Ученые Гронингенского университета сконструировали синтетические везикулы, в которых вырабатывается АТФ - основной энергоноситель в живых клетках. Везикулы используют АТФ для поддержания своего объема и гомеостаза ионной силы. Эта метаболическая сеть в конечном итоге будет использована при создании синтетических клеток, но ее уже можно использовать для изучения АТФ-зависимых процессов. Исследователи описали синтетическую систему в статье, опубликованной в Nature Communications 18 сентября.
«Наша цель - построить снизу вверх синтетическую клетку, которая может поддерживать себя, расти и делиться», - объясняет профессор биохимии Гронингенского университета Берт Пулман. Он является частью голландского консорциума, получившего в 2017 году грант Gravitation от Нидерландской организации научных исследований для реализации этой цели. Разные группы ученых производят разные модули для клетки, и группе Пулмана было поручено производство энергии.
Равновесие
Все живые клетки производят АТФ в качестве энергоносителя, но добиться устойчивого производства АТФ в пробирке - задача не из легких. «В известных синтетических системах все компоненты для реакции были включены в везикулу. Однако примерно через полчаса реакция достигла равновесия, и производство АТФ снизилось», - объясняет Пулман. «Мы хотели, чтобы наша система оставалась в стороне от равновесия, как в живых системах».
Потребовалось три докторских степени. Студенты Д. в его группе почти четыре года конструировали такую систему. Липидный пузырь был снабжен транспортным белком, который мог импортировать субстрат аргинин и экспортировать продукт орнитин. Внутри везикулы присутствовали ферменты, расщепляющие аргинин до орнитина. Свободная энергия, полученная в результате этой реакции, использовалась для связывания фосфата с АДФ с образованием АТФ. Аммоний и углекислый газ образовывались в виде отходов, которые диффундировали через мембрану. «Экспорт орнитина, вырабатываемого внутри везикул, стимулирует импорт аргинина, который поддерживает работу системы до тех пор, пока везикулы снабжаются аргинином», - объясняет Пулман.
Транспортный белок
Чтобы создать неравновесную систему, АТФ используется для поддержания ионной силы внутри пузырька. Биологический датчик измеряет ионную силу, и если она становится слишком высокой, он активирует транспортный белок, который импортирует вещество, называемое бетаином глицина. Это увеличивает объем клетки и, следовательно, снижает ионную силу.«Транспортный белок питается от АТФ, поэтому внутри пузырька происходит как производство, так и использование АТФ».
Система работала в течение 16 часов, что стало самым продолжительным экспериментом, проведенным учеными. «Это довольно долго - некоторые бактерии могут делиться уже через 20 минут», - говорит Пулман. «Существующей системы должно хватить для синтетической клетки, которая делится каждые несколько часов». В конце концов, различные модули, подобные этому, будут объединены для создания синтетической клетки, которая будет функционировать автономно, синтезируя собственные белки из синтетического генома.
Искусственная хромосома
Существующая система основана на биохимических компонентах. Однако коллеги Пулмана из Wageningen University & Research заняты сбором генов, необходимых для производства ферментов, используемых системой, и включением их в искусственную хромосому. Другие работают, например, над синтезом липидов и белков или делением клеток. Конечная синтетическая клетка должна содержать ДНК для всех этих модулей и управлять ими автономно, как живая клетка, но в данном случае она должна быть сконструирована снизу вверх и включать новые свойства. Однако до этого еще много лет. «Тем временем мы уже используем нашу АТФ-продуцирующую систему для изучения АТФ-зависимых процессов и развития мембранного транспорта», - говорит Пулман.