Учёные создали искусственную клетку, способную ориентироваться в окружающей среде исключительно с помощью химических реакций

от

Исследователи из Института биоинженерии Каталонии (IBEC) создали самую простую в мире искусственную клетку, способную к химической навигации. Она перемещается к определённым веществам, подобно живым клеткам.

Этот прорыв, опубликованный в журнале Science Advances, демонстрирует, как микроскопические пузырьки можно запрограммировать для следования по химическим следам.

В исследовании описывается разработка «минимальной клетки» в виде липидной везикулы, заключающей в себе ферменты, которые могут перемещаться с помощью хемотаксиса.

Транспорт на клеточном уровне — жизненно важный аспект многих биологических процессов и ключевая веха в эволюции. Среди всех типов движения хемотаксис является важной стратегией, используемой многими живыми системами для перемещения к полезным сигналам, таким как питательные вещества, или от вредных.

«Бактерии используют его для поиска пищи, белые кровяные тельца — для достижения очагов инфекции, а сперматозоиды перемещаются к яйцеклетке через хемотаксис», — объясняет Барбара Борхес Фернандес, доктор философии в группе молекулярной бионической инженерии в IBEC, профессор на факультете физики Университета Барселоны и первый автор исследования.

«Нас особенно увлекает то, что такое направленное движение может происходить даже без сложного механизма, обычно участвующего в нём, такого как жгутики или сложные сигнальные пути. Воспроизводя его в минимальной синтетической системе, мы стремимся раскрыть основные принципы, которые делают такое движение возможным», — добавляет она.

Способность создавать искусственную клетку может помочь учёным лучше понять, как клеточные единицы способствуют дальнейшей эволюции в более сложные структуры.

«Эти синтетические клетки — как чертежи для системы навигации природы», — говорит старший автор, профессор Джузеппе Батталья, исследователь ICREA в IBEC, главный исследователь группы молекулярной бионической инженерии и руководитель исследования. «Создавай простое, чтобы понять сложное».

Для достижения этой цели исследовательская группа изучила, как везикулы, подобные клеткам, перемещаются в градиентах двух субстратов: глюкозы и мочевины. Они заключили ферменты глюкозооксидазу или уреазу в везикулы на основе липидов, называемые липосомами, чтобы преобразовать глюкозу и мочевину в соответствующие конечные продукты.

Затем липосомы были модифицированы путём добавления основного мембранного порового белка. Этот белок действует как канал для поступления субстратов в синтетическую клетку и для выхода продуктов реакций.

Известно, что активное движение зависит от нарушения симметрии. Удерживая ферменты внутри частицы и используя поры в качестве основных точек обмена, создаётся разница в концентрации химических веществ вокруг частицы. Это вызывает поток жидкости вдоль поверхности везикулы и направляет движение частицы. Это как если бы липосома была лодкой, а пора и фермент — её двигателем и системой навигации.

Исследовательская группа проанализировала транспортировку более 10 000 везикул внутри микрофлюидных каналов с градиентами глюкозы или уреазы, чтобы понять общее поведение популяции. Они изучили траектории везикул с различным количеством пор и сравнили их с траекториями контрольных везикул без пор.

«Мы наблюдаем, что контрольные везикулы движутся к более низким концентрациям субстрата из-за пассивных эффектов, отличных от хемотаксиса. По мере увеличения количества пор в везикулах увеличивается и хемотаксический компонент. В конце концов, это меняет направление движения, заставляя везикулы перемещаться к участкам с более высокой концентрацией субстрата», — объясняет Борхес.

Эти результаты являются многообещающими с биохимической точки зрения, поскольку изученные элементы повсеместно присутствуют в структуре большинства клеток.

«Посмотрите, как движется везикула. Действительно посмотрите. В этом крошечном пузырьке скрыты секреты: как клетки шепчут друг другу, как они отправляют груз жизни. Но механизм биологии шумный, слишком много деталей! Поэтому мы обманываем. Мы перестраиваем весь танец всего с тремя вещами: жировой оболочкой, одним ферментом и порой», — говорит Батталья.

«Никакой суеты. Теперь скрытые правила выпрыгивают наружу. В этом сила синтетической биологии: разбери головоломку до костей, и вдруг ты увидишь музыку в беспорядке. Что казалось запутанным? Чистая, элегантная химия, делающая больше с меньшими затратами».

Исследование проводилось в сотрудничестве с командой Хосе Мигеля Руби в Университете Барселоны (UB), которая сделала теоретические прогнозы.

В исследовании также приняли участие Институт физики живых систем и кафедра химии Университетского колледжа Лондона, Университет Ливерпуля, Институт биофизики (CSIC-UPV/EHU) и Фонд науки Икербаскуэ.

Предоставлено Институтом биоинженерии Каталонии.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте

Оставьте комментарий