Искусственные мембраны имитируют динамику живых систем с помощью каталитических реакций
Исследователи из Института науки Токио (Science Tokyo) достигли динамического контроля над искусственными мембранами, используя каталитическую химию, что позволило воспроизвести поведение, характерное для живых мембран. Работа опубликована в Journal of the American Chemical Society.
С помощью искусственной металлофермента, катализирующей реакцию метатезиса с замыканием цикла (ring-closing metathesis, RCM), команда вызвала исчезновение фазово-разделенных доменов, а также деление искусственных мембран, имитируя динамическое поведение естественных биологических мембран. Это исследование знаменует собой важную веху в технологиях синтетических клеток.
Программируемые искусственные клеточные мембраны, управляемые каталитической реакцией
Биологические мембраны — это фундаментальные структуры, формирующие границы всех живых клеток. При определенных условиях молекулы в мембране могут собираться в локальные функциональные области — фазово-разделенные домены. Воспроизведение динамического поведения этих областей в искусственных системах было сложной задачей.
Для её решения международная группа исследователей под руководством профессора Кадзуси Кинбара и аспиранта Рэй Хамагути (Science Tokyo, Япония) в сотрудничестве с профессором Томасом Р. Уордом (Университет Базеля, Швейцария) разработала новую химическую стратегию.
Ключевые этапы метода:
- Создание искусственных клеточных структур — липидных везикул.
- Конструирование гибридного катализатора — искусственной металлофермента (ArM). Он представляет собой комбинацию биологического белка стрептавидина (Sav) и синтетического металлокомплекса рутения, несущего остаток биотина (витамина B7).
- Встраивание в мембрану специального липида с биотиновой меткой, который служит якорем для катализатора ArM.
Механизм работы:
Катализатор ArM, закрепленный на поверхности мембраны, запускает реакцию RCM, активируя «закрытые» предшественники жирных кислот. В результате высвобождаются свободные жирные кислоты рядом с мембраной.
Эти жирные кислоты встраиваются в поверхность мембраны, изменяя её жёсткость и кривизну. Это, в свою очередь, приводит к видимым трансформациям:
- Исчезновению фазово-разделенных доменов.
- Делению мембраны.
«Это похоже на то, как если бы мы дали синтетической мембране способность "дышать" и реагировать», — говорит Кинбара. — «Контролируя химическую реакцию на поверхности мембраны, мы заставляем её реорганизовываться, подобно живой клетке».
Это первая попытка химически запрограммировать физическое поведение искусственных мембран. Открытие прокладывает путь к созданию «живоподобных» материалов, способных ощущать и реагировать на окружающую среду, и может стать основой для будущих терапевтических инноваций.