Протоклетки - искусственные клетки, которые являются активными и имитируют живые клетки, двигаясь независимо друг от друга, биосовместимы и ферментативно активны, теперь возможны с использованием усовершенствованного метода, разработанного исследователями штата Пенсильвания.
Живые клетки трудно выращивать в лаборатории, поэтому исследователи иногда работают с синтетическими клетками, но у них есть ограничения для исследований, поскольку у них отсутствуют реальные клеточные характеристики.
«Одна из проблем клеточных исследований заключается в том, что иногда очень трудно проводить контролируемые эксперименты по подвижности клеток, особенно из-за активности поверхностных ферментов», - сказал Даррелл Велегол, выдающийся профессор химической инженерии.«Исследовательская группа разработала простой способ создания искусственной клетки, которая не делает всего, что делает обычная клетка, например, воспроизводиться, имеет генетические мутации или что-то в этом роде, но активно движется. Это важно, потому что то, как клетки движутся, плохо изучено. особенно то, как активность ферментов влияет на движение клеток».
Протоклетки команды используются для изучения того, как активность природных ферментов, таких как АТФаза, может способствовать активному движению протоклеток. Биохимический процесс фермента АТФазы включает превращение АТФ (аденозинтрифосфата) в продукт АДФ (аденозиндифосфат). АТФ - сложное органическое химическое вещество, обеспечивающее энергией живые клетки, а АДФ - органическое соединение, играющее важную роль в том, как клетки высвобождают и сохраняют энергию.
«Попытки проведения подобных экспериментов в прошлом десятилетии заключались в том, что ферменты были включены внутрь мешочков микронного размера, называемых полимерными везикулами, или прикреплены к поверхности твердых частиц», - сказал Субхадип Гош, научный сотрудник в области химии.«Но эти попытки не имели существенного биологического сходства с нашими протоклетками».
В экспериментах исследовательской группы протоклетки имеют настоящие искусственные мембраны, состоящие из природного липида, называемого фосфатидилхолином. Ферменты АТФазы были встроены непосредственно в мембрану.
«Наши результаты в основном дают другим исследователям первые шаги к созданию искусственных клеток с ферментативной активностью», - сказал Гош.
Один неожиданный результат исследования, который был опубликован в Интернете в августе 2019 года перед окончательной публикацией 11 сентября 2019 года в выпуске Nano Letters, произошел во время экспериментов по диффузии, которые проводились в одном молекулярном режиме. Как и ожидалось, движение протоклеток было низким при низких концентрациях АТФ.
«Совершенно неожиданно, движение протоклеток значительно снизилось при высокой концентрации АТФ», - сказал Аюсман Сен, профессор химии Верна М. Уилламана в Пенсильванском университете.
По словам исследователей, это было так же нелогично, как нажатие педали газа в автомобиле и торможение автомобиля. После проведения комплексных контрольных экспериментов исследователи пришли к выводу, что при высокой концентрации АДФ он может связываться с АТФазой и подавлять активность субстрата АТФ, вызывая снижение подвижности..
Возможность производить ферментативно активные протоклетки открывает новые возможности. Вооружившись этими имитаторами подвижных живых клеток, исследователи стремятся раскрыть фундаментальные механизмы, управляющие активной динамикой мембран и клеточным движением. Члены исследовательской группы считают, что, учитывая ограниченное в настоящее время понимание того, как движутся клетки, в том числе то, как действие ферментов влияет на движение клеток. их работа может иметь большое значение для будущих медицинских исследований.
«Ключевая задача состоит в том, чтобы оценить механические силы, которые управляют движением протоклетки, и обнаружить изменения в структуре фермента во время этого процесса», - сказал Фарзад Мохаджерани, научный сотрудник в области химического машиностроения.«Знание того, что взаимосвязь между структурой и функцией движения протоклеток позволит разработать их для потенциальных приложений in vivo, таких как медицинское зондирование и лабораторный анализ».
Наряду с Гошем, Мохаджерани, Велеголом и Сеном в исследовании приняли участие другие исследователи штата Пенсильвания, в том числе Питер Батлер, заместитель декана по образованию и аспирантуре Инженерного колледжа и профессор биомедицинской инженерии, и Соён Сон., научный сотрудник в области биомедицинской инженерии.
Центр химических инноваций Национального научного фонда поддержал это исследование.