Новый инструмент для создания синтетических клеточных мембран

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, описывает новый подход к созданию синтетических аналогов клеточных мембран. Используя новую методику "клик"-химии, исследователи разработали самоорганизующиеся нановезикулы, поверхность которых можно модифицировать сахарными молекулами, аналогичными тем, что присутствуют на вирусах, бактериях или живых клетках. Эта работа, результат сотрудничества Пенсильванского университета, Университета Темпл, Института Макса Планка, Института интерактивных материалов Лейбница, Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена и Свободного университета Берлина, предоставляет новый инструмент для изучения того, как некоторые патогены, например, новый коронавирус, могут уклоняться от обнаружения иммунной системой хозяина.

Наружные слои клеток покрыты белками, липидами и сахарными молекулами, которые используются для коммуникации и распознавания других клеток. Один из самых распространенных типов сахаров — манноза, которая образует длинные разветвленные цепи и связана с другими биомолекулами. Эти олигоманнозы также часто встречаются на бактериях и вирусах и, как считается, помогают патогенам избегать обнаружения иммунной системой хозяина. Однако точный механизм, с помощью которого эти сахара способствуют уклонению, плохо изучен.

Один из подходов к изучению клеточных взаимодействий — создание синтетических клеток с кастомизированными последовательностями сахаров или белков, что позволяет ученым отвечать на конкретные вопросы о функционировании клеток. В предыдущей работе та же команда использовала такие синтетические клетки, чтобы лучше понять, как короткоцепочечные сахара действуют как "каналы связи". Теперь, используя те же клеточные аналоги, исследователи заинтересовались ролью сложных сахаров, включая олигоманнозу, которые больше похожи на те, что преобладают на поверхностях клеток и патогенов.

Для этого исследователям потребовался новый способ создания клеточных аналогов, способных содержать сложные сахарные молекулы, которые они хотели изучить. Существующие методы создания таких синтетических клеток затрудняли присоединение гидрофильной сахарной молекулы, поскольку промежуточное соединение, требуемое методом, должно быть гидрофобным. Кроме того, методы, используемые в лаборатории Петера Зеебергера, позволяют синтезировать лишь несколько миллиграммов синтетических сахаров за раз.

Чтобы решить обе проблемы, исследователи разработали новый подход к синтезу клеточных аналогов с помощью "клик"-химии, где две небольшие молекулы связываются, образуя более крупную, и требуется лишь небольшое количество исходного материала. Они обнаружили, что реакция изотиоцианат-амин, ранее использовавшаяся для секвенирования белков, но никогда — для клик-химии, способна присоединять крупные сахарные молекулы к поверхности синтетических клеток. "Это предоставило нам инструмент для исследования этих сахаров на поверхности клеткоподобной сборки", — говорит Верджил Персек. — "Вы делаете гидрофобный характер гидрофильным и получаете структуру, которую мы не могли бы получить с помощью другой химии".

Используя новый инструмент, исследователи применили ранее разработанные командой методы для изучения самоорганизующихся наноструктур, включая крио-ЭМ для визуализации клеточных аналогов и АСМ для изучения морфологии их поверхности. Изучив подгруппу клеточных аналогов, содержащих последовательности олигоманнозы, аналогичные таковым у типичной клетки, они обнаружили, что более длинные сахара могут связываться с другими клеточными поверхностями с большей силой и эффективностью.

Вирусы покрыты олигоманнозами. Один из примеров — связывающий белок коронавируса, известный как спайк-белок, который украшен так называемыми "камуфляжными" олигоманнозами. Считается, что они помогают вирусу избегать обнаружения и инактивации иммунными клетками хозяина. Благодаря новому исследованию, ученые теперь надеются больше узнать о том, как вирусы вроде SARS-CoV-2 используют эти сахарные молекулы, чтобы скрываться от иммунных клеток. "Эти синтетические наноразмерные аналоги — инструмент для исследования поведения этих сахаров и того, как они могут взаимодействовать", — добавляет Майкл Клайн о значении их недавнего открытия.

Если будет доказана безопасность их везикул на животных моделях, исследователи также смогут изучить способы использования этих клеточных аналогов для доставки терапевтических средств. Хотя эта исследовательская цель — дело ближайшего будущего, команда стремится вернуться в лабораторию и продолжить фундаментальные, но значимые исследования. "Это очень фундаментальный вопрос, который мы задавали вначале и который теперь представляет общий интерес для проблемы, с которой мы сталкиваемся сегодня", — говорит Персек. — "Мы работаем с инструментом, который, надеюсь, с этого момента будет продвигаться очень быстро".