Искусственные мембраны имитируют динамику, подобную жизни, благодаря каталитическим химическим реакциям.

от

Использование каталитической химии для контроля над искусственными мембранами

Исследователи из Токийского института науки добились динамического контроля над искусственными мембранами, обеспечив им поведение, подобное живым мембранам. Работа [опубликована](https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c10187) в Journal of the American Chemical Society.

Используя искусственный металлофермент, который выполняет реакцию метатезиса замыкания цикла, команда индуцировала исчезновение разделённых по фазам доменов, а также деление мембран в искусственных мембранах, имитируя динамическое поведение естественных биологических мембран. Это преобразующее исследование знаменует собой важный этап в технологиях синтетических клеток, открывая путь для инновационных терапевтических прорывов.

Биологические мембраны как основа жизни

Биологические мембраны — это фундаментальные структуры, которые образуют границы всех живых клеток, контролируя их взаимодействие, рост и реакцию на окружающую среду. Эти мембраны состоят из различных молекул, таких как липиды и белки, которые организуются в мембранный слой.

В определённых условиях молекулы группируются в локальные функциональные области, регулирующие специфические биологические процессы. Эти сгруппированные области известны как разделённые по фазам домены и отличаются от окружающей мембраны.

Понимание и воспроизведение динамического поведения этих областей давно увлекало учёных, стремящихся создать искусственные клетки, которые вели бы себя как естественные клетки. Однако, поскольку большинство моделей искусственных мембран остаются статичными, воспроизведение этих адаптивных свойств биологических мембран до сих пор было сложной задачей.

Новый подход к управлению искусственными мембранами

Для решения этой задачи исследователи из Токийского института науки (Япония) и Университета Базеля (Швейцария) совместно разработали новую химическую стратегию для управления поведением искусственных клеточных мембран.

Исследование проводилось под руководством профессора Казуши Кинбара и докторанта Рей Хамагучи из Школы наук о жизни и технологиях, Токийский институт науки, Япония, в сотрудничестве с профессором Томасом Р. Уордом из Университета Базеля, Швейцария.

Чтобы «оживить» мембраны, исследователи сначала создали крошечные структуры, похожие на клетки, называемые липидными везикулами. Затем они создали гибридный катализатор, известный как искусственный металлофермент (ArM) — комбинацию биологического белка стрептавидина (Sav) и синтетического металлического катализатора (рутений металлический комплекс) с биотиновой (витамин B7) составляющей. Этот фермент действует как катализатор на мембране, выполняя критическую химическую реакцию, известную как метатезис замыкания цикла (RCM).

Чтобы прикрепить катализатор ArM к поверхности липидной мембраны, команда также включила в мембрану специальный вид биотинилированного липида, который действовал как якорь для катализатора.

«При активации предшественниками жирных кислот система ArM высвобождает свободные жирные кислоты через RCM», — объясняет Кинбара. «Эти жирные кислоты проникают в мембрану, слегка изменяя её структуру и приводя к динамическому поведению мембраны».

Молекулярное моделирование выявило ключевые механизмы, лежащие в основе этих преобразований. Неактивные, «запертые» предшественники жирных кислот были сначала активированы катализатором ArM через реакцию RCM. Эта реакция освобождает «запертые» предшественники жирных кислот, высвобождая свободные жирные кислоты вблизи мембраны.

Высвобожденные жирные кислоты естественным образом встраиваются в поверхность мембраны, изменяя её жёсткость и кривизну, что, в свою очередь, приводит к видимым трансформациям, таким как исчезновение разделённых по фазам доменов и деление мембраны.

«Это немного похоже на то, как если бы мы дали синтетической мембране возможность дышать и реагировать», — говорит Кинбара. «Контролируя химическую реакцию на поверхности мембраны, мы можем заставить её реорганизовываться, подобно тому как это делает живая клетка».

Открытие знаменует собой первую попытку химически запрограммировать физическое поведение искусственных мембран, закладывая основу для создания материалов, подобных жизни, которые могут ощущать окружающую среду и реагировать на неё.

Это не только продвигает синтетическую биологию, но и представляет собой план создания программируемых искусственных мембран, которые могут вдохновить будущие терапевтические инновации — преодолевая разрыв между химией и жизнью.

Предоставлено [Токийским институтом науки](https://phys.org/partners/institute-of-science-tokyo/).

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте