Синтетические клетки успешно имитируют естественную межклеточную коммуникацию

Исследовательская группа из Базельского университета успешно синтезировала простые, чувствительные к окружающей среде клетки с искусственными органеллами. Впервые исследователям также удалось сымитировать естественную межклеточную коммуникацию с помощью этих протоклеток — по модели фоторецепторов глаза. Это открывает новые возможности для фундаментальных исследований и применения в медицине.

Команда исследователей под руководством профессора Корнелии Паливан из Базельского университета и лауреата Нобелевской премии профессора Бена Феринги из Гронингенского университета сообщает об этих результатах в журнале Advanced Materials.

Имитация клетки с органеллами

Исследователи создали микроскопические контейнеры из полимеров, которые можно заполнять специфическими молекулами и целенаправленно открывать. В текущем проекте команда пошла дальше: «Мы сконструировали микроскопические контейнеры размером с клетку, заполненные специализированными наноконтейнерами», — объясняет Паливан. Этот подход позволил смоделировать клетки с клеточными органеллами, создав форму сильно упрощённой синтетической клетки, также известной как протоклетка.

Система передачи сигнала по модели сетчатки

В публикации описана система протоклеток из полимеров, биомолекул и других нанокомпонентов, смоделированная по принципу передачи сигнала в сетчатке глаза. Система состоит из светочувствительных протоклеток-«отправителей» и протоклеток-«получателей».

• В клетках-отправителях находятся наноконтейнеры (искусственные органеллы), мембраны которых содержат особые светочувствительные молекулы — молекулярные моторы. Импульс света запускает коммуникацию: при попадании света молекулы открывают наноконтейнеры, высвобождая их содержимое (условно, вещество А) во внутреннюю среду клетки-отправителя.
• Вещество А покидает клетку-отправитель через поры в её полимерной оболочке и достигает клетки-получателя через окружающую жидкость.
• В клетках-получателях вещество А (через поры) встречается с искусственными органеллами, содержащими фермент. Этот фермент преобразует вещество А в флуоресцентный сигнал. Возникающее свечение указывает на успешную передачу сигнала.

Модуляция сигнала ионом кальция

В фоторецепторах сетчатки, послуживших моделью, ионы кальция играют важную роль, ослабляя передачу стимулов. Аналогичным образом исследователи сконструировали искусственные органеллы клеток-получателей так, чтобы они реагировали на ионы кальция, и преобразование вещества А в флуоресцентный сигнал можно было ослабить.

«С помощью внешнего светового импульса нам удалось запустить органелл-зависимый каскад сигналов и модулировать его ионами кальция. Создание контролируемой во времени и пространстве системы по модели естественной клеточной коммуникации — это новшество», — говорит Паливан.

Перспективы для исследований и медицины

Эта разработка закладывает основу для синтетического моделирования более сложных коммуникационных сетей живых клеток и, следовательно, для их лучшего понимания. Также существует возможность создания коммуникационных сетей между синтетическими и естественными клетками и, таким образом, разработки интерфейса между ними.

В долгосрочной перспективе это может открыть путь для терапевтических применений, например, для лечения заболеваний или создания тканей с синтетическими клетками.