Исследователи разработали метод для создания новых клеточных функций на тонких плёнках

Учёные из Института молекулярной биологии (IMB) и Университета Иоганна Гутенберга в Майнце (JGU) разработали метод внедрения новых функций в клетки. Результаты опубликованы в журнале Cell в статье "Dual film-like organelles enable spatial separation of orthogonal eukaryotic translation."

Внутри живых клеток протекают многочисленные процессы, от репликации и репарации ДНК до синтеза и рециклинга белков. Для организации этого множества реакций их необходимо разделять в трёхмерном пространстве. Один из способов, которым это делают эукариотические клетки — это выпячивание участка мембраны для формирования мембранного пространства (органеллы), где могут протекать специфические функции. Альтернативно, клетка может также разделять молекулы в различные области (так называемые безмембранные органеллы) посредством фазового разделения, явления, подобного разделению уксуса и масла в заправке для салата. Такие безмембранные органеллы имеют преимущества: поскольку они не отделены от остальной клетки мембранным барьером, крупные молекулы могут проникать внутрь и выходить наружу легче. Таким образом, мембранные органеллы функционируют как отдельные "комнаты" в клетке, а безмембранные — как разные углы одной и той же комнаты.

Один из важнейших процессов в клетке — синтез белка, где код РНК транслируется в белковый код, содержащий инструкцию для создания белков. Эти коды подобны языкам клетки. Если бы можно было сконструировать органеллу, предназначенную для трансляции кода РНК новыми способами (т.е. использующую другой язык), функции получающегося белка также могли бы измениться, наделяя его уникальными свойствами. Это можно использовать, например, для включения или выключения его функций или для визуализации белка в живых клетках.

В 2019 году профессор Эдвард Лемке и его исследовательская группа успешно создали искусственную безмембранную органеллу, которая транслировала код РНК, используя новый код (язык), не мешая трансляции РНК в остальной части клетки. Теперь Эдвард и студент его лаборатории Кристоф Райнкемайер развили этот успех, создав плёнкоподобные органеллы, которые можно использовать для дальнейшего разделения клеточных процессов на ещё более мелкие пространства.

"Самое большое достижение в том, что мы смогли создать чрезвычайно малые реакционные пространства — таким образом, мы можем иметь несколько таких пространств в клетке одновременно", — объясняет профессор Лемке. "Мы преобразовали крупные 3D-органеллы в 2D-органеллы на поверхности мембраны и можем даже проводить сложные биохимические реакции в этих тонких слоях." Используя эти более тонкие органеллы, одна и та же клетка теперь может транслировать код РНК на три разных языка — создавая, таким образом, три разных белка — в разных "углах одной комнаты", без взаимного вмешательства процессов трансляции. Это означает, что один и тот же белок теперь может иметь три разные функции в зависимости от того, в каком "углу" он был создан.

Этот новый метод не только позволяет учёным создавать белки с уникальными функциями, но и помогает лучше понять, как эволюционируют функции эукариотических клеток. "Мы можем больше узнать о том, как сложные функции возникают в мембранном пространстве, какие уникальные функциональности есть у мембраны и какие особые реакционные пространства создаются там, когда вы концентрируете белки с помощью 2D фазового разделения", — говорит доктор Райнкемайер. "Конструируя эти плёнкоподобные органеллы, мы также можем лучше понять, как природа использует подобные механизмы для создания белков с новыми функциями."

Эдвард Лемке является адъюнкт-директором в IMB и профессором синтетической биофизики в Университете Иоганна Гутенберга в Майнце.