Международная группа учёных из Института биоинженерии Каталонии (IBEC, Барселона) продемонстрировала, что искусственные липосомы можно запрограммировать на активное движение по химическому градиенту. В работе они описали искусственную клетку, состоящую лишь из оболочки, одного фермента и белка, но способную к хемотаксису — направленному движению в сторону определённого вещества.
Такое движение типично для живых клеток: бактерии тянутся к глюкозе, к сигнальным молекулам, а иммунные клетки — к воспалению. Но в отличие от них, искусственная клетка не содержит ни ДНК, ни белков-рецепторов, ни двигательных структур — только минимальный набор молекул.
Схема демонстрирует, как работает искусственная «клетка» из липосомы. Внутри пузырька находится фермент, а в мембране — встроенный белок, создающий пору. Когда такая клетка попадает в среду с нужным веществом, оно проникает внутрь, где фермент превращает его в продукт реакции. Продукты выходят наружу через пору, но неравномерно — только с одной стороны. Это создаёт локальное течение жидкости, которое и «двигает» клетку в нужном направлении — в сторону источника вещества. Размеры элементов на схеме не соответствуют масштабу. Источник: Barbara Borges-Fernandes, Azzurra Apriceno, Andres Arango-Restrepo, Safa Almadhi, Subhadip Ghosh, Joe Forth, Jorge Pedro Lopez-Alonso, Iban Ubarretxena-Belandia, Jose Miguel Rubi, Lorena Ruiz-Perez, Ian Williams, Giuseppe Battaglia / DOI: 10.1126/sciadv.adx9364
Ключ к движению — в «нарушении симметрии» вещества вокруг пузырька. Учёные поместили внутрь липосом фермент (глюкозооксидазу или уреазу) и встроили в мембрану белки-поры. Когда внешняя среда содержит нужное вещество (например, глюкозу), фермент превращает его в продукт реакции, а через поры обеспечивается обмен. В результате с одной стороны создаётся химический дисбаланс, и это вызывает движение жидкости — осмотическое течение, которое «толкает» клетку в нужную сторону.
Для подтверждения этого эффекта команда провела масштабную автоматизированную обработку — более 10 000 липосом были отслежены в разных концентрациях субстрата. Оказалось, что их направление движения действительно совпадает с градиентом нужного вещества — и чем больше в них пор, тем точнее и стабильнее движение.
Изображения показывают, как белок Hly встраивается в мембрану искусственной клетки и создаёт пору. A, B: молекулы белка либо остаются свободными (чёрные стрелки), либо встраиваются в оболочку пузырька (красные стрелки). C: Увеличенный фрагмент показывает размеры: сама пора — около 4 нанометров, а её грибовидная «шляпка» — около 10 нанометров. D: На снимке с криоэлектронного микроскопа — клетки с большим количеством встроенных пор. E: График показывает: чем больше пор встроено, тем выше проницаемость мембраны. Источник: Barbara Borges-Fernandes, Azzurra Apriceno, Andres Arango-Restrepo, Safa Almadhi, Subhadip Ghosh, Joe Forth, Jorge Pedro Lopez-Alonso, Iban Ubarretxena-Belandia, Jose Miguel Rubi, Lorena Ruiz-Perez, Ian Williams, Giuseppe Battaglia / DOI: 10.1126/sciadv.adx9364
Модель оказалась настолько надёжной, что искусственные клетки воспроизводили хемотаксис в реальном времени: при наличии внешнего градиента они начинали перемещаться с характерным смещением центра распределения. Причём сама «навигационная система» включала всего один фермент и одну пору.
По мнению руководителя группы, профессора Лоренцо Батталья (Lorenzo Di Michele Battaglia), именно в этой простоте — главная научная ценность работы: «Нам удалось воспроизвести направленное движение клетки, не используя ни рецепторов, ни внутренней сигнализации. Это минимальная система, но она показывает, как можно изучать биологические принципы не копируя их, а сводя к сути».
Создание таких минимальных клеток открывает новое направление: с одной стороны — для фундаментальной биофизики, с другой — для прикладных задач, таких как адресная доставка лекарств. Кроме того, эти липосомы становятся моделью того, как могли двигаться первые простейшие «протоклетки» на заре жизни.
