Учёные создали искусственную клетку, способную ориентироваться в среде с помощью одной лишь химии
Исследователи из Института биоинженерии Каталонии (IBEC) создали самую простую в мире искусственную клетку, способную к химической навигации — миграции к определённым веществам, как это делают живые клетки.
Этот прорыв, описанный в Science Advances, демонстрирует, как микроскопические пузырьки можно запрограммировать на следование химическим градиентам. В исследовании представлена разработка «минимальной клетки» в форме липидного везикула, инкапсулирующего ферменты, которые могут двигать её посредством хемотаксиса.
Хемотаксис — это важнейшая стратегия, которую используют многие живые системы для движения к полезным сигналам (например, питательным веществам) или от вредных.
«Бактерии полагаются на него, чтобы найти пищу, белые кровяные тельца используют его, чтобы достичь очага инфекции, и даже сперматозоиды находят яйцеклетку с помощью хемотаксиса», — объясняет Барбара Боржес Фернандеш, первый автор исследования.
«Мы создаём его в минимальной синтетической системе, чтобы раскрыть основные принципы, делающие такое движение возможным», — добавляет она.
«Эти синтетические клетки — как чертежи навигационной системы природы. Строй простое, понимай глубоко», — говорит старший автор работы профессор Джузеппе Батталья.
Липосомы и поры: Лодки и двигатели
Для этого исследовательская группа изучила, как везикулы, подобные клеткам, движутся в градиентах двух субстратов: глюкозы и мочевины. Они поместили ферменты глюкозооксидазу или уреазу внутрь липидных везикул (липосом), чтобы преобразовывать глюкозу и мочевину в их конечные продукты.
Затем в мембрану липосом добавили белок поры, который действует как канал для входа субстратов и выхода продуктов реакций.
Активное движение зависит от нарушения симметрии. Захватывая ферменты внутри частицы и используя поры как точки обмена, создаётся разница в химической концентрации вокруг неё. Это вызывает поток жидкости вдоль поверхности везикулы и направляет её движение. Как если бы липосома была лодкой, а пора и фермент — её двигателем и системой навигации.
От пассивного транспорта к активному хемотаксису
Команда проанализировала движение более 10 000 везикул в микрофлюидных каналах с градиентами глюкозы или мочевины. Они изучили траектории везикул с разным количеством пор и сравнили их с контрольными везикулами без пор.
«Мы наблюдаем, что контрольные везикулы движутся к областям с более низкой концентрацией субстрата из-за пассивных эффектов, отличных от хемотаксиса. По мере увеличения числа пор в везикулах растёт и хемотаксический компонент. В конце концов, это меняет направление движения, заставляя везикулы двигаться к областям с более высокой концентрацией субстрата», — объясняет Боржес.
Эти результаты перспективны с биохимической точки зрения, потому что изученные элементы повсеместно присутствуют в структуре большинства клеток.
«Мы воссоздаём весь танец всего с тремя вещами: жировой оболочкой, одним ферментом и порой. Теперь скрытые правила становятся очевидными. Это сила синтетической биологии», — говорит Батталья.
Исследование проводилось в сотрудничестве с командой Хосе Мигеля Руби из Университета Барселоны (UB), которая сделала теоретические предсказания. В работе также участвовали Институт физики живых систем и факультет химии Университетского колледжа Лондона, Ливерпульский университет, Институт биофизики (CSIC-UPV/EHU) и Фонд науки Ikerbasque.