Дизайнерские органеллы наделяют клетки новыми функциями
Впервые учёные встроили сложный биологический процесс трансляции в дизайнерскую органеллу в живой клетке млекопитающего. Исследование группы Лемке в Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в сотрудничестве с Университетом и Институтом молекулярной биологии (IMB) в Майнце позволило создать безмембранную органеллу, способную строить белки из природных и синтетических аминокислот, несущих новые функции. Результаты, опубликованные в Science 29 марта, позволят учёным детальнее изучать, модифицировать и контролировать клеточные функции.
В эволюции появление новых органелл позволяет клеткам и организмам усложняться, поскольку обеспечивает сортировку клеточных процессов в специфические "горячие точки". "Наш инструмент можно использовать для инженерии трансляции, но потенциально и других клеточных процессов, таких как транскрипция и посттрансляционные модификации. Это может даже позволить нам создавать новые типы органелл, расширяющие функциональный репертуар естественных сложных живых систем", — объясняет Кристофер Райнкемайер, аспирант EMBL и Университета Майнца, соавтор статьи. "Мы могли бы, например, включать флуоресцентные строительные блоки, позволяющие заглянуть внутрь клетки с помощью методов визуализации".
"Органелла может производить белки, используя синтетические неканонические аминокислоты. В настоящее время нам известно более 300 различных неканонических аминокислот — по сравнению с 20 природными. Мы больше не ограничены последними", — говорит соавтор Джемма Эстрада Жирона. "Новизна нашего подхода — возможность использовать их в ограниченном пространстве, органелле, что минимизирует влияние на клетку-хозяина".
Безмембранные "зыбкие" органеллы
Трансляция — настолько сложный процесс, что его нельзя заключить в одну органеллу, окружённую мембраной. Поэтому вдохновение черпали из фазового разделения — процесса, ответственного за образование безмембранных органелл in vivo, таких как ядрышки или стрессовые гранулы. Клетки используют фазовое разделение для локальной концентрации специфических белков и РНК. Хотя у этих органелл нет жёстких границ, и они динамично взаимодействуют с окружающей цитоплазмой, они всё же могут выполнять очень точные задачи. Команда сочетает фазовое разделение с клеточным таргетированием, чтобы создать свою безмембранную органеллу и гарантировать формирование только одной органеллы на клетку.
В итоге, для её построения в клетку нужно встроить всего пять новых компонентов. Сборка этих компонентов генерирует крупную структуру, что может создавать некоторую нагрузку на клетку. В будущем группа планирует создавать минималистичные дизайнерские органеллы, чтобы свести к минимуму влияние на физиологию здорового организма.
Проектом руководил Эдвард Лемке, приглашённый руководитель группы в EMBL, профессор Университета Майнца и заместитель директора IMB. Он резюмирует: "В конечном счёте, мы стремимся разработать метод создания синтетических клеточных органелл и белков, которые вообще не влияют на механизмы клетки-хозяина. Мы хотим создать инструмент, не имеющий никаких нехарактеризованных эффектов. Органелла должна быть простым дополнением, позволяющим организмам выполнять новые, заданные дизайном действия контролируемым образом".