autor do estudo. Isso foi resultado de limitações práticas, e não de falta de curiosidade. “Se você tentar observar o crescimento de bactérias no tecido ou no solo, verá que elas são opacas e não é possível ver o que a colônia está fazendo. Esse foi o verdadeiro desafio.”
Os pesquisadores são Sujit Datta, professor assistente de engenharia química e biológica, Alejandro Martínez Calvo, pesquisador de pós-doutorado, e Ana Hancock, estudante de pós-graduação em engenharia química e biológica. Crédito: David Kelly Crowe da Universidade de Princeton
O grupo de pesquisa de Data descobriu esse comportamento usando uma configuração experimental pioneira que lhes permite fazer observações inéditas de colônias bacterianas em seu estado tridimensional natural. Inesperadamente, os cientistas descobriram que o crescimento de colônias selvagens se assemelha consistentemente a outros fenômenos naturais, como o crescimento de cristais ou a propagação de geada no vidro da janela.
“Esses tipos de formas irregulares e ramificadas são onipresentes na natureza, mas geralmente no contexto de sistemas inanimados crescentes ou aglomerados”, disse Datta. “O que descobrimos é que o crescimento em colônias bacterianas 3D exibe um processo muito semelhante, apesar do fato de serem grupos de organismos”.
Esta nova explicação de como as colônias de bactérias evoluem em três dimensões foi publicada recentemente na revista Anais da Academia Nacional de Ciências. Datta e seus colegas esperam que suas descobertas ajudem uma ampla gama de pesquisas sobre crescimento bacteriano, desde a criação de antimicrobianos mais eficazes até pesquisas farmacêuticas, médicas e ambientais, bem como procedimentos que aproveitam as bactérias para uso industrial.
Pesquisadores de Princeton no laboratório. Crédito: David Kelly Crowe da Universidade de Princeton
“Em um nível fundamental, estamos empolgados com o fato de este trabalho revelar conexões surpreendentes entre o desenvolvimento de forma e função em sistemas biológicos e estudos de processos de crescimento não vivos em ciência de materiais e física estatística. Mas também acreditamos que essa nova visão sobre quando e onde as células crescem em 3D será de interesse para qualquer pessoa interessada em crescimento bacteriano, como aplicações ambientais, industriais e biomédicas”, disse Datta.
Há vários anos, a equipe de pesquisa de Datta desenvolve um sistema que permite analisar fenômenos que normalmente estariam encobertos em condições opacas, como o fluxo de fluidos no solo. A equipe usa hidrogéis especialmente projetados, que são polímeros absorventes de água semelhantes aos encontrados em lentes de contato e geléias, como matrizes para apoiar o crescimento de bactérias em 3D. Ao contrário das versões comuns de hidrogéis, os materiais Data consistem em esferas muito pequenas de hidrogel que são facilmente deformadas por bactérias, permitem a passagem livre de oxigênio e nutrientes que suportam o crescimento bacteriano e são transparentes à luz.
“É como um poço de bolas onde cada bola é um hidrogel individual. É microscópico, então você realmente não pode vê-lo”, disse Datta. A equipe de pesquisa calibrou a composição do hidrogel para imitar a estrutura do solo ou tecido. O hidrogel é forte o suficiente para suportar o crescimento da colônia bacteriana sem introduzir resistência, suficiente para restringir o crescimento.
“À medida que as colônias bacterianas crescem na matriz de hidrogel, elas podem reorganizar facilmente os glóbulos ao seu redor para que não fiquem presas”, disse ele. “É como afundar o braço em um poço de bolas. Se você puxá-lo, as bolas se reorganizam em torno do seu braço.”
Os pesquisadores experimentaram quatro tipos diferentes de bactérias (incluindo uma que ajuda a criar o sabor pungente do kombucha) para ver como elas cresciam em três dimensões.
“Mudamos os tipos de células, as condições dos nutrientes e as propriedades do hidrogel”, disse Datta. Os pesquisadores observaram os mesmos padrões grosseiros de crescimento em todos os casos. “Mudamos sistematicamente todos esses parâmetros, mas isso parece ser um fenômeno geral”.
Dados disseram que dois fatores parecem estar causando crescimentos em forma de couve-flor na superfície da colônia. Primeiro, as bactérias com níveis mais altos de nutrientes ou oxigênio crescerão e se multiplicarão mais rapidamente do que aquelas em um ambiente menos abundante. Mesmo os ambientes mais consistentes têm algumas densidades de nutrientes desiguais, e essas diferenças fazem com que pontos na superfície da colônia avancem ou fiquem para trás. Isso se repete em três dimensões, fazendo com que a colônia de bactérias forme protuberâncias e nódulos, pois alguns subconjuntos de bactérias crescem mais rapidamente do que seus vizinhos.
Em segundo lugar, os pesquisadores observam que, no crescimento 3D, apenas as bactérias próximas à superfície da colônia crescem e se dividem. As bactérias espremidas no centro da colônia parecem entrar em um estado de hibernação. Como as bactérias no interior não estavam crescendo e se dividindo, o exterior não experimentou a pressão que faria com que se expandisse uniformemente. Em vez disso, sua expansão é impulsionada principalmente pelo crescimento ao longo da borda da colônia. O crescimento ao longo da borda está sujeito a mudanças de nutrientes que eventualmente levam a um crescimento atrofiado e errático.
“Se o crescimento fosse uniforme e não houvesse diferença entre as bactérias dentro da colônia e as da periferia, seria como encher um balão”, disse Alejandro Martínez Calvo, pesquisador de pós-doutorado da Universidade de Princeton e primeiro autor do artigo. . “A pressão de dentro preencherá qualquer turbulência nas extremidades.”
Para explicar por que esse estresse não estava presente, os pesquisadores adicionaram uma marca fluorescente às proteínas que se tornam ativas nas células quando as bactérias crescem. A proteína fluorescente brilha quando as bactérias estão ativas e permanece escura quando não estão. Ao observar as colônias, os pesquisadores viram que as bactérias na borda da colônia eram verdes brilhantes, enquanto o núcleo permanecia escuro.
“A colônia basicamente se organiza em um núcleo e uma casca que se comportam de maneiras muito diferentes”, disse Datta.
A teoria, disse Datta, é que as bactérias nas bordas da colônia absorvem a maior parte dos nutrientes e oxigênio, deixando pouco para as bactérias internas.
“Achamos que eles hibernam porque estão com fome”, disse Datta, embora tenha alertado que mais pesquisas são necessárias para explorar isso.
Data disse que experimentos e modelos matemáticos usados pelos pesquisadores descobriram que havia um limite superior para as cristas que se formaram nas superfícies da colônia. A superfície irregular é o resultado de diferenças aleatórias de oxigênio e nutrientes no ambiente, mas a aleatoriedade tende a estar dentro de certos limites.
“A aspereza tem um limite superior de quão grande pode ser – o tamanho de uma florzinha se compararmos com um brócolis”, disse ele. “Fomos capazes de prever isso com a matemática, e parece ser uma característica inevitável do crescimento de grandes colônias em 3D”.
Como o crescimento bacteriano tende a seguir um padrão semelhante ao crescimento de cristais e outros fenômenos bem estudados de materiais não vivos, Datta disse que os pesquisadores foram capazes de adaptar modelos matemáticos padrão para refletir o crescimento bacteriano. Ele disse que pesquisas futuras provavelmente se concentrarão em entender melhor os mecanismos por trás do crescimento, as implicações para formas de crescimento irregular do funcionamento da colônia e aplicar essas lições a outras áreas de interesse.
“Em última análise, este trabalho nos dá mais ferramentas para entender e, finalmente, controlar como as bactérias crescem na natureza”, disse ele.
Referência: “Instabilidade morfológica e crescimento grosseiro de colônias bacterianas tridimensionais” por Alejandro Martínez-Calvo, Tapumoy Bhattacharjee, R Conan Pai, Hau Njie Lu, Anna M Hancock, Ned S. Wingreen e Sojit S-Data, 18 de outubro de 2022, disponível aqui. Anais da Academia Nacional de Ciências. DOI: 10.1073/pnas.2208019119
O estudo foi financiado pela National Science Foundation, New Jersey Health Foundation, National Institutes of Health, Eric and Wendy Schmidt Transformational Technology Fund, Pew Medical Scientists Fund e Human Frontier Science Program.
A 30ª nave de carga robótica Dragon da SpaceX retornou ao seu lar na Terra.
A espaçonave Dragon partiu da Estação Espacial Internacional (ISS) hoje (28 de abril) às 13h10 EDT (1710 GMT), enquanto ambas as espaçonaves sobrevoavam a Tailândia. Era uma noite tropical naquela área, então não havia boas fotos do momento da atracação.
Dragon retornou à Terra após pousar no oceano na costa da Flórida por volta das 2h30 EDT (06h30 GMT) de terça-feira (30 de abril), confirmou a SpaceX em seu relatório. Compartilhar no X.
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A atual missão Dragon é conhecida como CRS-30, porque é a 30ª missão que a SpaceX envia à Estação Espacial Internacional sob um contrato comercial de serviços de reabastecimento com a NASA.
O lançamento do CRS-30 começou em 21 de março a bordo de um foguete SpaceX Falcon 9. A cápsula atracou no laboratório orbital em 23 de março, entregando aproximadamente 3 toneladas de instrumentos científicos e suprimentos ao laboratório orbital.
O pod também reboca carga para baixo – “mais de 4.100 libras [1,860 kilograms] “A partir de suprimentos e experimentos científicos projetados para aproveitar as vantagens do ambiente de microgravidade da estação espacial”, escreveram funcionários da NASA em um artigo. Atualizado na sexta-feira (26 de abril).
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“O lançamento na costa da Flórida permite o transporte rápido de experimentos para o Centro de Processamento de Sistemas Espaciais da NASA no Centro Espacial Kennedy, na Flórida, permitindo aos pesquisadores coletar dados com exposição mínima da amostra à gravidade da Terra”, acrescentaram.
Dragon é o único veículo de carga capaz de trazer equipamentos da Estação Espacial Internacional para casa com segurança. As outras duas espaçonaves de carga atualmente operacionais, a espaçonave Progress da Rússia e a espaçonave Cygnus da Northrop Grumman, queimam na atmosfera da Terra após a conclusão de seu trabalho em órbita.
Ainda há uma espaçonave SpaceX acoplada à ISS, mesmo após a separação do CRS-30, o veículo Dragon que voa na missão de astronauta Crew-8 da empresa para a NASA.
A Crew-8 foi lançada em 3 de março, enviando os astronautas da NASA Matthew Dominick, Michael Barratt, Janet Epps e Alexander Grebenkin da agência espacial russa Roscosmos à Estação Espacial Internacional para uma estadia de seis meses.
Um estilo de vida saudável pode compensar a influência dos genes em mais de 60% e acrescentar mais cinco anos à sua vida, de acordo com um estudo que é o primeiro do género.
Está bem estabelecido que algumas pessoas têm uma predisposição genética para uma vida mais curta. Sabe-se também que fatores de estilo de vida, especificamente tabagismo, consumo de álcool, dieta alimentar e atividade física, podem ter impacto na longevidade.
No entanto, até agora não houve pesquisas para compreender como um estilo de vida saudável pode equilibrar os genes.
Os resultados de vários estudos de longo prazo indicam que um estilo de vida saudável pode compensar os efeitos dos genes que encurtam a vida em 62% e acrescentar até cinco anos à sua vida. E os resultados foram Publicado no BMJ Medicina Baseada em Evidências.
Os pesquisadores concluíram: “Este estudo demonstra o papel fundamental de um estilo de vida saudável na mitigação do efeito de fatores genéticos na redução da expectativa de vida”. “As políticas de saúde pública para melhorar estilos de vida saudáveis servirão como complementos poderosos aos cuidados de saúde tradicionais e mitigarão o impacto dos factores genéticos na esperança de vida humana.”
O estudo incluiu 353.742 pessoas do Biobank do Reino Unido e mostrou que aqueles com alto risco genético para vidas mais curtas tinham um risco 21% maior de morte prematura em comparação com aqueles com baixo risco genético, independentemente do estilo de vida.
Entretanto, investigadores da Escola de Medicina da Universidade de Zhejiang, na China, e da Universidade de Edimburgo descobriram que as pessoas que levam estilos de vida pouco saudáveis têm uma probabilidade 78% maior de morte prematura, independentemente do seu risco genético.
O estudo acrescentou que seguir um estilo de vida pouco saudável e genes com menor expectativa de vida aumenta o risco de morte prematura em mais que o dobro em comparação com pessoas com genes mais afortunados e estilos de vida saudáveis.
No entanto, os pesquisadores descobriram que as pessoas pareciam ter um certo grau de controle sobre o que acontecia. Os pesquisadores descobriram que o risco genético de redução da expectativa de vida ou morte precoce pode ser compensado por um estilo de vida adequado em cerca de 62%.
“Os participantes com alto risco genético poderiam prolongar aproximadamente 5,22 anos de expectativa de vida aos 40 anos com um estilo de vida adequado”, escreveram.
Acontece que a “combinação ideal de estilo de vida” para uma vida mais longa é “nunca fumar, praticar atividade física regular, dormir adequadamente e ter uma dieta saudável”.
O estudo acompanhou pessoas por uma média de 13 anos, durante os quais ocorreram 24.239 mortes. Os indivíduos foram agrupados em três categorias de idade geneticamente determinadas, incluindo longo (20,1%), médio (60,1%) e curto (19,8%), e três categorias de estilo de vida incluindo favorável (23,1%), intermediário (55,6%) e desfavorável. (21,3%). ).
Os pesquisadores usaram pontuações de risco poligênico para observar múltiplas variantes genéticas e chegar à predisposição genética geral de uma pessoa para uma vida mais longa ou mais curta. Outros resultados analisaram se as pessoas fumavam, bebiam álcool, faziam exercício, a forma do corpo, a dieta saudável e o sono.
Matt Lambert, diretor de informação de saúde do Fundo Mundial de Pesquisa do Câncer, disse: “Esta nova pesquisa mostra que, apesar dos fatores genéticos, viver um estilo de vida saudável, incluindo uma dieta equilibrada e permanecer ativo, pode nos ajudar a viver mais”.
resumo: Os pesquisadores descobriram se os robôs modernos podem superar os organismos biológicos em velocidade e agilidade. O estudo concluiu que, apesar dos avanços na engenharia, os animais ainda superam os robôs em eficiência locomotiva em ambientes naturais.
Os pesquisadores descobriram que a integração de componentes robóticos fica aquém do processo coerente em nível de sistema observado em animais. Esta visão está a impulsionar o desenvolvimento de sistemas robóticos mais integrados e adaptáveis, inspirados no design da natureza.
Principais fatos:
Eficiência robótica versus biológica: O estudo confirma que os subsistemas robóticos individuais, como potência e atuação, podem igualar ou exceder os seus homólogos biológicos, mas os robôs não têm um desempenho tão bom como os animais quando estes sistemas são combinados.
Modelos biológicos inspiradores: A pesquisa destaca como os animais, como as aranhas-lobo e as baratas, se destacam em terrenos e tarefas complexas devido aos seus sistemas biológicos integrados e versáteis.
Tendências futuras da engenharia: As descobertas incentivam os engenheiros a repensar o design dos robôs e exigem uma abordagem mais integrada, semelhante aos sistemas biológicos, onde diferentes funções são combinadas em componentes únicos.
fonte: Universidade do Colorado
Talvez a questão seja uma versão do século XXI da história da tartaruga e da lebre: quem venceria uma corrida entre um robô e um animal?
Num artigo de nova perspectiva, uma equipa de engenheiros dos Estados Unidos e do Canadá, incluindo o roboticista Kaushik Jayaram, da Universidade do Colorado em Boulder, decidiu responder a este mistério.
Então, como podem os engenheiros construir robôs que, tal como os animais, sejam mais do que apenas a soma das suas partes? Crédito: Notícias de Neurociências
O grupo analisou dados de dezenas de estudos e chegou a um sonoro “não”. Em quase todos os casos, criaturas biológicas, como chitas, baratas e até humanos, parecem ser capazes de superar os seus homólogos robóticos.
Os pesquisadores, liderados por Samuel Borden, da Universidade de Washington, e Maxwell Donnellan, da Universidade Simon Fraser, publicaram suas descobertas na semana passada na revista. Robótica científica.
“Como engenheiro, é meio chato”, disse Jayaram, professor assistente do Departamento de Engenharia Mecânica Paul M. Rady da Universidade do Colorado em Boulder. “Ao longo de 200 anos de extensa engenharia, conseguimos enviar naves espaciais para a Lua, Marte e muito mais. Mas é intrigante que ainda não tenhamos robôs que sejam muito melhores a mover-se em ambientes naturais do que os sistemas biológicos.”
Ele espera que este estudo inspire os engenheiros a aprender como construir robôs mais inteligentes e adaptáveis. Os investigadores concluíram que o fracasso dos robôs em superar os animais não se deve a uma deficiência em qualquer peça de maquinaria, como baterias ou motores. Em vez disso, os engenheiros podem ter dificuldades para fazer com que essas peças funcionem juntas de forma eficiente.
Essa busca é uma das principais paixões de Jayaram. Seu laboratório no campus da CU Boulder é o lar de muitos rastejadores assustadores, incluindo várias aranhas-lobo peludas do tamanho de meio dólar.
“As aranhas-lobo são caçadoras naturais”, disse Jayaram. “Eles vivem sob as rochas e podem correr em terrenos complexos a uma velocidade incrível para capturar presas.”
Ele imagina um mundo em que os engenheiros constroem robôs que agem mais como essas aranhas incomuns.
“Os animais são, até certo ponto, a personificação deste princípio de design definitivo, um sistema que funciona bem em conjunto”, disse ele.
Energia da barata
Pergunta “Quem corre melhor, animais ou robôs?” É complicado porque a operação em si é complicada.
Em pesquisas anteriores, Jayaram e seus colegas da Universidade de Harvard projetaram um grupo de robôs que buscam imitar o comportamento aversivo das baratas. O modelo HAMR-Jr da equipe cabe em uma moeda e corre a velocidades equivalentes à de uma chita. Mas, observou Jayaram, embora o HAMR-Jr possa se mover para frente e para trás, ele não se move bem de um lado para o outro ou em terrenos acidentados.
Em contraste, a humilde barata não tem problemas em atravessar superfícies que vão desde porcelana até terra e cascalho. Eles também podem quebrar paredes e passar por pequenas rachaduras.
Para entender por que esta diversidade é um desafio para a robótica, os autores do novo estudo dividiram estas máquinas em cinco subsistemas, incluindo potência, estrutura, atuação, detecção e controle. Para surpresa do grupo, alguns destes subsistemas pareciam estar aquém dos seus homólogos animais.
Por exemplo, baterias de íons de lítio de alta qualidade podem fornecer até 10 quilowatts de energia para cada quilograma (2,2 libras) que pesam. Por outro lado, o tecido animal produz cerca de um décimo disso. Enquanto isso, os músculos não chegam nem perto de igualar o torque absoluto de muitos motores.
“Mas no nível do sistema, os robôs não são bons”, disse Jayaram. “Enfrentamos compromissos inerentes ao design. Se tentarmos melhorar uma coisa, como a velocidade de avanço, podemos perder outra coisa, como a capacidade de virar.
Sentidos de aranha
Então, como podem os engenheiros construir robôs que, tal como os animais, sejam mais do que apenas a soma das suas partes?
Jayaram observou que os animais não são divididos em subsistemas separados da mesma forma que os robôs. Por exemplo, seus quadríceps impulsionam suas pernas como os motores HAMR-Jr impulsionam seus membros. Mas os quadríceps também produzem sua própria força, quebrando gorduras e açúcares e integrando células nervosas que podem sentir dor e pressão.
Jayaram acredita que o futuro da robótica pode estar limitado a “subunidades funcionais” que fazem a mesma coisa: em vez de manter as fontes de alimentação separadas dos motores e das placas de circuito, por que não integrá-las todas numa única peça?
Num artigo de 2015, o cientista da computação Nicholas Curiel, que não esteve envolvido no estudo atual, propôs tais “materiais robóticos” teóricos que agiriam mais como quads.
Os engenheiros ainda estão longe de atingir esse objetivo. Alguns, como Jayaram, estão tomando medidas nessa direção, como acontece com o Robô Artrópode Inseto Articulado (CLARI) de seu laboratório, um robô com várias pernas que se move um pouco como uma aranha.
Jayaram explicou que o CLARI é baseado em um design modular, com cada uma de suas pernas atuando como um robô autônomo com motor, sensores e circuitos de controle próprios. A nova e melhorada versão da equipe, chamada mCLARI, pode se mover em todas as direções em espaços apertados, uma novidade para robôs de quatro patas.
É outra coisa que engenheiros como Jayaram podem aprender com esses caçadores por excelência, as aranhas-lobo.
“A natureza é uma professora realmente útil.”
Sobre notícias de pesquisa em robótica e neurotecnologia
autor: Daniel Tensão fonte: Universidade do Colorado comunicação: Daniel Strain – Universidade do Colorado foto: Imagem creditada ao Neuroscience News
Os animais correm muito melhor do que os robôs. A diferença no desempenho surge nas importantes dimensões de agilidade, alcance e durabilidade.
Para compreender as razões por trás desta lacuna de desempenho, comparamos tecnologias naturais e artificiais em cinco subsistemas operacionais críticos: potência, estrutura, atuação, detecção e controle.
Com poucas exceções, as tecnologias projetadas atendem ou excedem o desempenho de suas contrapartes biológicas.
Concluímos que a vantagem da biologia sobre a engenharia surge de uma melhor integração dos subsistemas e identificamos quatro obstáculos principais que os roboticistas devem superar.
Para atingir esse objetivo, destacamos direções de pesquisa promissoras que têm um enorme potencial para ajudar futuros robôs a alcançarem desempenho de nível animal.
