Ученые создали искусственные клетки, имитирующие способность живых клеток захватывать, обрабатывать и выводить материал
Исследователи разработали искусственные клеткоподобные структуры из неорганического вещества, которые автономно поглощают, обрабатывают и выталкивают материал, воссоздавая важнейшую функцию живых клеток.
Их статья, опубликованная в Nature, представляет план создания «клеточных миметиков» с потенциальными применениями от доставки лекарств до наук об окружающей среде.
Фундаментальная функция живых клеток — способность извлекать энергию из окружающей среды для перекачки молекул внутрь и наружу. Когда энергия используется для перемещения молекул из областей с низкой концентрацией в области с высокой концентрацией, процесс называется активным транспортом. Он позволяет клеткам поглощать необходимые молекулы (например, глюкозу или аминокислоты), накапливать энергию и удалять отходы.
Десятилетиями исследователи пытались создать искусственные клетки — сконструированные микроскопические структуры, имитирующие черты и поведение биологических клеток. Но этим миметикам обычно не хватало способности выполнять сложные клеточные процессы, такие как активный транспорт.
В исследовании для Nature ученые из Нью-Йоркского университета и Чикагского университета описали новый, полностью синтетический клеточный миметик, который на шаг ближе к воспроизведению функции живых клеток. В смесях различных частиц миметики могут выполнять задачи активного транспорта, автономно захватывая, концентрируя, накапливая и доставляя микроскопический груз. Эти искусственные клетки созданы с использованием минимального набора компонентов и не заимствуют материалы из биологии.
Дизайн клеточного миметика
Для создания миметиков исследователи сформировали сферическую мембрану размером с эритроцит из полимера — аналога клеточной мембраны, контролирующей, что входит в клетку и выходит из нее. В мембране проделали микроскопическое отверстие, создав наноканал для обмена веществом, имитирующий белковый канал клетки.
Механизм активного транспорта
Для выполнения задач активного транспорта миметикам нужен был механизм, приводящий в движение клеткоподобную структуру для втягивания и выталкивания материала. В живой клетке митохондрии и АТФ обеспечивают необходимую энергию. В клеточный миметик исследователи добавили химически реактивный компонент внутрь наноканала, который при активации светом действует как насос. Когда свет попадает на насос, запускается химическая реакция, превращающая его в крошечный вакуум, который втягивает груз внутрь мембраны. При выключении насоса груз захватывается и обрабатывается внутри миметика. А при обращении химической реакции груз по требованию выталкивается наружу.
«Наша концепция дизайна позволяет этим искусственным клеточным миметикам работать автономно и выполнять задачи активного транспорта, которые до сих пор были прерогативой живых клеток», — сказал Стефано Саканна, доцент химии в NYU и ведущий автор исследования. — «В основе дизайна клеткоподобной структуры лежит синергия между активным элементом, питающим ее изнутри, и физическими ограничениями, накладываемыми клеточной стенкой, что позволяет им поглощать, обрабатывать и извергать чужеродные тела».
Потенциальные применения
Исследователи протестировали клеточные миметики в разных средах:
- В одном эксперименте миметики, взвешенные в воде, активировались светом и поглощали частицы или примеси из окружающей воды, демонстрируя потенциальное применение для очистки воды от микроскопических загрязнителей.
- В другом эксперименте они показали, что миметики могут поглощать бактерии E. coli и захватывать их внутри мембраны, что потенциально открывает новый метод борьбы с бактериями в организме.
- Еще одно возможное будущее применение — доставка лекарств, поскольку миметики могут высвобождать предварительно загруженное вещество при активации.
Исследователи продолжают разработку и изучение клеточных миметиков, включая создание структур для выполнения различных задач и изучение того, как разные типы миметиков взаимодействуют друг с другом.