Исследователи разработали искусственные клеточные структуры с использованием неорганической материи, которые автономно поглощают, обрабатывают и выталкивают материал, воссоздавая основную функцию живых клеток.
Их статья, опубликованная в журнале Nature, представляет собой план создания «миметиков клеток» с потенциальными приложениями, начиная от доставки лекарств и заканчивая наукой об окружающей среде.
Фундаментальной функцией живых клеток является их способность собирать энергию из окружающей среды, чтобы перекачивать молекулы в свои системы и из них. Когда энергия используется для перемещения этих молекул из областей с более низкой концентрацией в области с более высокой концентрацией, этот процесс называется активным транспортом. Активный транспорт позволяет клеткам принимать необходимые молекулы, такие как глюкоза или аминокислоты, накапливать энергию и извлекать отходы.
В течение десятилетий исследователи работали над созданием искусственных клеток - инженерных микроскопических структур, имитирующих особенности и поведение биологических клеток. Но эти имитаторы клеток, как правило, лишены способности выполнять сложные клеточные процессы, такие как активный транспорт.
В исследовании Nature исследователи из Нью-Йоркского и Чикагского университетов описывают новый, полностью синтетический имитатор клеток, который на один шаг ближе к воспроизведению функций живых клеток. При развертывании в смесях различных частиц имитаторы клеток могут выполнять активные транспортные задачи, автономно захватывая, концентрируя, сохраняя и доставляя микроскопический груз. Эти искусственные клетки изготавливаются с использованием минимального количества ингредиентов и не заимствуют материалы из биологии.
Чтобы создать имитацию клетки, исследователи создали сферическую мембрану размером с эритроцит, используя полимер, заменитель клеточной мембраны, которая контролирует то, что входит и выходит из клетки. Они проделали микроскопическое отверстие в сферической мембране, создав наноканал, через который можно обмениваться материей, имитируя клеточный белковый канал.
Но для того, чтобы выполнять задачи, необходимые для активного транспорта, имитаторам клеток нужен был механизм, который приводил бы в действие клеточную структуру, чтобы втягивать и выталкивать материал. В живой клетке митохондрии и АТФ обеспечивают необходимую энергию для активного транспорта. В имитаторе клетки исследователи добавили химически реактивный компонент внутрь наноканала, который при активации светом действует как насос. Когда свет попадает на насос, он запускает химическую реакцию, превращая насос в крошечный вакуум и втягивая груз в мембрану. Когда насос выключен, груз улавливается и обрабатывается внутри клеточного аналога. А когда химическая реакция обратная, груз выталкивается по требованию.
«Наша концепция дизайна позволяет этим искусственным имитаторам клеток работать автономно и выполнять активные транспортные задачи, которые до сих пор были ограничены областью живых клеток», - сказал Стефано Саканна, доцент кафедры химии Нью-Йоркского университета и руководитель исследования. автор. «В основе конструкции клеточной структуры лежит синергия между активным элементом, питающим ее изнутри, и физическими ограничениями, накладываемыми клеточными стенками, что позволяет им поглощать, обрабатывать и выталкивать инородные тела».
Исследователи проверили клеточные имитаторы в различных условиях. В одном эксперименте они поместили имитаторы клеток в воду, активировали их светом и наблюдали, как они поглощают частицы или примеси из окружающей их воды, что иллюстрирует потенциальное применение для очистки воды от микроскопических загрязнителей.
"Подумайте о клетках, имитирующих видеоигру PAC-MAN - они ходят вокруг, поедая загрязняющие вещества и удаляя их из окружающей среды", - сказала Саканна.
В другом эксперименте они продемонстрировали, что имитаторы клеток могут поглощать бактерии кишечной палочки и улавливать их внутри мембраны, потенциально предлагая новый метод борьбы с бактериями в организме. Другим будущим применением имитаторов клеток может быть доставка лекарств, учитывая, что они могут высвобождать предварительно загруженное вещество при активации.
Исследователи продолжают разрабатывать и изучать имитаторы клеток, в том числе создавать те, которые выполняют разные задачи, и изучают, как разные типы взаимодействуют друг с другом.
Помимо Саканны, среди авторов исследования Чжэ Сюй и Теодор Хюкель из химического факультета Нью-Йоркского университета, а также Уильям Т. М. Ирвин из Чикагского университета. Исследование проводилось при поддержке Исследовательского бюро армии США (номер награды W911NF2010117).