Клеточный каркас перепрофилировали для создания микроскопических "железных дорог"
Исследователи из Принстона научились использовать тончайший каркас, поддерживающий структуру живых клеток, для создания нанотехнологической платформы. Эта техника в перспективе может привести к прогрессу в мягкой робототехнике, созданию новых лекарств и разработке синтетических систем для высокоточного биомолекулярного транспорта.
В статье "Building on-chip cytoskeletal circuits via branched microtubule networks", опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи продемонстрировали метод, позволяющий точно контролировать рост биополимерных сетей, подобных тем, что формируют часть клеточного скелета. Им удалось построить эти сети на микрочипе, создав тип схемы, работающей с химическими, а не электрическими сигналами.
Внутри клеток белки тубулина образуют длинные, невероятно тонкие стержни — микротрубочки. Сети микротрубочек растут, как корни деревьев, образуя разветвленные системы, которые являются основным элементом цитоскелета, придающего клеткам форму и позволяющего им делиться.
Помимо поддержания формы клетки, каркас из микротрубочек работает и как молекулярная железная дорога. Специализированные моторные белки переносят молекулярные грузы вдоль филаментов микротрубочек. Незначительные изменения в молекулярном составе микротрубочек действуют как указатели, корректируя маршруты химических носителей и направляя молекулярные грузы к пунктам назначения.
В Принстоне вопросы об этих внутриклеточных сетях привели к сотрудничеству между Сабиной Петри, доцентом молекулярной биологии, и Говардом Стоуном, профессором механической и аэрокосмической инженерии, специализирующимся на механике жидкостей.
"Биологическими системами, вдохновившими нас, были аксоны", — сказал Мейсам Заферани, один из ведущих исследователей. "Аксоны — это длинные выступы нейрона, которые обеспечивают направленный молекулярный транспорт".
В нервной системе сети микротрубочек работают и как структуры, соединяющие нервные клетки, и как средство передачи химических сигналов, создающих ощущения. Заферани отметил, что ученые все еще работают над пониманием аспектов роста и химических свойств микротрубочек. Но команда хотела выяснить, можно ли использовать эти сети для практических применений.
"Инженеры и физики начали изучать микротрубочки как компоненты для создания новых материалов и технологий", — сказал он. "Об их фундаментальных свойствах еще много загадок, но мы знаем достаточно, чтобы начать думать о том, как можно сконструировать такие системы".
Совместно с исследователем Рёнгыном Соном Заферани работал над созданием системы контроля роста микротрубочек в чистых комнатах лабораторий Принстонского института материалов.
Используя специализированное оборудование для микро/нанофабрикации и микрофлюидики, исследователи точно контролировали рост ветвей микротрубочек. Они смогли регулировать угол и направление роста и создавать микроструктуры, в которых направление роста микротрубочек было управляемым.
Заферани отметил, что Институт материалов предлагает уникальное сочетание оборудования и экспертизы, которое трудно найти где-либо еще.
Исследователи планируют продолжить работу, направляя химический груз вдоль ветвей микротрубочек. Цель — построить управляемую систему химического транспорта. В рамках связанного направления они также изучают использование сетей микротрубочек в качестве инструмента, подобного микропинцетам, для оказания физического воздействия на невероятно крошечные объекты.
Исследовательская группа Петри давно сотрудничает со Стоуном, профессором механической и аэрокосмической инженерии имени Дональда Р. Диксона '69 и Элизабет У. Диксон, на стыке биологии и динамики жидкостей. Они привлекли Сона, инженера-механика, сфокусировавшегося в аспирантуре на микрофлюидике, и Заферани, биофизика, изучавшего сигналы, помогающие сперматозоидам млекопитающих находить путь к яйцеклетке.
Стоун, часто сотрудничающий с коллегами из инженерии и естественных наук, отметил, что смешение экспертизы из разных дисциплин часто приводит к замечательным результатам.
"Мне очень интересно находить проблемы, связанные с механикой жидкостей в других областях", — сказал он. "Часто я нахожу тему, плохо понятную ученым с другой стороны и плохо понятную мне самому, и вместе мы работаем над тем, чтобы разобраться в ней".