Искусственные клетки общаются и сотрудничают как биологические клетки и муравьи

Инженеры из Университета Питтсбурга, вдохновившись социальным взаимодействием муравьев и слизевиков, создали искусственные клетки, способные самоорганизовываться в независимые группы, которые могут общаться и сотрудничать. Исследование, недавно опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), — важный шаг к созданию синтетических клеток, ведущих себя как природные организмы. Такие клетки смогут выполнять важные функции на микроуровне в областях от химической промышленности до медицины.

Команда представила в PNAS вычислительные модели, которые служат планом для создания искусственных клеток (микрокапсул), способных общаться, самостоятельно двигаться и транспортировать «груз», например, химикаты для реакций. Главное, что эти «биологически вдохновленные» устройства работают исключительно за счет простых физико-химических процессов, ведя себя как сложные природные организмы, но без сложной внутренней биохимии.

Микрокапсулы взаимодействуют, выделяя наночастицы, подобно тому, как биологические клетки общаются и собираются в группы. По аналогии с муравьями, клетки оставляют химические следы во время движения, побуждая другие микрокапсулы следовать за ними.

Принцип коммуникации основан на обмене двумя разными типами наночастиц между микрокапсулами. «Сигнальная» клетка выделяет наночастицы-агонисты, которые заставляют вторую «целевую» микрокапсулу выделять наночастицы-антагонисты. Когда сигнальная клетка (справа) выделяет агонисты (синие), целевая клетка (слева) отвечает антагонистами (красные), которые останавливают секрецию первой клетки. Когда сигнальная клетка замирает, целевая тоже перестает выделять антагонисты — и цикл начинается снова. Клетки попадают в замкнутый цикл, эквивалентный межклеточному диалогу, которым можно управлять, регулируя проницаемость капсул и количество содержащихся в них наночастиц.

Передвижение происходит, когда выделенные наночастицы изменяют поверхность под микрокапсулами. Полимерные стенки клетки начинают давить на окружающую жидкость, а жидкость давит в ответ сильнее, двигая капсулу. Одновременно наночастицы от сигнальной клетки тянут её к целевым. Группы капсул начинают формироваться, когда сигнальная клетка катится, собирая целевые клетки. В практическом применении сигнальная клетка могла бы транспортировать целевые клетки, загруженные полезным веществом.

Исследователи варьировали выделение частиц сигнальной клеткой, чтобы создавать различные формации:

• «Муравьиная тропа»: секреция одной группы микрокапсул задерживается, пока другая группа не пройдет мимо и не активирует её. Новый кластер следует за химическим следом, оставленным ведущей группой.
• «Формирование дракона»: две сотрудничающие сигнальные клетки (красные) ведут большую группу целевых клеток.
• «Змеи»: конкурирующие сигнальные капсулы тянут соответствующие цепочки целевых клеток.