Искусственное воссоздание клеточного «скелета» с помощью нитей ДНК
Исследователи из Университетского колледжа Лондона (UCL) искусственно воссоздали микроскопические трубки и нитевидные структуры, придающие клеткам форму и определяющие их функции, используя в качестве строительного материала нити ДНК.
Исследование, опубликованное в Nature Communications, является важным шагом на пути к созданию синтетических «умных клеток» (протоклеток), которые можно будет использовать для диагностики заболеваний, доставки лекарств или ремонта поврежденных клеток внутри организма.
Клетки, размером около тысячной доли миллиметра, содержат «скелеты» из белков, выполняющие структурную функцию, обеспечивающие движение и транспорт материалов внутри клетки.
Поскольку воссоздание этих трубок и нитей с помощью белков — сложная задача, ученые использовали нити ДНК в качестве строительных блоков. Им удалось точно настраивать размеры структур (от ~20 до 400 нанометров в толщину) и их жесткость (от гибких до сверхжестких).
Эти трубки и нити были интегрированы внутрь клеткоподобных пузырьков (везикул), а также нанесены на их внешнюю поверхность, функционируя как цитоскелет (внутри) или экзоскелет (снаружи). Большинство бактерий имеют экзоскелет, тогда как растения, животные и другие многоклеточные организмы — цитоскелет.
Структуры стабилизировали везикулы, снижая вероятность их разрыва, аналогично тому, как это происходит в реальных клетках.
Команда также смогла контролировать точное расположение трубок и волокон внутри везикул в реальном времени, прикрепив к ним магнитные наночастицы и используя внешний магнит.
Ключевые выводы и перспективы:
- Ведущий автор, доктор Джонатан Бернс (UCL Chemistry): «Мы перепрограммировали ДНК для формирования синтетических скелетных структур внутри модельных клеток и тканей. Эта работа может помочь создать умные клетки, способные чувствовать болезни, восстанавливать поврежденные клетки путем слияния с ними и целенаправленно доставлять лекарства».
- Следующий шаг — переход от лаборатории к испытаниям на животных, чтобы изучить взаимодействие протоклеток с живой тканью, их стабильность в организме и способность циркулировать в кровотоке для последующей адаптации к борьбе с раком или патогенными бактериями.
Создание тканеподобных структур:
Исследователи также показали, как протоклетки могут объединяться, формируя аналог живой ткани. Помещенные в раствор воды и сахара, они под действием испарения и возникающих токов сближались. Связь между клетками усиливалась при размещении нанотрубок или волокон на их внешней стороне (придавая клеткам «волосатый» вид), что приводило к потере сферической формы и формированию сотоподобной структуры.
Первый автор, доктор Нишкантха Арулкумаран (UCL Division of Medicine), отметил: «Многие строительные блоки, которые мы использовали, встречаются в организме естественным образом. Мы надеемся расширить этот подход, чтобы создавать умные клетки целиком из веществ, таких как липиды, которые легко разлагаются, перерабатываются или выводятся из организма».
Метод создания:
Трубки и нити были созданы путем помещения нитей ДНК в раствор хлорида магния (MgCl2) с последующим нагревом и контролируемым охлаждением (на полградуса в минуту), что запускало процесс самоорганизации ДНК в упорядоченную структуру. Концентрация магния определяла размеры и жесткость структуры.
Для формирования везикул с наноструктурами внутри использовался установленный метод центрифугирования смеси, содержащей наноструктуры, воду, сахарозу, масло и липиды, что приводило к образованию липидных мембран, имитирующих клеточную, с наноструктурами внутри.