Управление направлением движения самодвижущихся протоклеток
Синтетические протоклетки можно заставить двигаться к химическим сигналам и от них. Это важный шаг для разработки новых систем доставки лекарств, которые могли бы нацеливаться на конкретные участки в организме. Покрыв поверхность протоклеток ферментами — белками, катализирующими химические реакции, — команда исследователей из Университета Пенсильвании смогла контролировать направление движения протоклетки в химическом градиенте в микрофлюидном устройстве. Статья с описанием исследования опубликована 18 ноября 2019 года в журнале Nature Nanotechnology.
«Футуристическое видение заключается в том, чтобы лекарства доставлялись крошечными "ботами", которые могут транспортировать препарат в конкретное место, где он нужен», — сказал Аюсман Сен, профессор химии и руководитель исследовательской группы. «В настоящее время, если вы принимаете антибиотик от инфекции в ноге, он распространяется по всему телу. Поэтому вам приходится принимать более высокую дозу, чтобы достаточное количество антибиотика попало в ногу, где это необходимо. Если мы сможем контролировать направленное движение системы доставки лекарств, мы не только уменьшим требуемое количество препарата, но и увеличим скорость его доставки».
Один из способов управления направлением — заставить систему доставки распознавать и двигаться к конкретным химическим сигналам, исходящим от места инфекции. Это явление называется хемотаксисом. Многие организмы используют хемотаксис как стратегию выживания, чтобы найти пищу или избежать токсинов. Предыдущие работы показали, что ферменты подвергаются хемотаксическому движению, потому что реакции, которые они катализируют, производят энергию, которую можно использовать. Однако большая часть этих работ была сосредоточена на положительном хемотаксисе — движении к химическому веществу. До сих пор было мало работ, посвященных отрицательному хемотаксису. «Настраиваемый» хемотаксис — способность контролировать направление движения, к разным химическим сигналам и от них — ранее никогда не демонстрировался.
Исследователи создают протоклетки одинакового размера — крошечные мешочки, называемые липосомами, которые состоят из тех же компонентов, что и естественные клетки. Затем они могут прикрепить различные ферменты к внешней поверхности этих протоклеток. Ферменты, использованные в этом исследовании, — каталаза, уреаза и АТФаза. Эти ферменты превращают специфические реагенты в продукты; например, каталаза превращает перекись водорода в воду и кислород.
«Мы помещаем покрытые ферментами липосомы в микрофлюидное устройство, которое поддерживает градиент либо реагента фермента, либо его продуктов», — сказала Амбика Сомасундар, аспирант и первый автор статьи. «Затем мы можем измерить движение липосом к определенным химическим веществам или от них».
В своих экспериментах они обнаружили, что протоклетки, покрытые каталазой, двигались к своему реагенту, а протоклетки, покрытые уреазой, — от своего реагента. Протоклетки, покрытые АТФазой, двигались как к реагенту, так и от него, в зависимости от концентрации.
«Для эффективной доставки лекарств нужно две вещи: способность нести препарат и способность точно контролировать движение», — сказал Сен. «Внутренность используемых нами протоклеток можно заполнить полезным грузом, и теперь мы приближаемся к тонкому контролю над их движением».
В исследовательскую группу также входят Субхадип Гхош, Фарзад Мохаджерани, Линниша Н. Массенбург, Тинлу Ян, Пол С. Кремер и Даррелл Велегол. Исследование финансировалось Центром хемомеханической сборки Национального научного фонда США.