Искусственные клетки делают первые шаги: впервые создана подвижная цитоскелетная мембрана
Клетки — сложные объекты с развитой метаболической системой. Их эволюционные предки, первичные клетки, состояли лишь из мембраны и нескольких молекул. Это были минималистичные, но полностью функционирующие системы.
Под девизом «назад к истокам клетки» группа профессора TUM Андреаса Бауша, члена кластера передового опыта «Nanosystems Initiative Munich (NIM)», и его международных партнеров поставила цель создать простую клеточную модель с конкретной функцией, используя несколько базовых компонентов. Они следуют принципам синтетической биологии, где отдельные клеточные блоки собираются для создания искусственных биологических систем с новыми свойствами.
Целью биофизиков было создать клеткоподобную модель с биомеханической функцией, способную двигаться и менять форму без внешнего воздействия. Как они достигли этой цели, описано в их последней публикации в Science.
Волшебный шар
Модель биофизиков состоит из мембранной оболочки, двух видов биомолекул и своего рода топлива. Оболочка, или везикула, сделана из двойного липидного слоя, аналогичного естественным клеточным мембранам. Ученые заполнили везикулы микротрубочками (трубчатыми компонентами цитоскелета) и молекулами кинезина. В клетках кинезины обычно функционируют как молекулярные моторы, транспортируя клеточные компоненты вдоль микротрубочек. В эксперименте эти моторы постоянно сталкивают трубочки друг с другом. Для этого кинезинам требуется молекула-носитель энергии АТФ, которая также присутствовала в экспериментальной установке.
С физической точки зрения микротрубочки под мембраной образуют двумерный жидкий кристалл, находящийся в постоянном движении. «Слой жидкого кристалла можно представить как бревна, дрейфующие по поверхности озера, — объясняет Феликс Кебер, ведущий автор исследования. — Когда становится слишком тесно, они выстраиваются параллельно, но все еще могут скользить друг относительно друга».
Мигрирующие дефекты
Решающим для деформации искусственной клеточной конструкции является то, что даже в состоянии покоя жидкий кристалл всегда содержит дефекты. Математики объясняют такие явления с помощью теоремы Пуанкаре — Хопфа, образно называемой «проблемой волосатого шара». Подобно тому, как нельзя причесать волосатый шар, не создав вихор, всегда найдутся микротрубочки, которые не могут лечь ровно относительно поверхности мембраны в регулярном узоре. В определенных местах трубочки будут ориентированы почти ортогонально друг другу — в очень специфичной геометрии. Поскольку микротрубочки в эксперименте мюнхенских исследователей находятся в постоянном движении друг относительно друга из-за активности молекул кинезина, дефекты также мигрируют. Удивительно, но они делают это очень равномерно и периодически, осциллируя между двумя фиксированными ориентациями.
Шиповидные выросты
Пока везикула имеет сферическую форму, дефекты не влияют на ее внешнюю форму. Однако как только вода удаляется через осмос, везикула начинает менять форму из-за движения внутри мембраны. По мере потери воды на мембране образуются провисания, превращающиеся в шиповидные выросты, похожие на те, что используют одноклеточные организмы для передвижения.
В этом процессе проявляется удивительное разнообразие форм и динамики. То, что кажется случайным, на самом деле следует законам физики. Так международной группе ученых удалось расшифровать ряд базовых принципов, например, периодическое поведение везикул. Эти принципы, в свою очередь, служат основой для прогнозирования поведения других систем.
«С помощью нашей синтетической биомолекулярной модели мы создали новый вариант для разработки минимальных клеточных моделей, — объясняет Бауш. — Она идеально подходит для модульного наращивания сложности, чтобы воссоздавать клеточные процессы, такие как миграция или деление клеток, контролируемым образом. Тот факт, что искусственно созданную систему можно всесторонне описать с физической точки зрения, дает нам надежду, что в следующих шагах мы также сможем раскрыть основные принципы, лежащие в основе множества клеточных деформаций».