Учёные разработали метод контроля времени деления синтетических ДНК-капель
Многие функции клеток в организме человека контролируются биологическими каплями, называемыми каплями жидкостно-жидкостного фазового разделения (LLPS). Эти капли, состоящие из мягких биологических материалов, существуют внутри живых клеток, но не окружены мембранами, как большинство клеточных структур.
Отсутствие мембран позволяет LLPS-каплям быстро адаптироваться к потребностям клетки: они могут двигаться, делиться и менять свою структуру или содержимое. Эта гибкость важна для таких функций, как транскрипция рибосомальной РНК (рРНК) в ядрышке, переходы "золь-гель" и контроль химических реакций в клетках.
Вдохновившись этими свойствами, учёные создали синтетические LLPS-капли. Хотя был достигнут прогресс в контроле их деления и движения, точное управление временем этих процессов оставалось сложной задачей.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications 27 августа 2024 года, стало прорывом в этой области. Учёные из Токийского технологического института (Tokyo Tech) разработали метод точного контроля времени деления синтетических ДНК-капель. Они достигли этого, создав схему временной задержки, где деление капель регулируется комбинацией ингибиторных РНК и фермента Рибонуклеазы H (RNase H).
Профессор Масахиро Такиноуэ, старший автор исследования, поясняет: "Мы демонстрируем контролируемую по времени динамику деления искусственных клеток на основе ДНК-капель, связывая их с химическими реакциями, проявляющими переходный неравновесный релаксационный процесс".
В их подходе ДНК-капли удерживаются вместе Y-образными наноструктурами ДНК, связанными шестиветвевыми линкерами. Эти линкеры могут быть разрезаны специфическими последовательностями ДНК — триггерами деления.
Изначально триггеры деления связаны с молекулами одноцепочечной РНК (ssRNA), называемыми РНК-ингибиторами. Добавление фермента RNase H разрушает эти ингибиторы, высвобождая триггеры деления, которые разрезают ДНК-линкеры и инициируют деление капель.
"Эти две реакции вызывают временную задержку в разрезании ДНК-линкера, что приводит к контролю времени деления ДНК-капель", — объясняет Такиноуэ.
Исследователи успешно добились управления путём деления в тройной смешанной системе C·A·B-капель. Контролируя высвобождение триггеров деления, они установили два различных пути:
- Путь 1: C·A·B-капли сначала делились на C-капли и A·B-капли.
- Путь 2: C·A·B-капли сначала делились на B-капли и C·A-капли.
Этот контроль пути был применён к элементу молекулярных вычислений — компаратору, который сравнивал концентрации микроРНК (miRNA), использовавшихся в качестве ингибиторных РНК. Компаратор использовал разницу в концентрациях РНК для определения пути деления, что даёт метод для количественного сравнения уровней РНК с потенциальным применением в диагностике.
Хотя химические реакции в исследовании были перспективными, они были временными и не поддерживали неравновесное состояние, как в клеточных системах. Для создания стабильных систем учёные подчёркивают необходимость реакций с непрерывной подачей энергии.
"Мы считаем, что эта технология предоставляет стратегию для создания искусственных клеток и молекулярных роботов с более сложными функциями, такими как контролируемое по времени самовоспроизведение, доставка лекарств и диагностика, с большей точностью и количественными характеристиками", — говорит Такиноуэ.