Ученые создали энергопроизводящий модуль для синтетической клетки

Ученые из Университета Гронингена создали синтетические везикулы, в которых производится АТФ — основной переносчик энергии в живых клетках. Везикулы используют АТФ для поддержания своего объема и гомеостаза ионной силы. Эта метаболическая сеть в конечном итоге будет использована для создания синтетических клеток, но уже сейчас ее можно применять для изучения АТФ-зависимых процессов. Исследователи описали систему в статье, опубликованной в Nature Communications 18 сентября.

Цель ученых — «снизу вверх» построить синтетическую клетку, которая сможет поддерживать себя, расти и делиться. Профессор биохимии Берт Пулман и его группа отвечали за модуль производства энергии в рамках голландского консорциума.

Выход из равновесия

Создание устойчивого производства АТФ in vitro — сложная задача. В известных синтетических системах все компоненты реакции помещались внутрь везикулы, но примерно через полчаса реакция достигала равновесия, и производство АТФ снижалось. Ученые стремились создать систему, которая, как и в живых организмах, остается вне равновесия.

На создание такой системы у трех аспирантов ушло почти четыре года. Липидная везикула была оснащена транспортным белком, способным импортировать субстрат аргинин и экспортировать продукт орнитин. Внутри везикулы присутствовали ферменты, расщепляющие аргинин до орнитина. Свободная энергия этой реакции использовалась для присоединения фосфата к АДФ с образованием АТФ. Побочные продукты — аммоний и углекислый газ — диффундировали через мембрану. Экспорт орнитина, произведенного внутри, стимулирует импорт аргинина, что поддерживает работу системы, пока везикулы снабжаются аргинином.

Транспортный белок

Чтобы система оставалась вне равновесия, АТФ используется для поддержания ионной силы внутри везикулы. Биологический сенсор измеряет ионную силу и, если она становится слишком высокой, активирует транспортный белок, импортирующий глицин бетаин. Это увеличивает объем «клетки» и, как следствие, снижает ионную силу. Транспортный белок работает за счет АТФ, поэтому внутри везикулы происходит как производство, так и потребление АТФ.

В самом длительном эксперименте система работала 16 часов. Этого должно быть достаточно для синтетической клетки, делящейся раз в несколько часов. В конечном итоге подобные модули будут объединены для создания автономной синтетической клетки, синтезирующей собственные белки из синтетического генома.

Искусственная хромосома

Текущая система основана на биохимических компонентах. Коллеги из Вагенингенского университета работают над сборкой генов, необходимых для производства ферментов системы, и их включением в искусственную хромосому. Другие группы занимаются синтезом липидов и белков или делением клетки.

Окончательная синтетическая клетка должна содержать ДНК для всех модулей и работать автономно, как живая клетка, но созданная «снизу вверх» с новыми свойствами. До этого еще далеко. Пока же созданная система производства АТФ уже используется для изучения АТФ-зависимых процессов и развития области мембранного транспорта.