Клетки-«зомби» могут превзойти живые в качестве катализаторов и проводников

Исследователи из Национальных лабораторий Сандия и Университета Нью-Мексико (UNM) создали «зомби»-клетки млекопитающих, которые могут функционировать лучше после своей гибели.

Простая методика заключается в покрытии клетки раствором кремнезема (силикагеля) для формирования почти идеальной копии её структуры. Этот процесс может упростить широкий спектр коммерческих производственных процессов — от нано- до макромасштаба.

Работа, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), использует наноскопические органеллы и другие крошечные компоненты клеток млекопитающих в качестве хрупких шаблонов для осаждения кремнезема. Затем исследователи нагревают клетку, чтобы выжечь её белок. Полученные затвердевшие кремнеземные структуры точно повторяют внешние и внутренние черты ранее живой клетки, могут выдерживать большее давление и температуру, чем живая ткань, и выполнять некоторые функции лучше, чем при жизни, — сообщил ведущий исследователь Брайан Кер, материаловед из Сандии.

«Исследователям очень сложно создавать структуры в наномасштабе, — сказал Кер. — Мы можем делать частицы и проволоки, но произвольные трёхмерные структуры пока не достигнуты. С этой техникой нам не нужно строить эти структуры — природа делает это за нас. Нам нужно только найти клетки, обладающие нужным механизмом, и скопировать его. А с помощью химии или поверхностного структурирования мы можем запрограммировать группу клеток на формирование любой желаемой формы».

Профессор UNM и сотрудник Сандии Джефф Бринкер добавил: «Процесс точно воспроизводит черты от нано- до макромасштаба в прочной, трёхмерно стабильной форме, устойчивой к усадке даже при нагреве свыше 500 градусов Цельсия. Термостойкость этих хрупких структур поразительна».

Необычная, но простая процедура может служить моделью для создания более выносливых классов наноскопических продуктов.

Поскольку клетка заполнена огромным набором белков, липидов и каркасных структур, её внутреннее пространство готово для моделирования катализаторов, воронок, абсорбентов и других полезных наномеханизмов, — сказал Кер.

Катализаторы, эволюционировавшие в клетках, — это ферменты, которые должны сохранять определённую форму для своей химической работы. Поскольку структура важна для функции, стабилизация катализатора в его естественной форме имеет значение. Термоотверждённый кремнезем стабилизирует и защитит всё ещё присутствующий белок во время его работы.

По словам постдока UNM Джейсона Таунсона, наиболее быстрое применение силификации может быть в качестве простого способа сохранения структуры органических материалов для визуализации.

«Раньше для внутренней фиксации и последующей визуализации клетку фиксировали формальдегидом или другим консервантом. Но многие из этих методов трудоёмки. Этот метод прост. Сохранённые клетки никогда не разложатся. И когда мы вскрыли полученную структуру, мы были поражены тем, насколько хорошо сохранилась клетка, вплоть до малой бороздки её ДНК».

Нагрев клетки до ещё более высоких температур (более 400 °C) испаряет органический материал клетки — её белок — и оставляет кремнезем в виде трёхмерной восковой реплики, подобной музею мадам Тюссо, ранее живого существа. Разница в том, что вместо лица, скажем, известного преступника, затвердевшие кремнеземные клетки демонстрируют внутренние минерализованные структуры со сложными деталями в масштабах от нано- до миллиметра.

Процесс создания относительно прост: взять свободно плавающие клетки млекопитающих, поместить их в чашку Петри и добавить кремниевую кислоту.

Под действием метанола, побочного продукта кислоты, липидные слои клетки — защитные оболочки — размягчаются и становятся достаточно пористыми, чтобы кремнезем проник внутрь при температуре, близкой к температуре человеческого тела.

Кремниевая кислота, по причинам, до конца не ясным, проникает внутрь, не засоряя, и, по сути, бальзамирует каждую органеллу в клетке от микро- до наномасштаба.

Если клетку не нагревать, кремнезем образует своего рода проницаемую броню вокруг белка живой клетки. Это может поддержать её достаточно, чтобы действовать как катализатор при температурах и давлениях, немыслимых в природе.

«Как только мы стабилизировали клеточную структуру кремнеземом, она всё ещё может проводить реакции, и, что важнее, эта реакция стабильна настолько, чтобы работать при высоких температурах, — сказал Кер. — Этот метод также позволяет взять мягкий, потенциально ценный биологический материал и превратить его в окаменелость, которая будет храниться на наших полках неограниченно долго».

Обычно сохранение органики означает её заморозку, что энергозатратно. Вместо этого «мы проводим быстрое окаменение: быстро превращаем протоплазматическую клетку в твёрдую структуру, которая выдержит испытание временем».

Эксперименты показали, что клетку можно использовать как обратную форму, из которой при нагреве до 900 °C в вакууме получается пористая карбонизированная структура. Другими словами, так же, как сжигание древесины на воздухе оставляет бесструктурную сажу, метод «зомби»-нагрева даёт высококачественную углеродную структуру. Последующее растворение подложки из кремнезема снизило электрическое сопротивление клетки примерно в 20 раз. Такие материалы могут найти существенное применение в топливных элементах, технологиях обеззараживания и сенсорах.

Тот факт, что таких выдающихся результатов можно достичь силификацией клеток, указывает на то, что многие мягкие клеточные архитектуры могут быть «исходным сырьем для большинства процессов обработки материалов, включая те, что требуют высоких температур и давлений», согласно технической статье.

Другие пористые структуры материалов, основанные на титане вместо кремнезема, были сформированы с использованием техники органического шаблона. Другие оксиды металлов, по словам Кера, также возможны. Они имели бы более сложные структурные функции или могли бы служить катализаторами.

Эта работа следует за усилиями ряда научных групп, включая группу Кера, которые создавали гелеподобные структуры, копировали их кремнеземом, а затем выжигали гель для создания, по сути, больших губок.

«Теперь мы можем изменить биологическую форму и кальцинировать (нагреть) её, поэтому впервые мы получаем новые нерегулярные структуры», — сказал Кер.

Подводя итог, Кер предлагает, возможно, первое в научной литературе различие между мумифицированной клеткой и клеткой-«зомби»: «Тутанхамон был мумифицирован, чтобы примерно напоминать себя живого, но процесс происходил без минерализации. Наши клетки-«зомби» соединяют химию и биологию, создавая формы, которые не только почти идеально напоминают своё прошлое «я», но и могут выполнять будущую работу».