Фридрих Зиммель и Аврора Дюпен, исследователи из Мюнхенского технического университета (TUM), впервые создали наборы искусственных клеток, которые могут общаться друг с другом. Клетки, разделенные жировыми мембранами, обмениваются небольшими химическими сигнальными молекулами для запуска более сложных реакций, таких как производство РНК и других белков.
Ученые всего мира работают над созданием искусственных клеточных систем, имитирующих поведение живых организмов. Фридрих Зиммель и Аврора Дюпен впервые создали такие искусственные клеточные сборки в фиксированном пространственном расположении. Изюминкой является то, что клетки могут общаться друг с другом.
«Наша система - это первый шаг к тканеподобным синтетическим биологическим материалам, которые демонстрируют сложное пространственное и временное поведение, в котором отдельные клетки специализируются и дифференцируются, мало чем отличаясь от биологических организмов», - объясняет Фридрих Зиммель, профессор физики Synthetic Biosystems (E14) в Мюнхенском техническом университете.
Выражение гена в фиксированной структуре
Гели или капли эмульсии, инкапсулированные в тонкие жировые или полимерные мембраны, служат основными строительными блоками для искусственных клеток. Внутри этих единиц размером от 10 до 100 микрон химические и биохимические реакции могут протекать беспрепятственно.
Исследовательская группа использовала капли, окруженные липидными мембранами, и собрала их в искусственные многоклеточные структуры, называемые «микротканями». Растворы биохимической реакции, используемые в каплях, могут производить РНК и белки, придавая клеткам своего рода способность к экспрессии генов.
Обмен сигналами и пространственная дифференцировка клеток
Но это еще не все: небольшие «сигнальные молекулы» могут передаваться между клетками через их мембраны или белковые каналы, встроенные в мембраны. Это позволяет им временно и пространственно соединяться друг с другом. Таким образом, системы становятся динамичными - как в реальной жизни.
Таким образом Химические импульсы распространяются по клеточным структурам и передают информацию. Сигналы также могут действовать как триггеры, позволяя изначально идентичным клеткам развиваться по-разному. «Наша система - первый пример многоклеточной системы, в которой искусственные клетки с экспрессией генов имеют фиксированное расположение и связаны химическими сигналами. Таким образом, мы достигли формы пространственной дифференциации», - говорит Зиммель.
Модели, мини заводы и микродатчики
Разработка таких синтетических систем важна, поскольку они позволяют ученым исследовать фундаментальные вопросы о происхождении жизни в модели. Сложные организмы стали возможны только после того, как клетки начали специализироваться и распределять работу между взаимодействующими клетками. Как это произошло, является одним из самых интересных вопросов в фундаментальных исследованиях.
Используя модульный конструктор специально созданных клеточных систем, исследователи надеются смоделировать различные свойства биологических систем в будущем. Идея состоит в том, что клетки реагируют на окружающую среду и учатся действовать независимо.
Первые приложения уже на горизонте: в долгосрочной перспективе сборки искусственных клеток могут быть развернуты как мини-фабрики по производству определенных биомолекул или как крошечные датчики микророботов, которые обрабатывают информацию и адаптируются к окружающей среде.
Ячейки из 3D-принтера
Фридрих Зиммель и Аврора Дюпен до сих пор собирают свои клеточные системы вручную с помощью микроманипуляторов. Однако в будущем они планируют сотрудничать с Мюнхенским университетом прикладных наук, например, для систематического создания более крупных и реалистичных систем с использованием технологии 3D-печати.