Искусственные клетки ведут себя как настоящие

Ученые из Института Вейцмана создали искусственную клеточную систему, способную воспроизводить динамическое поведение синтеза белка. Исследование опубликовано в Science.

Устройство системы

Система, разработанная в лаборатории профессора Роя Бар-Зива, состоит из множества компартментов, «вытравленных» на биочипе. Эти искусственные клетки, глубиной всего в миллионную долю метра, соединены тонкими капиллярными трубками, образуя сеть для диффузии биологических веществ. В каждый компартмент ученые поместили синтетический геном — нити ДНК, спроектированные и контролируемые исследователями.

Для трансляции генов в белки ученые использовали клеточный экстракт бактерии E. coli — раствор, содержащий весь бактериальный аппарат для синтеза белка, но лишенный ее собственного генетического кода.

Динамика синтеза белка

Закодировав в последовательность ДНК два регуляторных гена, ученые добились периодической скорости синтеза белка, которая спонтанно переключалась между периодами активности («включено») и паузы («выключено»). Продолжительность каждого периода определялась геометрией компартментов.

Такое периодическое поведение — примитивная версия клеточного цикла — возникло потому, что синтезированные белки могли диффундировать из компартмента через капилляры, имитируя естественный оборот белков в живых клетках. При этом свежие питательные вещества непрерывно пополнялись, диффундируя в компартмент и позволяя реакции синтеза белка продолжаться неограниченно долго.

«Искусственная клеточная система, в которой мы можем контролировать генетическое содержание и время разбавления белка, позволяет нам изучать взаимосвязь между дизайном генной сети и возникающей динамикой белка. Это довольно сложно сделать в живой системе», — говорит Эяль Карзбрун.

Клеточная коммуникация и морфогенез

Ученые обнаружили, что синтезированные белки, диффундирующие через сеть соединенных компартментов, способны регулировать гены и производить новые белки в отдаленных компартментах. Эта система напоминает начальные стадии морфогенеза — биологического процесса, управляющего формированием плана тела в эмбриональном развитии.

«Мы наблюдали, что когда мы помещаем ген в компартмент на краю массива, он создает градиент убывающей концентрации белка; другие компартменты внутри массива могут ощущать и реагировать на этот градиент — подобно тому, как градиенты концентрации морфогенов диффундируют через клетки и ткани эмбриона на ранних стадиях развития», — объясняет Александра Таяр.

Будущие перспективы

По словам Бар-Зива, в принципе, в эту систему можно закодировать что угодно: «Гены похожи на Lego, в котором вы можете смешивать и сочетать различные компоненты для получения разных результатов». Это исследование в будущем может способствовать прогрессу в синтезе топлива, фармацевтических препаратов, химикатов и производстве ферментов для промышленного использования.