Исследователи разработали искусственные клетки, которые могут экспрессировать белки так же, как и естественные клетки. Созданные с помощью процесса, называемого биокаталитической полимеризацией-индуцированной самосборкой (bioPISA), новые структуры могут использоваться в качестве микрореакторов для ферментативных реакций и биоминерализации. В конечном итоге эти клетки могут иметь большое значение для медицины и даже пролить свет на тайны зарождения жизни на Земле.
Несмотря на значительные успехи, достигнутые в последние десятилетия, синтез полностью искусственных клеток сопряжен с рядом трудностей. Ведь даже простейшие одноклеточные организмы управляются чрезвычайно сложными биомолекулярными процессами. Последние достижения в этой области связаны с искусственными компартментами, которые, например, позволили изучать бесклеточную транскрипцию и трансляцию. Среди этих структур особый интерес ученых вызвали биомиметические полимерные компартменты, отличающиеся высокой стабильностью по сравнению с другими сборками. Кроме того, химическая универсальность полимеров позволяет создавать структуры с множеством молекулярных функций, таких как биоразлагаемость, проницаемость и реакция на стимулы.
Однако большинство подходов к созданию искусственных клеток на основе полимеров сталкиваются с серьезными препятствиями, мешающими эффективному инкапсулированию функционального груза. Для преодоления этих ограничений была разработана методика полимеризационно-индуцированной самосборки (PISA). Она предполагает синтез амфифильных блок-сополимеров (с гидрофильным и липофильным мотивом) в водных растворах путем полимеризации водорастворимого мономера в нерастворимый блок. Более конкретно, на начальной стадии полимеризации сополимер все еще растворим в воде. Затем, когда гидрофобный блок достигает определенной длины, сополимеры начинают самосборку, чтобы уменьшить соотношение гидрофильных и гидрофобных компонентов. Морфология собранных структур превращается в мицеллы, а затем в везикулы, что позволяет эффективно осуществлять инкапсуляцию.
Однако, несмотря на свою биосовместимость, метод PISA все же имеет ограничения, когда речь идет о включении биологических молекул в полимерные компартменты. Так, условия инициирования могут потенциально повредить целостность самых чувствительных молекул. Специалисты из Дармштадтского и Стратклайдского университетов считают, что методика bioPISA, разработанная в рамках их нового исследования (опубликовано в журнале ), может позволить преодолеть эти недостатки. В исследовательскую группу также вошли ученые из университетов Фрибурга и Базеля, а также из Института Адольфа Меркле в Швейцарии.
Помимо прочего, BioPISA позволяет объединить синтез и самосборку полимеров с помощью PISA с биологическими или биомиметическими процессами. "Наше исследование заполняет важнейший пробел в синтетической биологии, объединяя мир синтетических материалов с ферментативными процессами для создания сложных искусственных клеток, таких же как настоящие", — объясняет в пресс-релизе ведущий автор исследования Андреа Беллуати из Университета Стратклайда (Шотландия). "Это открывает новые горизонты в создании искусственных клеток, которые не только структурно похожи на биологические клетки, но и функционально подходят к ним", — добавляет он.
Искусственные клетки, действующие как микрореакторы
Метод bioPISA основан на ферментной радикальной полимеризации с переносом атома (ATRP). Катализаторами bioATRP являются ферменты гема (кофактор, содержащий атом металла), такие как пероксидаза хрена, гемоглобин, каталаза и медьсодержащие лакказы.
"Ферментативная радикальная полимеризация — ключ к созданию этих искусственных клеток. Ферменты синтезируют самособирающиеся полимеры, а полимеризация инкапсулирует полимеры нано- и микроразмеров", — объясняет соавтор исследования Николас Брунс (Nicolas Bruns) из Университета Стратклайда и Дармштадта. "Это очень простой, но эффективный способ получения искусственных клеток", — говорит он.
Для синтеза искусственных клеток новый метод основан на использовании миоглобина, который вызывает синтез блоков амфифильных сополимеров, самособирающихся в мицеллы и гигантские униламеллярные везикулы (GUV). Миоглобин был выбран в качестве биокатализатора, поскольку это небольшой, стабильный белок, способный функционировать при относительно нейтральном pH. Гемоглобин же, напротив, требует кислого pH для приобретения аналогичных свойств, что не всегда имеет биологическое значение.
В процессе полимеризации полученные GUV смогли успешно инкапсулировать грузы растворимого содержимого (т.е. цитозоль) бактериальных клеток, включая ферменты, наночастицы, микрочастицы, плазмиды и клеточный лизат. Полученные искусственные клетки служили микрореакторами для ферментативных реакций и биоминерализации (как остеобласты).
Кроме того, они были способны экспрессировать флуоресцентные белки и актин при поступлении аминокислот. Более того, полимеризуясь внутри клеток, актин изменял их структуру, создавая внутренние субкомпартменты и формируя каркасы, напоминающие цитоскелет. Это позволяет предположить, что данные клетки могут имитировать природные бактерии, поскольку состоят из микроскопических реакционных отсеков, содержащих информацию для экспрессии белков.
Эти результаты не только свидетельствуют о том, что экспрессия белков имитирует те, что управляют фундаментальными свойствами живых клеток, но и подчеркивают потенциал этих искусственных клеток в различных областях применения, начиная от введения лекарств и заканчивая тканевой инженерией, не говоря уже о понимании возникновения жизни. В ближайшем будущем исследователи планируют изучить экспрессию этих белков для катализа других полимеризаций с целью имитации роста и репликации естественных клеток.