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Une enzyme végétale moderne s’associe à une protéine étonnamment ancienne

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Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du ministère américain de l’Énergie ont découvert que la protéine responsable de la synthèse d’une substance végétale clé a évolué beaucoup plus tôt que prévu. Cette nouvelle recherche a exploré l’origine et l’évolution de la machinerie biochimique qui produit la lignine, un composant structurel des parois cellulaires végétales qui a des implications majeures pour l’industrie de l’énergie propre.

Lorsque les premières plantes terrestres ont émergé des milieux aquatiques, elles ont dû s’adapter pour survivre.

« L’émergence de la lignine, qui fournit un support structurel aux plantes, a été un événement évolutif clé qui a permis aux plantes de survivre dans le nouvel environnement terrestre », a déclaré Zhang Jun Liu, scientifique principal au département de biologie de Brookhaven.

Comprendre comment les plantes développent des mécanismes de protection qui leur permettent de survivre dans de nouveaux environnements est essentiel alors qu’elles font face aux défis posés aujourd’hui par le changement climatique. Mais la lignine présente également un grand intérêt pour les chercheurs à la recherche d’options énergétiques propres. Cette matière végétale résistante peut être transformée en bioproduits précieux. La lignine est la seule source renouvelable de composés aromatiques, chimiquement similaires aux molécules présentes dans le carburéacteur conventionnel et pouvant être utilisée comme carburant « direct » par les compagnies aériennes.

« Les plantes modernes contiennent trois types de lignine, mais la plupart des premières plantes contenant de la lignine n’en avaient que deux. La lignine « la plus récente » est appelée syringyl-lignine, ou S-lignine », a expliqué Liu. La lignine a évolué relativement récemment avec les plantes à fleurs et est structurellement moins complexe que les autres composants de la lignine. Ses applications industrielles potentielles, en particulier, ont attiré l’attention des scientifiques car la S-lignine est relativement facile à décomposer en composés aromatiques simples.

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La nouvelle étude a été récemment publiée dans Cellule de plante, s’appuie sur des années de recherche axées sur la lignine et les molécules responsables de sa synthèse. En 2019, Liu et ses collègues ont découvert l’existence d’un type spécifique de cytochrome c B5 La protéine CB5D est indispensable à la production de S-lignine, mais pas à d’autres types anciens de lignine.

« Le caractère unique du rôle du CB5D dans la synthèse de la S-lignine a suscité notre intérêt », a noté Liu. « Par conséquent, nous avons été inspirés pour explorer davantage son origine et son évolution. »

Travail d’équipe enzymatique

Dans une étude précédente, l’équipe de Liu a découvert que CB5D avait un partenariat spécial avec une enzyme appelée ferulate 5-hydroxylase (F5H). Ensemble, ces molécules synthétisent la précieuse S-lignine.

Les scientifiques savaient que l’évolution du F5H dans les plantes à fleurs conduisait à la production de S-lignine. Par conséquent, ils s’attendaient à constater que CB5D co-évoluait avec F5H.

Pour explorer leur hypothèse, les scientifiques ont effectué des analyses génétiques pour trouver d’autres espèces végétales dont l’ADN contient des gènes similaires aux gènes modernes. CB5D Le gène, qui sert d’instructions pour l’assemblage de la protéine CB5D. Ils ont identifié 21 espèces, allant de l’ancienne à l’évolution moderne. Les scientifiques ont ensuite synthétisé ces gènes et les ont exprimés individuellement dans des espèces végétales modernes qui avaient été génétiquement modifiées pour en manquer… CB5D Le gène.

« Sans le CB5D « La plante ne produit qu’une petite quantité de S-lignine », a déclaré Xianhai Zhao, chercheur postdoctoral à Brookhaven et auteur principal du nouvel article. « Mais si cette fonction est restaurée avec l’expression de l’un des gènes apparentés, alors nous savons que les gènes fonctionnent de manière similaire aux gènes modernes. CB5D « Le gène. »

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Les scientifiques ont découvert qu’un gène provenant d’une espèce d’algue verte qui a évolué pour devenir une première plante terrestre il y a plus de 500 millions d’années a recréé la lignine S dans la plante moderne. Cela suggère que le gène présente une fonction de type CB5D. Les scientifiques ont également découvert que cette fonction restait conservée dans de nombreuses premières plantes terrestres, telles que les hépatiques et les mousses.

« Cela signifie que le CB5D a évolué des millions d’années plus tôt que prévu », a expliqué Liu. « Il a été très surprenant de constater qu’un accepteur d’électrons moderne tel que F5H s’est associé à une protéine ancienne pour développer un nouveau mécanisme biochimique qui assemble la structure avancée de la lignine. »

Travail d’équipe scientifique et prochaines étapes

le CB5DLe gène et son homologue plus ancien ont des séquences et des fonctions d’ADN similaires. Mais les scientifiques voulaient confirmer que la protéine CB5D d’espèces anciennes, comme l’hépatique, était exprimée dans les mêmes structures subcellulaires que la CB5D moderne.

Ainsi, ils ont utilisé la microscopie confocale au Center for Functional Nanomaterials, un établissement utilisateur du DOE Office of Science du Brookhaven Laboratory, pour confirmer que c’était le cas.

Après avoir découvert d’anciens gènes codant pour des protéines similaires à la protéine CB5D moderne en termes de synthèse de la S-lignine dans les plantes modernes et de localisation cellulaire, l’équipe a voulu en savoir plus sur la fonction ancienne de cette protéine et sur la façon dont elle a changé ou s’est développée au fil du temps.

Leur analyse a montré que la protéine de type CB5D est apparue dans les algues aquatiques avant qu’elles ne pénètrent dans l’environnement terrestre. Parce qu’elle est conservée dans les premières plantes terrestres, cette protéine remplit probablement une ou plusieurs fonctions essentielles.

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« Les plantes anciennes comme l’hépatique ne contenaient pas de lignine », a déclaré Zhao. « Si la protéine CB5D n’était pas responsable de la production de la S-lignine, que faisait-elle ? »

« C’est la beauté de la recherche », a déclaré Liu. « Répondre à une question mène à des questions plus intéressantes qui attendent d’être explorées. »

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La formation par simulation basée sur l’IA améliore les performances humaines dans les exosquelettes robotiques

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Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord ont démontré une nouvelle méthode qui exploite l’intelligence artificielle (IA) et les simulations informatiques pour entraîner des exosquelettes robotiques afin d’aider de manière indépendante les utilisateurs à économiser de l’énergie lorsqu’ils marchent, courent et montent les escaliers.

« Ce travail propose et démontre un nouveau cadre d’apprentissage automatique qui comble le fossé entre la simulation et la réalité pour contrôler de manière autonome des robots portables afin d’améliorer la mobilité et la santé des humains », explique Hao Su, auteur correspondant d’un article sur les travaux qui seront publiés. Le 12 juin dans le magazine nature.

« Les exosquelettes ont un énorme potentiel pour améliorer les performances des locomotives humaines », déclare Su, professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial à l’Université d’État de Caroline du Nord. « Cependant, leur développement et leur déploiement à grande échelle sont limités par de longues exigences en matière de tests humains et par des lois sur la surveillance manuelle.

« L’idée de base ici est que l’IA incorporée dans l’exosquelette portable apprend à aider les gens à marcher, courir ou grimper dans une simulation informatique, sans nécessiter aucune expérience », explique Su.

Plus précisément, les chercheurs se sont concentrés sur l’amélioration du contrôle autonome dans les systèmes d’IA incorporés, c’est-à-dire les systèmes dans lesquels le logiciel d’IA est intégré à la technologie des robots physiques. Ce travail visait à enseigner aux exosquelettes robotiques comment aider les personnes en bonne santé à effectuer divers mouvements. En règle générale, les utilisateurs doivent passer des heures à « entraîner » l’exosquelette afin que la technologie sache quelle force est nécessaire – et quand appliquer cette force – pour aider les utilisateurs à marcher, courir ou monter les escaliers. La nouvelle méthode permet aux utilisateurs de profiter immédiatement des exosquelettes.

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« Ce travail fait de la science-fiction une réalité, permettant aux gens de dépenser moins d’énergie tout en effectuant diverses tâches », explique Su.

« Nous avons développé une méthode pour former et contrôler des robots portables qui profitent directement aux humains », explique Xuzhen Lu, premier auteur de l’article et ancien chercheur postdoctoral à NC State. Luo est maintenant professeur adjoint à l’Université aéronautique Embry-Riddle.

Par exemple, lors de tests sur des humains, les chercheurs ont découvert que les participants à l’étude utilisaient 24,3 % d’énergie métabolique en moins lorsqu’ils marchaient avec un exosquelette robotique que lorsqu’ils marchaient sans exosquelette. Les participants ont utilisé 13,1 % d’énergie en moins lorsqu’ils couraient dans l’exosquelette et 15,4 % d’énergie en moins lorsqu’ils montaient les escaliers.

« Il est important de noter que ces réductions de puissance comparent les performances de l’exosquelette robotique à celles d’un utilisateur ne portant pas l’exosquelette », explique Su. « Cela signifie qu’il s’agit d’une mesure réelle de la quantité d’énergie économisée par l’exosquelette. »

Bien que cette étude se soit concentrée sur le travail des chercheurs auprès de personnes en bonne santé, la nouvelle méthode s’applique également aux applications d’exosquelettes robotiques visant à aider les personnes à mobilité réduite.

« Notre cadre peut offrir une stratégie généralisable et évolutive pour le développement rapide et l’adoption généralisée d’une variété de robots d’assistance pour les personnes en bonne santé et à mobilité réduite », explique Su.

« Nous en sommes aux premiers stades de tests des performances de la nouvelle méthode sur des exosquelettes robotiques utilisés par des personnes âgées et des personnes souffrant de troubles neurologiques, tels que la paralysie cérébrale. Nous souhaitons également explorer comment cette méthode peut améliorer les performances des dispositifs prothétiques robotiques. pour la population amputée.

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Cette recherche a été menée avec le soutien de la National Science Foundation sous les prix n° 1944655 et 2026622 ; Institut national de recherche sur le handicap, la vie indépendante et la réadaptation, dans le cadre de la bourse 90DPGE0019 et de la bourse de recherche suisse SFGE22000372 ; et les National Institutes of Health, sous le prix 1R01EB035404.

Shuzhen Luo et Hao Su sont co-inventeurs de la propriété intellectuelle liée au contrôleur évoquée dans ce travail. Su est également co-fondateur et détient un intérêt financier dans Picasso Intelligence, LLC, qui développe des exosquelettes.

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La NASA et Boeing évaluent les effets potentiels des fuites d’hélium sur le Starliner

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La NASA et Boeing évaluent les effets potentiels des fuites d’hélium sur le Starliner

La capsule Starliner de Boeing poursuit une inspection approfondie lors de sa toute première mission d’astronaute.

Starliner a été lancé le 5 juin, transportant les astronautes de la NASA Butch Wilmore et Sonny Williams vers la Station spatiale internationale (ISS) pour une croisière connue sous le nom de Crew Flight Test (CFT).

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La NASA partage une superbe image de la galaxie spirale poussiéreuse NGC 4414 ; Voici tout ce que vous devez savoir

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La NASA partage une superbe image de la galaxie spirale poussiéreuse NGC 4414 ;  Voici tout ce que vous devez savoir

L’agence spatiale américaine National Aeronautics and Space Administration (NASA) a publié une image époustouflante de la galaxie spirale poussiéreuse appelée NGC 4414. L’image a été prise par le télescope spatial Hubble de la NASA dans le cadre du projet majeur HST sur l’échelle de distance extragalactique en 1995.

Le télescope spatial Hubble, lancé en 1990, a modifié la compréhension fondamentale de l’univers, passant de la détermination de la composition atmosphérique des planètes en orbite autour d’autres étoiles à la découverte de l’énergie noire.

Revenant sur la galaxie spirale poussiéreuse, la NASA Hubble déclare : « Sur la base de mesures précises de la luminosité des étoiles variables (étoiles dont la luminosité fluctue) dans NGC 4414, les astronomes ont déterminé que la galaxie se trouve à 60 millions d’années-lumière. »

Elle a ajouté : « Ces informations ont aidé les scientifiques à mieux comprendre le taux d’expansion de notre univers, et nous en avons appris davantage sur la distance et la taille de nombreux objets cosmiques, et même sur l’âge de l’univers lui-même. »

En parlant de l’image partagée par la NSA Hubble, NGC 4414 est une galaxie spirale avec sa composition d’étoiles distincte dans ses différentes régions. Dans leurs régions centrales se trouvent une abondance d’étoiles jaunes et rouges, une caractéristique souvent associée aux amas d’étoiles plus anciens que l’on trouve généralement dans les galaxies spirales.

Dans les régions extérieures, NGC 4414 apparaît plus bleue. La NASA affirme que cette couleur bleuâtre indique la présence d’étoiles plus jeunes et plus chaudes, indiquant une formation d’étoiles en cours dans ces régions. L’image partagée par la NASA montre NGC 4414 comme une grande galaxie spirale avec un noyau jaune lumineux et des bras spiraux tentaculaires décorés de poussière brun foncé et d’amas d’étoiles.

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Selon la NASA Hubble, étant donné que la taille de la galaxie dépassait la capacité des détecteurs WFPC2, seule la moitié de NGC 4414 était visible dans les ensembles de données collectées par les astronomes dans le cadre du projet principal en 1995. Cependant, en 1999, l’équipe Hubble Legacy a revisité NGC. 4414 Et remplissez-le. Dans la partie manquante de son image en observant l’autre moitié en utilisant les mêmes filtres utilisés en 1995.

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Publié : 12 juin 2024, 07h16 IST

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