Учёные создали искусственные клетки с автономным транспортом белков и сборкой тканей
В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, учёные разработали метод, позволяющий искусственным клеткам взаимодействовать с внешней средой без сложных процессов модификации. Этот подход может открыть новые возможности в тканевой инженерии, доставке лекарств и изучении клеточных процессов.
Биологические клетки защищены мембраной из фосфолипидов, которая регулирует взаимодействие с окружающей средой. Воссоздать это в искусственных клетках сложно, так как обычно требуется внешняя модификация мембраны вручную. Особенно это касается транслокации (перемещения) белков через мембрану. Новое исследование решает эту проблему, создав метод, при котором искусственные клетки модифицируют свою собственную мембрану.
Мотивация и цель
Профессор Нил К. Деварадж из Калифорнийского университета в Сан-Диего объяснил, что реконституция мембранных белков в искусственных системах — давняя проблема в исследованиях искусственных клеток. Естественные клетки имеют сложные системы для встраивания таких белков в мембраны. Для искусственных клеток воссоздать эти системы крайне сложно, поэтому потребовалась разработка более простого метода, позволяющего клеткам функционализировать свою собственную мембрану.
Целью исследования была функционализация клеточной мембраны для обеспечения транспорта белков через неё с последующей сборкой клеток в тканеподобные структуры.
Работа с α-гемолизином
Чтобы преодолеть проблему ручной модификации, учёные разработали метод, позволяющий закодировать модификацию внешней мембраны в геноме искусственной клетки. Для этого они выбрали поробразующий белок α-гемолизин, продуцируемый бактерией Staphylococcus aureus.
Александр Харджунг, аспирант из лаборатории профессора Девараджа, пояснил, что этот белок широко известен в исследованиях искусственных клеток и нанопорового секвенирования. Его уникальность в том, что он экспрессируется как растворимый мономер, который при контакте с липидным бислоем (клеточной мембраной) спонтанно собирается в трансмембранный белок. Исследователи не просто использовали α-гемолизин, но и модифицировали искусственные клетки для самостоятельной выработки этого белка, создав самоподдерживающуюся систему.
Модификация α-гемолизина и вставка пептидов
Для улучшения функциональности и контроля над процессом образования пор учёные модифицировали мембранотранслоцирующую петлю белка. Они тестировали пептиды разной длины и состава, используя гибкие линкеры (короткие аминокислотные цепи), которые облегчают взаимодействие между частями белка и улучшают доступность пептида после встраивания белка в мембрану.
Были протестированы различные пептиды:
- His-tag пептиды (короткие последовательности аминокислот гистидина) — для отслеживания движения α-гемолизина.
- Биологически активные пептиды Somatostatin-14 и GLP-1 — для проверки транслокации.
Для валидации результатов использовались несколько методов: анализ связывания с GUV и утечки, криоэлектронная микроскопия, записи каналов в липидном бислое и эксперименты по распознаванию антител.
Успешная транслокация и сборка тканей
Модифицированный α-гемолизин успешно перемещался к клеточной мембране и встраивался в неё. После этого пептидные вставки успешно транслоцировались через мембрану, демонстрируя транспорт белка. В α-гемолизин можно было вставить пептиды длиной до 50 аминокислот без нарушения образования пор, встраивания в мембрану и функциональности белка.
Транслоцированные пептиды оставались доступными на внешней стороне мембраны. Это позволяет использовать их для сборки тканеподобных структур на основе электростатических взаимодействий. Создав одну популяцию клеток, транслоцирующих отрицательно заряженные пептиды, и другую — с положительно заряженными пептидами, можно добиться их связывания друг с другом, формируя тканеподобную структуру.
Перспективы: доставка лекарств и искусственные ткани
Исследователи также добавили систему коммуникации между клетками, при которой клетки производят флуоресцентный сигнал при получении сигнала от других клеток. Это может помочь в создании более сложных и функциональных искусственных тканей.
Профессор Деварадж отметил, что с развитием биологических препаратов методы эффективной доставки биологических макромолекул в живые клетки приобретают всё большее значение в медицине. Александр Харджунг добавил, что лучшее понимание мембранной транслокации может привести к созданию инструментов для доставки макромолекулярных терапевтических средств через липидные мембраны в живые клетки.