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Des scientifiques de l’Université de la Sarre découvrent la production d’énergie humaine
Il y a environ deux mille cinq cents ans, le général chinois Sun Tzu écrivait dans son livre « L’art de la guerre » : « Connaissez votre ennemi et connaissez-vous vous-même, car il n’y a pas lieu de craindre l’issue de cent batailles. » Il semble que ce qui s’appliquait aux champs de bataille de la Chine ancienne s’applique également à la recherche biomédicale. Dans le cas de Martin van der Laan, professeur de biochimie médicale à l’Université de la Sarre, et d’Alexander von der Malsburg, chercheur associé au même institut, les ennemis sont des défauts génétiques de la protéine OPA1. OPA1 joue un rôle crucial dans l’amélioration de la conversion d’énergie dans les mitochondries, souvent appelées les « centrales électriques » qui font fonctionner nos cellules. Compte tenu de l’importance de l’OPA1, les défauts de la protéine peuvent avoir des conséquences très graves. Par exemple, si OPA1, qui signifie atrophie optique 1, ne fonctionne pas correctement, cela peut entraîner de graves maladies dégénératives. Dans bon nombre de ces cas, c’est le nerf optique qui est principalement touché, et les patients présentant un dysfonctionnement mitochondrial lié à OPA1 perdent souvent la vision.
Mais jusqu’à récemment, l’étude des protéines OPA1 défectueuses s’est révélée extrêmement difficile, en partie parce que les connaissances sur la fonction de la protéine OPA1, même saine, étaient encore fragmentaires. Les protéines individuelles sont par nature beaucoup plus petites que les petits compartiments cellulaires dans lesquels elles sont actives et ne sont donc pas faciles à surveiller. Cependant, des chercheurs de l’Université de Californie ont récemment pu produire les premières images d’OPA1 en utilisant la microscopie électronique cryogénique à haute résolution. Ils ont montré ces images au professeur van der Laan et à son équipe à Homburg, où le groupe jouit d’une excellente réputation mondiale dans le domaine de la recherche sur les mitochondries. Une analyse minutieuse des nouvelles données d’image a fourni les premières indications sur le fonctionnement d’OPA1. La percée cruciale est venue d’Alexander von der Malsburg, qui a réussi à créer le premier système cellulaire au monde pour étudier la fonction de l’OPA1 humaine. Martin van der Laan a salué la solution très intelligente et élégante de son collègue au problème, et les connaissances acquises sont désormais publiées dans la prestigieuse revue scientifique internationale Nature.
Jusqu’à présent, OPA1 était considérée comme une protéine « difficile » à étudier scientifiquement car elle existe sous différentes formes et se comporte de manière très dynamique. Certains aspects de la fonction OPA1 ont déjà été élucidés en étudiant des cellules de souris spécialement préparées et créées à partir de cellules souches embryonnaires au cours d’une procédure complexe. Mais il existe encore des aspects qui semblent incohérents ou contradictoires, dont beaucoup ne sont pas entièrement connus. En combinant et en optimisant intelligemment un certain nombre d’approches génétiques et biochimiques, Alexander von der Malsburg a apprivoisé la protéine humaine OPA1 et l’a rendue plus accessible pour un examen scientifique rigoureux. Selon van der Laan, von der Malsburg a maîtrisé avec brio une tâche « techniquement très difficile ».
La protéine OPA1 influence fortement l’efficacité de la production d’énergie dans les mitochondries cellulaires et joue ainsi un rôle particulièrement important dans la détermination des performances cellulaires. OPA1 garantit que les mitochondries saines peuvent fusionner les unes avec les autres et ainsi concentrer leurs forces, tandis que les mitochondries défectueuses sont éliminées. La fusion mitochondriale commence lorsque la protéine OPA1 s’attache à la membrane mitochondriale interne, ouvrant la membrane de manière localisée et contrôlée. Si les mitochondries voisines sont ainsi modifiées, elles peuvent fusionner les unes avec les autres et ainsi améliorer les fonctions mitochondriales dans la cellule. Cependant, si la fusion mitochondriale est inhibée en raison, par exemple, d’un déficit génétique conduisant à une production défectueuse d’OPA1, cela peut sérieusement affecter le métabolisme énergétique mitochondrial et, avec l’âge, entraîner un risque de maladies dégénératives graves. « Il existe des dizaines de formes différentes d’OPA1 défectueux », a expliqué Martin van der Laan. Une connaissance précise du fonctionnement de la protéine OPA1 et la capacité d’effectuer des simulations expérimentales du dysfonctionnement d’OPA1 pourraient aider de nombreux patients à l’avenir.
Alors, comment fonctionne OPA1 ? « En travaillant avec nos partenaires américains, nous avons découvert qu’OPA1 s’attache d’abord à la membrane interne du pied avec une structure en forme de griffe, puis soulève le talon du pied », a déclaré Alexander von der Malsburg. Ce mécanisme rétracte un morceau de film d’une manière qui n’est pas sans rappeler la façon dont un tire-bouchon à levier soulève le bouchon du goulot d’une bouteille de vin. Ce mécanisme s’est finalement révélé essentiel au fonctionnement de l’OPA1 en manipulant le gène contenant le modèle de production de la protéine OPA1. L’équipe de recherche a pu introduire clandestinement les plans génétiques modifiés dans des cellules humaines saines, de sorte qu’elle a commencé à créer des variantes défectueuses au lieu d’OPA1 saine. « Après un certain temps, nous avons commencé à remarquer que le mécanisme d’approvisionnement en énergie des cellules était faible et que la fusion mitochondriale était perturbée », a expliqué Alexander von der Malsburg. Il a décrit ce qu’ils ont trouvé au microscope : « Il était clair que la structure en forme de griffe manquait complètement dans la version transgénique. » La protéine OPA1 manipulée n’était plus capable d’ouvrir la membrane, empêchant essentiellement la fusion mitochondriale – la protéine avait effectivement changé de rôle cellulaire : d’alliée cruciale à adversaire dangereux.
« Il s’agit d’un mécanisme fondamental qui affecte de nombreuses variantes de l’OPA1 défectueuse », a déclaré le professeur Martin van der Laan. « Nous avons désormais les moyens d’étudier toutes ces variables individuellement. » Ces nouveaux résultats de recherche pourraient ouvrir la voie à des solutions de traitement personnalisées pour les patients qui développent la maladie en raison d’une perte de la fonction OPA1. Il est déjà possible d’effectuer des tests génétiques sur des patients pour déterminer lequel de plusieurs défauts OPA1 connus ils présentent. Van der Laan a résumé la portée du travail comme suit : « Grâce à cette nouvelle compréhension bien améliorée de la protéine OPA1, nous espérons qu’à l’avenir, les patients pourront recevoir des thérapies ciblant le défaut spécifique de la protéine. »
En révélant le mécanisme par lequel les défauts de la protéine OPA1 conduisent à un dysfonctionnement mitochondrial, Alexander von der Malsburg et Martin van der Laan adhèrent à la première partie du célèbre dicton de Sun Tzu, « Connaissez votre ennemi ». Et après une collaboration très fructueuse, on peut sans doute dire qu’ils se connaissent bien eux aussi. Ayant essentiellement satisfait aux deux parties du principe de Sun Tzu, les chercheurs semblent bien préparés pour les 100 prochaines « batailles » de recherche avec des variantes dysfonctionnelles de l’OPA1.
/Publication générale. Ce matériel provenant de l’organisation/des auteurs d’origine peut être de nature chronologique et est édité pour des raisons de clarté, de style et de longueur. Mirage.News ne prend pas de position ni de parti d’entreprise, et toutes les opinions, positions et conclusions exprimées ici sont uniquement celles du ou des auteurs. Voir en intégralité ici.
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L’étude a révélé que les minéraux et l’utilisation des terres déterminent le stockage du carbone dans le sol.
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Enterrez des récipients d’échantillons contenant des minéraux dans le sol. Crédit : Ingo Schoening, MPI-BGC
La séquestration du carbone dans le sol peut contribuer à l’atténuation du changement climatique, et la matière organique du sol liée aux minéraux possède la plus grande capacité à stocker le carbone. Une équipe de chercheurs, comprenant des scientifiques de l’Institut Max Planck de biogéochimie et de l’Université Martin Luther de Halle-Wittenberg, a évalué les facteurs qui contrôlent la matière organique liée aux minéraux.
leurs études, publié dans La biologie du changement globalIl montre que même si la quantité et le taux de leur formation sont principalement contrôlés par la composition minérale, l’utilisation des terres et l’intensité de la gestion influencent également la matière organique liée aux minéraux sur des échelles de temps courtes.
Le carbone organique du sol n’est pas seulement important pour la fertilité des sols et la production alimentaire, il joue également un rôle important dans le climat de la Terre puisqu’il représente environ 7 % du dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère.2 Il circule dans le sol chaque année. Depuis les débuts de l’agriculture, les sols ont perdu d’importantes quantités de carbone dans l’atmosphère. Pour atténuer le changement climatique, nous devons comprendre comment éviter une perte supplémentaire de carbone et reconstituer les stocks de carbone du sol.
Lorsque le carbone organique du sol est lié aux minéraux, sa durée de survie et sa résistance aux perturbations sont accrues. La formation de matière organique associée aux minéraux (MAOM) est donc un processus essentiel dans le cycle global du carbone. Cependant, malgré des décennies de recherche, l’impact de la composition minérale et de l’intensité de la gestion des terres sur la formation de MAOM n’a pas été résolu.
Pour combler cette lacune dans la recherche, plus de 3 500 conteneurs perméables remplis de goethite sans carbone, un représentant de l’oxyde de fer du sol, ou d’illite, un représentant du minéral argileux silicaté, ont été enterrés dans 150 forêts et 150 prairies. Les sites sont situés dans les trois zones d’étude allemandes du programme prioritaire d’infrastructures « Explorations de la biodiversité ».
Après cinq ans d’incubation souterraine, une équipe de scientifiques dirigée par De Schorn Bramble de l’Institut Max Planck de biogéochimie (MPI-BGC) à Iéna et Susanne Ulrich de l’Université Martin Luther de Halle-Wittenberg (MLU) a analysé le contenu du conteneur. . Ils ont constaté que, quels que soient le type d’utilisation des terres et l’intensité de la gestion, quatre fois plus de carbone organique s’accumulait dans la goethite que dans l’illite. Ce résultat confirme que la composition minérale est essentielle pour contrôler le taux et la quantité de formation de MAOM dans le sol.
« Une grande partie de nos connaissances sur le rôle des oxydes et des argiles silicatées dans le stockage du carbone dans le sol provient d’études en laboratoire », explique Susan. « Étant donné que ces deux groupes de minéraux interagissent dans les sols naturels, la différenciation directe de leurs rôles individuels dans la formation de MAOM n’est pas possible. .» Ulrich, Ph.D. Candidat à MLU.
« Notre configuration expérimentale nous a permis pour la première fois de comparer directement le potentiel de stockage de carbone de ces deux groupes minéraux dans des conditions de terrain. Nos résultats montrent que ce ne sont pas les propriétés de surface qui déterminent la formation de MAOM, car les oxydes ont une surface beaucoup plus grande. Le potentiel de stockage de carbone des minéraux argileux silicatés. » »
En raison du long temps de séjour du carbone dans les minéraux, la formation de MAOM était considérée comme relativement insensible à l’utilisation et à la gestion des terres sur des échelles de temps inférieures à plusieurs décennies. Cependant, les chercheurs ont noté dans leur étude que la formation de MAOM dans les forêts était réduite par l’intensité de la récolte et était modifiée par la sélection des espèces d’arbres. Dans les prairies, la productivité végétale ainsi que la diversité végétale ont augmenté la formation de MAOM. La productivité et la diversité végétales étaient affectées par la fertilisation, car la fertilisation augmentait la productivité végétale mais réduisait la diversité végétale.
De Schorn Bramble, candidat au doctorat au MPI-BGC explique ces nouveaux résultats contrastés : « Nous avons observé des effets significatifs de l’utilisation et de la gestion des terres sur la formation de MAOM après avoir exposé des minéraux sans carbone pendant seulement cinq ans aux conditions ambiantes du sol. Ces changements sont il est également probable qu’elle se produise dans les sols naturels. » Mais elle peut être difficile à détecter à l’aide des méthodes de mesure traditionnelles. « Nos résultats et notre approche expérimentale peuvent donc être importants pour prédire comment MAOM réagira aux activités humaines. »
Il note que même si la composition minérale détermine le potentiel de stockage du carbone dans le sol, l’utilisation des terres affecte la mesure dans laquelle ce potentiel est réalisé. Par conséquent, il est important de mieux comprendre comment la productivité des plantes, la qualité des apports organiques et la communauté des décomposeurs interagissent dans la formation de MAOM dans le sol sous différentes gestions.
Plus d’information:
De Shorn E. Bramble et al, La composition de la matière organique liée aux métaux dans les sols tempérés est principalement contrôlée par le type de métal et est modifiée par l’utilisation des terres et l’intensité de la gestion, La biologie du changement global (2023). est ce que je: 10.1111/gcb.17024
Informations sur les magazines :
La biologie du changement global
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Une nouvelle étude suggère que le changement climatique provoqué par des éruptions volcaniques massives pourrait avoir finalement ouvert la voie à l’extinction des dinosaures.
Les découvertes remettent en question le récit traditionnel selon lequel seule une météorite tombant sur Terre a porté le coup final aux anciens géants.
Pour étudier dans Avancement de la science, des chercheurs de l’Université McGill ont étudié les éruptions volcaniques dans les pièges du Deccan – un vaste plateau accidenté de l’ouest de l’Inde formé de lave en fusion. Son éruption de 1 million de kilomètres cubes de roche pourrait avoir joué un rôle majeur dans le refroidissement du climat mondial il y a environ 65 millions d’années.
Ce travail a mobilisé des chercheurs du monde entier, depuis le martelage de roches dans les pièges du Deccan jusqu’à l’analyse d’échantillons en Angleterre et en Suède.
En laboratoire, les scientifiques ont estimé la quantité de soufre et de fluor injectée dans l’atmosphère par les éruptions volcaniques massives au cours des 200 000 années précédant l’extinction des dinosaures.
Remarquablement, ils ont découvert que la libération de soufre pourrait entraîner une baisse globale des températures dans le monde, un phénomène connu sous le nom d’hiver volcanique.
«Nos recherches montrent que les conditions climatiques étaient presque certainement instables, avec des hivers volcaniques fréquents qui auraient pu durer des décennies avant l’extinction des dinosaures», explique Don Baker, professeur au Département des sciences de la Terre et des planètes de l’Université McGill.
« Cette instabilité aurait pu rendre la vie difficile à toutes les plantes et à tous les animaux et ouvrir la voie à un événement d’extinction des dinosaures. Nos travaux contribuent donc à expliquer cet événement d’extinction majeur qui a conduit à l’émergence des mammifères et à l’évolution de notre espèce. »
Découvrir les indices contenus dans des échantillons de roches anciennes n’a pas été une tâche facile. En fait, une nouvelle technique développée à McGill a aidé à déchiffrer l’histoire volcanique.
La technologie permettant d’estimer les émissions de soufre et de fluor – un mélange complexe de chimie et d’expériences – s’apparente un peu à la cuisson des pâtes.
« Imaginez faire des pâtes à la maison. Vous faites bouillir de l’eau, ajoutez du sel, puis les pâtes. Une partie du sel de l’eau entre dans les pâtes, mais pas beaucoup », explique Baker.
De même, certains éléments restent piégés dans les minéraux lorsqu’ils refroidissent après une éruption volcanique. Tout comme vous pouvez calculer les concentrations de sel dans l’eau dans laquelle les pâtes sont cuites en analysant le sel contenu dans les pâtes elles-mêmes, la nouvelle technique a permis aux scientifiques de mesurer le soufre et le fluor dans des échantillons de roche. Grâce à ces informations, les scientifiques ont pu calculer la quantité de ces gaz émis lors des explosions.
Les résultats représentent un pas en avant dans la reconstitution des anciens secrets de la Terre et ouvrent la voie à une approche plus éclairée du changement climatique.
source: université McGill
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(Actualités NanworkUn nouveau type de « fil » pour piloter les excitons, développé à l’Université du Michigan, pourrait contribuer à la création d’une nouvelle classe de dispositifs, comprenant peut-être des ordinateurs quantiques à température ambiante.
En outre, l’équipe a observé une violation significative de la relation d’Einstein, utilisée pour décrire la façon dont les particules se propagent dans l’espace, et l’a exploitée pour déplacer les excitons dans des faisceaux beaucoup plus petits qu’il n’était possible auparavant.
Prises principales
recherche
« La nature utilise des excitons dans la photosynthèse. Nous utilisons des excitons dans les écrans OLED, certaines LED et les cellules solaires », a déclaré Parag Deutari, co-auteur de l’étude, dans la revue. ACS Nano (« Amélioration du transport par dérive des excitons grâce à la suppression de la diffusion dans des guides unidimensionnels. ») Superviseur des travaux expérimentaux et professeur agrégé de génie électrique et informatique. « Être capable de déplacer les excitons là où nous le souhaitons nous aidera à améliorer l’efficacité des appareils qui utilisent déjà des excitons et à élargir la portée des excitons en informatique. »
Un exciton peut être considéré comme une particule (et donc une quasi-particule), mais il s’agit en réalité d’un électron lié à un espace vide chargé positivement dans le réseau de la matière (« un trou »). Étant donné qu’un exciton n’a pas de charge électrique nette, les excitons en mouvement ne sont pas affectés par la capacité parasite, qui est une interaction électrique entre les composants adjacents d’un dispositif provoquant une perte d’énergie. Les excitons sont également faciles à convertir vers et depuis la lumière, ce qui ouvre la voie à des ordinateurs très rapides et efficaces utilisant une combinaison d’optiques et d’excitons plutôt que d’électronique.
Cette combinaison pourrait contribuer à permettre l’informatique quantique à température ambiante, a déclaré Makelo Kira, co-auteur de l’étude et professeur de génie électrique et informatique. Les excitons peuvent coder des informations quantiques et peuvent les conserver plus longtemps que les électrons à l’intérieur des semi-conducteurs. Mais ce temps se mesure toujours en picosecondes (10-1 2 secondes) au mieux, alors Kira et d’autres ont découvert comment utiliser les impulsions laser femtoseconde (10-15 secondes) pour traiter les informations.
« Les applications de l’information quantique complète restent un défi car la dégradation de l’information quantique est trop rapide pour l’électronique ordinaire », a-t-il déclaré. « Nous explorons actuellement l’électronique à ondes lumineuses comme moyen d’augmenter la puissance des excitons avec des capacités de traitement très rapides. »
Cependant, l’absence de charge nette rend très difficile le transport des excitons. Auparavant, Diotari avait mené une étude qui faisait passer des excitons à travers un semi-conducteur à l’aide d’ondes sonores. Désormais, la structure hiérarchique permet une transmission plus précise d’un petit nombre d’excitons, confinés à une seule dimension comme un fil.
Cela fonctionne comme ceci :
L’équipe a utilisé un laser pour créer un nuage d’excitons dans le coin de la base de la pyramide, provoquant le rebond des électrons de la bande de valence du semi-conducteur vers la bande de conduction, mais les électrons chargés négativement étaient toujours attirés vers les trous chargés positivement restant dans la pyramide. . Bande de Valence. Le semi-conducteur est une seule couche de semi-conducteur au diséléniure de tungstène, d’une épaisseur de seulement trois atomes, drapée sur la pyramide comme un tissu extensible. L’étirement des semi-conducteurs modifie le paysage énergétique rencontré par les excitons.
Il semble contre-intuitif que les excitons s’élèvent jusqu’au bord de la pyramide et s’installent au sommet lorsque l’on imagine un paysage énergétique régi principalement par la gravité. Au lieu de cela, le paysage est régi par la distance entre les bandes de valence et de conduction du semi-conducteur. L’écart énergétique entre les deux, également connu sous le nom de bande interdite du semi-conducteur, diminue à mesure que le semi-conducteur s’étire. Les excitons migrent vers l’état d’énergie le plus bas, se dirigent vers le bord de la pyramide où ils montent ensuite jusqu’à son sommet.
L’équation formulée par Einstein est généralement efficace pour décrire comment un groupe de particules se propage vers l’extérieur et dérive. Cependant, le semi-conducteur était imparfait et ces imperfections servaient de pièges qui capturaient certains des excitons lorsqu’ils tentaient de dériver. Étant donné que les défauts à l’arrière du nuage d’excitons ont été comblés, ce côté de la distribution s’est étendu vers l’extérieur comme prévu. Mais l’avant-garde ne s’est pas encore étendue. La relation d’Einstein variait d’un facteur de plus de 10.
« Nous ne disons pas qu’Einstein avait tort, mais nous avons montré que dans des cas complexes comme celui-ci, nous ne devrions pas utiliser sa relation pour prédire le mouvement des excitons issus de la diffusion », a déclaré Matthias Florian, co-premier auteur de l’article. Chercheur et chercheur en génie électrique et informatique, travaillant sous la supervision de Kira.
Pour mesurer les deux directement, l’équipe devait détecter des photons uniques, émis lorsque des électrons liés et des trous se combinent spontanément. À l’aide de mesures de temps de vol, ils ont également détecté la source des photons avec suffisamment de précision pour mesurer la répartition des excitons dans le nuage.
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