Ученые приблизились к созданию функциональных синтетических клеток
Ученые из Института интерактивных материалов им. Лейбница (DWI) сделали шаг к созданию функциональных синтетических клеток. Исследователи изучают компоненты для разработки материалов, способных взаимодействовать с живой материей.
Такие материалы могут использоваться для создания антимикробных поверхностей или покрытий, взаимодействующих с кровью. Работой в DWI руководил бывший лидер группы, а ныне профессор IBEC в Барселоне, Сесар Родригес-Эмменеггер. Результаты опубликованы в журналах Advanced Materials и Advanced Science.
Создание в лаборатории синтетических клеток, способных имитировать биологическое поведение и выполнять функции за пределами жизни, — одна из главных задач в области биоинспирированных интерактивных материалов. К центральным функциям относятся транспорт молекул, метаболизм, рост и, в идеале, репликация через деление.
Имитации клеток, выполняющие одну или несколько таких функций, называются протоклетками. В будущем они могут помочь в изучении сложных биологических вопросов, создании новых концепций в биомедицине и разработке биоматериалов, терапевтических средств и медицинских устройств.
Необходимое условие для создания протоклеток — возможность комбинировать функциональные активные клеточные компоненты и механизмы с синтетическими. Группе Сесара Родригеса-Эмменеггера удалось приблизиться к этой цели.
Интеграция машинерии клеточного деления
В публикации в Advanced Materials команда представила успешную интеграцию активной машинерии клеточного деления (дивисомы) в синтетические везикулы.
Дивисома — это высококомплексная белковая система, отвечающая за деление бактерий: она формирует кольцо в середине клетки, которое сжимается и разделяет бактерию на две идентичные дочерние клетки. Для работы дивисомы необходимо её взаимодействие с мембраной синтетической клетки с той же силой и динамикой, что и с естественными мембранами, — задача, ранее не решенная.
Исследователи разработали новые макромолекулярные строительные блоки и запрограммировали их на сборку в мембране и взаимодействие с дивисомой заданным образом. Это позволило точно воспроизвести поведение дивисомы в синтетических клетках.
«Первым шагом был синтез подходящих строительных блоков для мембраны. Мы использовали новое семейство янус-дендримеров, которые собираются в везикулярные структуры — дендримеросомы. Янус-дендримеры — это макромолекулы с разветвленным ядром и двумя противоположными ветвями, несущими разные функциональные химические группы. Поскольку мы сами определяем эти группы, мы можем проектировать форму и свойства макромолекул для реконституции дивисомы внутри везикулы», — объясняет аспирант и соавтор статьи Анна Мария Вагнер.
До сих пор реконституция таких комплексов, как машинерия деления, была ограничена липосомами — естественными везикулами из липидов. В этой работе команда впервые показала, что эти природные единицы можно внедрить в полностью синтетические дендримеросомы без потери базовой функциональности. Это прорыв для конструирования синтетических клеток с биологическими компонентами, поскольку адаптация взаимодействий мембрана-дивисома — ключ к эволюции возникающего биологического поведения.
Новые миметики клеточной мембраны
Кроме того, команда профессора Родригеса-Эмменеггера занимается разработкой новых синтетических миметиков клеточной мембраны, способных выполнять задачи, вдохновленные клеточными функциями и выходящие за их пределы.
Недавно в журнале Advanced Science они вместе с профессором Херрманном, заместителем научного директора DWI, описали новую систему. Они сообщили о разработке ионно-связанных гребнеобразных полимеров, которые самоорганизуются в воде в везикулы с биомиметической толщиной мембраны. Их назвали ионными комбисомами (i-комбисомы).
«i-комбисомы — отличный пример того, как системы с заданными свойствами могут быть созданы путем точного молекулярного дизайна и программирования типа и силы молекулярных взаимодействий», — поясняет аспирант DWI Йонас Квандт.
«Нашу систему можно понимать как макромолекулярный аналог фосфолипидов — строительных блоков естественной клеточной мембраны. Она состоит из гидрофильного полимерного остова, к которому через ионные взаимодействия присоединены гидрофобные липидоподобные хвосты. Использование полимерного остова в качестве якоря для хвостов повышает стабильность i-комбисом по сравнению с липосомами. Такое уникальное молекулярное расположение обеспечивает гибкость и динамику, как в естественной мембране».
В своей работе ученые показали, что уникальная топология мембраны приводит к сходным биофизическим свойствам с естественной клеточной мембраной и позволяет бесшовно интегрировать функциональные компоненты природных мембран. Это включало ко-сборку с (глико)липидами и пептидами, образующими поры, которые обеспечивают транспорт ионов через мембрану.
Кроме того, ученые смогли создать гибриды бактерия-комбисома, захватывая живые бактериальные клетки и интегрируя их клеточную периферию в синтетическую мембрану. Такое слияние синтетических и биологических мембран ранее никогда не наблюдалось в подобной форме.
Высокая степень сходства i-комбисом, настраиваемость химического и биологического состава мембраны и способность к слиянию с живой материей потенциально могут привести к созданию синтетических клеток с расширенными функциями. Их можно будет использовать для изучения сложных биологических вопросов, разработки новых концепций в биомедицине и создания платформ для доставки лекарств.