Химики создали кластеры органелл, имитируя природу

Ученые из Базельского университета смогли организовать сферические компартменты в кластеры, имитирующие то, как природные органеллы образуют сложные структуры. Им удалось соединить синтетические компартменты, создав между ними мостики из ДНК. Это важный шаг на пути к созданию так называемых молекулярных фабрик. Результаты опубликованы в журнале Nano Letters.

Внутри клетки существуют специализированные компартменты — органеллы (например, ядро, митохондрии, пероксисомы, вакуоли), отвечающие за конкретные функции. Практически все сложные биологические функции клетки реализуются за счет самоорганизации — процесса, при котором молекулы принимают определенное расположение на основе своих специфических конформаций и свойств без внешнего руководства.

Использование самоорганизации нанообъектов в сложные архитектуры — ключевая стратегия для создания новых материалов с улучшенными свойствами в химии, электронике и технологиях. Например, этот подход уже применялся для создания сетей из неорганических твердых наночастиц. Однако до сих пор такие сети не могли имитировать сложные структуры, выполняющие биологические функции внутри клеток и имеющие потенциал для применения в медицине или биологии.

Мостики из ДНК обеспечивают стабильность

Совместное исследование групп под руководством профессоров Корнелии Паливан и Вольфганга Майера предлагает новый подход к самоорганизации искусственных органелл в кластеры, имитирующие связь между их природными аналогами. Используя одноцепочечные фрагменты ДНК для соединения сферических компартментов, ученые смогли создавать кластеры с заданной архитектурой и контролируемыми свойствами. «Мы были поражены, увидев, как разные цепочки ДНК на поверхности сферического компартмента соединяются и образуют мостик с цепочками ДНК соседнего компартмента», — говорит Паливан. Этот ДНК-мостик представляет собой чрезвычайно стабильное соединение.

Эта стратегия, вдохновленная природой, выходит за рамки существующих подходов к самоорганизации, поскольку также позволяет интегрировать различные требования, такие как точная настройка расстояния между компартментами или создание различных топологий «по запросу». В качестве компартментов ученые использовали полимеросомы с синтетической мембраной, которая, в отличие от липосом, обладает большим преимуществом — высокой стабильностью и способностью контролировать слияние отдельных компартментов внутри клетки.

Еще одно уникальное преимущество этой стратегии организации нанокластеров заключается в том, что компартменты можно загружать реагентами, такими как ферменты, белки или катализаторы. Это закладывает основу для дальнейшего конструирования искусственных органелл, выполняющих роль молекулярных фабрик. Исследование проводилось в рамках Национального центра компетенций в области молекулярных систем (NCCR Molecular Systems Engineering).