В стремлении построить искусственную клетку есть два подхода: во-первых, реинжиниринг геномного программного обеспечения живой клетки. Второй фокусируется на клеточном оборудовании, создавая с нуля простые клеточные структуры, которые имитируют функции живых клеток. Одной из самых больших проблем в этом втором подходе является имитация сложных химических и биологических реакций, необходимых клеткам для выполнения сложного поведения.
Теперь международная группа исследователей из Гарвардского университета и Университета Соган в Сеуле разработала клеточную структуру, которая использует фотосинтез для выполнения метаболических реакций, включая сбор энергии, фиксацию углерода и формирование цитоскелета.
Исследование опубликовано в Nature Biotechnology.
«Это исследование, являющееся частью богатого сотрудничества между Гарвардом и Университетом Соганга, открывает несколько разных направлений того, что можно сделать на клеточном уровне», - сказал Кит Паркер, профессор биоинженерии и прикладной физики семьи Тарр в Гарвардская школа инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) и соруководитель проекта. «Мы активировали метаболическую активность с помощью света, построили белковую сеть по требованию в живой клетке и упаковали все компоненты, необходимые для этого, в одну клетку».
Паркер также является членом основного факультета Гарвардского института биологической инженерии им. Висса и Гарвардского института стволовых клеток.
«Продемонстрированные нами механизмы должны стать первым шагом в развитии множественных регуляторных сетей для искусственных клеток, которые могут демонстрировать гомеостаз и сложное клеточное поведение», - сказал Кванву Шин, директор Института биологических интерфейсов и профессор химический факультет Университета Соган и главный исследователь проекта.
Для создания этой синтетической системы исследователи создали фотосинтетическую органеллу из уникальных компонентов растительного и животного мира.
«Наша идея была простой», - сказал Кил Йонг Ли, научный сотрудник SEAS и первый автор исследования. «Мы выбрали два белковых фотопреобразователя - один из растений, другой из бактерий - которые могут создавать градиент через клеточную мембрану для запуска реакций».
Фотопреобразователи чувствительны к разной длине волны света: один красный, другой зеленый. Белки были встроены в простую липидную мембрану вместе с ферментами, которые генерируют аденозинтрифосфат (АТФ) - основные переносчики энергии в клетках. Когда мембрана освещается красным светом, происходит фотосинтетическая химическая реакция с образованием АТФ. Когда мембрана загорается зеленым светом, производство останавливается. Способность включать и выключать производство энергии позволяет исследователям контролировать многие реакции внутри клетки, в том числе полимеризацию актина, основных строительных блоков клеток и тканей.
«В предыдущих исследованиях эти белки использовались для выработки АТФ, но только по одному за раз», - сказал Сунг-Джин Парк, научный сотрудник SEAS и Wyss и соавтор статьи. «Мы объединили лучшее из мира растений с лучшим из мира животных, что позволило нам настраивать и регулировать производство энергии в клетке. Мы проектируем эти клетки снизу вверх, начиная с этих отдельных белков».
Возможность контролировать и настраивать выработку актина позволяет исследователям контролировать форму клеточных мембран и может предоставить способ создания мобильных клеток. Этот подход «снизу вверх» может быть использован для создания других искусственных органелл, таких как эндоплазматический ретикулум или ядроподобная система, и может стать первым шагом к искусственным клеточноподобным системам, которые могут имитировать сложное поведение биологических клеток.
«Введение сетей функциональных белков и органелл в искусственную клеточную среду проложит путь к достижению великой цели - созданию клетки de novo», - сказал Шин.
От медицины бесплодия до травм и других, более экзотических заболеваний, теперь у нас есть базовое понимание инструментов и требований для контроля того, что происходит в клетке. Идея клеточного протезирования становится все ближе и ближе к этому результату», - сказал Паркер.