Исследование жизни в её простейшей форме: учёные создали «минимальную клеточную мембрану» всего из двух липидов
Липиды, или жиры, необходимы для жизни. Они формируют мембраны вокруг клеток, защищая их от внешней среды. В природе существует огромное разнообразие липидов, и каждый организм имеет свой уникальный их набор. Но каковы минимальные липидные требования для выживания клетки?
Исследовательская группа в B CUBE–Центре молекулярной биоинженерии Дрезденского технического университета показала, что клетки могут функционировать всего с двумя липидами. Они создали клетку с минимальной, адаптируемой мембраной, что даёт уникальную платформу для изучения эволюции липидной сложности и её инженерии для синтетической жизни. Результаты опубликованы в Nature Communications.
Мембраны подобны пузырям, которые инкапсулируют клетки и отделяют их от окружения. Они также служат платформами для взаимодействия молекул, координируя процессы, необходимые для жизни.
«В природе существует огромное разнообразие липидов, и почти каждый организм имеет свой собственный набор липидов, известный как липидом. Клетки человека, например, используют сотни различных типов липидов», — говорит доктор Джеймс Саенс, руководитель исследовательской группы в B CUBE, возглавивший исследование.
«Тем не менее, все эти различные смеси липидов решают одни и те же ключевые эволюционные задачи: создание стабильного барьера и организация биомолекул в пространстве и времени. Мы хотим понять, почему эволюционировало так много разных липидов, зачем они нужны жизни и как их можно использовать для создания синтетических живых систем».
Проверка пределов липидома
Для своего исследования группа начала с Mycoplasma mycoides, естественно простой патогенной бактерии. В отличие от большинства клеток, микоплазма не может производить собственные липиды и должна использовать те, что предоставляет хозяин. Систематически снабжая клетки различными комбинациями липидов, исследователи сузили список до необходимой для выживания и деления комбинации.
Они обнаружили, что клетки могут выживать на «диете» всего из двух липидов: холестерина и другого, так называемого бислой-формирующего липида — фосфатидилхолина.
«Эти два липида не обязательно являются единственными, которые могли бы поддерживать жизнь, — говорит аспирант Исаак Джастис, выполнявший проект. — Но наличие как бислой-формирующего липида, который обеспечивает базовую структуру клеточной мембраны, так и небислой-формирующего липида, такого как холестерин, который добавляет стабильность, по-видимому, является фундаментальным требованием».
Удивительные эффекты двухлипидной диеты
Команда наблюдала за клетками с минимальной липидной диетой под электронным микроскопом и увидела драматические эффекты на форму и размер клеток. Некоторые клетки выросли в десять раз по сравнению с обычным размером, в то время как другие сформировали необычные формы и деформации.
«Больше всего меня удивило то, что около половины клеток с двумя липидами выглядели совершенно нормально. Они были круглыми и хорошо делились. Несмотря на радикальное сокращение липидной сложности, они продолжали функционировать удивительно хорошо», — говорит Джастис.
Сложность сокращения сложности
Прийти к этой минимальной липидной комбинации было непросто. Первоначальные эксперименты показали, что Mycoplasma может модифицировать большинство липидов, которыми их кормили, превращая их в новые типы.
«Когда мы предоставили холестерин и обычный бислойный фосфолипид, клетки смогли генерировать из них около 30 различных липидов», — объясняет доктор Саенс. Чтобы контролировать минимальный липидный состав, команда снабжала клетки очень похожими липидами, но соединёнными другим типом химической связи, которую клетки не могли расщепить своими ферментами.
Обратная инженерия сложности жизни
Определив минимальную липидную диету, исследователи применили её к «минимальной клетке» под названием JVCI-Syn3A, которая была создана в Институте Дж. Крейга Вентера и содержит только гены, необходимые для выживания. Теперь, имея как минимальный геном, так и липидом, эта клетка предоставляет мощный новый инструмент для синтетической биологии.
Эта минимальная клеточная система даёт уникальную платформу для изучения того, как липиды поддерживают жизнь. Используя принципы синтетической биологии «снизу вверх», исследователи теперь могут направленно возвращать в мембрану различные части липидома и изучать соответствующие изменения в функции клетки.
«Вы можете думать об этом как об обратной инженерии эволюции липидной сложности. Мы не обязательно воссоздаём липиды, которые присутствовали в древней жизни. Мы не можем. Мы просто не знаем, какие они были. Вместо этого мы возвращаем сложность обратно в мембрану систематическим, шаг за шагом способом», — говорит Джастис.
«Найдя минимальные липидные требования для живой клетки, мы теперь имеем экспериментальную платформу, чтобы понять, почему эволюционировали определённые структуры липидов и как они поддерживают жизнь, — говорит доктор Саенс. — Эти знания однажды могут помочь нам создавать синтетические клетки со специальными мембранами для особых применений в биотехнологии и медицине».