Ориентация и движение — фундаментальные свойства живых систем, позволившие жизни расцвести в огромном многообразии форм. Многие существа перемещаются навстречу химическим сигналам благодаря явлению хемотаксиса: бактерии ищут питательные вещества, иммунные клетки распознают и атакуют очаги инфекции, а половые клетки уверенно следуют к своей цели. Эта универсальная стратегия помогает организмам достигать благоприятной среды и избегать угроз.
В природе навигация клетки — сложный и многоуровневый процесс, охватывающий разнообразные биомолекулы, сигнальные каскады и структуры наподобие жгутиков. Этот высокий уровень организации усложняет задачу для ученых, которые хотят понять базовые механизмы, лежащие в основе такого поведения. Чтобы добраться до самых фундаментальных принципов, биологи создали модельные системы — минималистичные аналоги клеток, способные воспроизводить основные биохимические процессы.
Минималистичный подход: путь к разгадке природы движения
Международная исследовательская группа, в которую вошли ученые Института биоинженерии Каталонии, реализовала смелую идею: сконструировать полностью искусственную клетку, максимально упрощающую устройство настоящей живой клетки, но сохраняющую способность передвигаться по химическим подсказкам. Этим ученым удалось создать прототип минимальной искусственной клетки, который служит отличной "лабораторией" для изучения основополагающих феноменов клеточного движения.
Исследователи воспользовались принципом "упрощая — понимаем". Их цель заключалась в том, чтобы с точностью определить, какие именно составляющие необходимы для проявления хемотаксиса. Такой "конструктор" позволил показать, что не требуется целого набора природных сложностей, чтобы реализовать базовую функцию навигации по химическим градиентам.
Конструкция искусственной клетки: три элемента для большой задачи
В роли искусственной клетки выступил микроскопический пузырек, или липосома, собранный из фосфолипидов — тех самых молекул, что составляют оболочки живых клеток. Внутрь липосомы помещали ферменты: уреазу или глюкозооксидазу. Для того, чтобы обеспечить обмен веществами с окружающей средой, в мембране пузырька встраивали белковые поры, построенные из альфа-гемолизина. В итоге эта микросистема включала всего три элемента: обособленную оболочку, фермент для запуска химических реакций и канал-пору для связи с внешним миром.
Именно такой сочетание позволило ученым моделировать на элементарном уровне, как простое взаимодействие химии и структуры помогает системе принимать решение о направлении движения.
Как работает система: симметрия и химические двигатели
Принцип функционирования этой липосомы тесно связан с созданием асимметрии. Фермент, заключенный внутри, преобразует поступающий через поры субстрат, например, мочевину, в продукты реакции. Продукты через ту же пору покидают пузырек. Поскольку поры располагаются неравномерно, поток выходящих молекул по одну сторону создает локальное химическое отличие от противоположной стороны — а это, в свою очередь, инициирует движение пузырька в заданном направлении.
Такой эффект напоминает работу реактивного двигателя в миниатюре — возникший из-за разницы концентраций химических веществ градиент служит силой, устремляющей клетку вперед, навстречу более высокой концентрации субстрата.
Эксперимент: искусственная жизнь на микрофлюидных трассах
Чтобы испытать, насколько жизнеспособна эта минималистичная система, ученые погрузили тысячи совмещенных липосом в искусственные каналы с контролируемым градиентом концентрации субстрата — по одну сторону веществ больше, по другую меньше. Перемещение наблюдали под конфокальным микроскопом, при этом сравнивали поведение пузырьков с различным количеством пор и без них вовсе.
Интересно, что липосомы, не имевшие пор, двигались пассивно — они дрейфовали в сторону там, где концентрация вещества была ниже. Это был физический, но не биологический процесс. Как только число пор возрастало, ситуация менялась: модельные клетки начинали четко направляться к участкам, где концентрация субстрата максимальна.
Самый выраженный эффект наблюдался у "клеток" с уреазой. При максимальном содержании белка-поры в соотношении к липидам направление движения полностью изменялось — искусственная клетка преодолевала пассивный дрейф и уверенно устремлялась к источнику химического сигнала. Это доказывало: даже система из трех ключевых элементов способна к осознанному движению навстречу благоприятным условиям, повторяя свойства настоящих живых клеток.
Важность результатов: минимализм — двигатель жизни
Данный опыт пролил свет на то, что даже очень упрощенная система может демонстрировать сложные функциональные свойства, ранее считавшиеся прерогативой исключительно живых организмов. Энергия химических реакций, заключенная в небольшой объем и организованная благодаря асимметричному распределению белковых пор, оказывается достаточной для запуска механизма направленного движения.
Эти наблюдения расширяют наши представления о том, как могли появиться самые ранние формы жизни, осваивавшие окружающую среду. Новые знания дают ключ к пониманию базовых явлений клеточного транспорта — например, перемещения пузырьков с веществами или белками внутри клетки-организма или даже между разными клетками. Это также может найти свое применение в разработке интеллектуальных микроконтейнеров: например, умных систем доставки лекарств, способных искать "больные" участки самостоятельно.
Будущее: перспективы и новые горизонты
Простая идеализация сложных биологических явлений, воплощенная в минималистичной искусственной клетке, дает бесценные ответы на вопросы о происхождении и развитии жизни на Земле. Исследователи рассчитывают, что такие системы откроют дорогу для новых технологических решений в области медицины, биотехнологии и даже искусственного интеллекта, где элементы самонаправленного движения будут востребованы для диагностики, терапии и создания автономных микромашин.
Научное сотрудничество, возглавленное Институтом биоинженерии Каталонии, ярко показало, как смелый минимализм и внимательное моделирование ключевых процессов приближают нас к пониманию великих тайн природы и открывают перспективы для позитивных изменений в самом широком спектре применений. Разработка синтетических клеток, способных чувствовать и взаимодействовать с химическими сигналами окружающей среды, способна подарить невиданные ранее возможности человечеству — и научить нас глубже ценить гениальность самой жизни.
Источник: naked-science.ru
