Учёные обнаружили новый универсальный механизм деления искусственных клеток на две дочерние

Успех жизни на Земле основан на удивительной способности живых клеток делиться на две дочерние. Во время этого процесса внешняя клеточная мембрана должна пройти ряд морфологических преобразований, которые в конечном итоге приводят к её делению. Учёные из Института коллоидов и интерфейсов им. Макса Планка в Потсдаме и Института исследований полимеров им. Макса Планка в Майнце достигли беспрецедентного контроля над этими преобразованиями формы и результирующим процессом деления, закрепив низкие плотности белков на мембранах искусственных клеток.

Контролируемое деление можно достичь гораздо более простым способом, как продемонстрировали исследователи на примере искусственных клеток. Эти клетки представлены гигантскими липидными везикулами размером с типичную животную клетку, ограниченными одной липидной мембраной, которая создаёт барьер между внутренним и внешним водными растворами.

Мембраны везикул и клеток имеют по сути одинаковую молекулярную архитектуру и состоят из молекулярных бислоев с двумя листками, определяющими две стороны мембраны: внутренний листок обращён к внутренней среде, внешний — к внешнему раствору. Искусственные клетки с широкой мембранной шейкой остаются стабильными дни и недели. Однако, как только шейка сужается, мембрана генерирует сжимающую силу на эту шейку, которая расщепляет её и делит искусственную клетку на две дочерние.

Сжимающие силы, генерируемые асимметрией мембраны

Исследователи под руководством Рейнхарда Липовски также определили новый механизм, с помощью которого этой сжимающей силой можно систематически управлять. Для этого они создали мембраны, внутренний и внешний листки которых различаются по молекулярному составу, подвергая внешние листки воздействию переменной концентрации белка. Эта асимметрия между двумя листками генерирует предпочтительную или спонтанную кривизну, которая определяет форму искусственных клеток. Более того, как только образуется закрытая мембранная шейка, спонтанная кривизна создаёт локальную сжимающую силу, которая приводит к делению этих клеток. Таким образом, полное деление искусственных клеток управляется механическими свойствами мембран: сила, разделяющая мембранную шейку, возникает непосредственно из асимметрии бислойных мембран.

Универсальный модуль для синтетической биологии

Таким образом был определён простой и универсальный механизм деления искусственных клеток. Этот механизм не зависит от точной природы молекулярных взаимодействий, которые создают асимметрию бислоя и связанную с ней спонтанную кривизну, что было явно продемонстрировано с использованием различных типов белков. Кроме того, использованная плотность мембраносвязанных белков была довольно низкой, что оставляет достаточно места для размещения других белков на мембранах искусственных клеток. Следовательно, представленные здесь мембранно-белковые системы являются перспективным и универсальным модулем для восходящего подхода в синтетической биологии.

Процесс деления искусственных клеток, описанный здесь, также проливает новый свет на деление клеток in vivo. Хотя все современные клетки, кажется, полагаются на сложный белковый механизм, наши клеточные предки могли использовать гораздо более простые механизмы для своего деления, как объясняет первый автор исследования Ян Штайнкюлер: «Некоторые бактерии также могут делиться без известного белкового механизма. Уже высказывались предположения, что механика мембран может играть важную роль в этих последних процессах деления. Наше исследование демонстрирует, что механически контролируемое деление клеток действительно возможно».