Синтетические клетки, спроектированные так, чтобы имитировать некоторые функции, выполняемые живыми клетками, перспективны для применения в биотехнологии и медицине. Однако даже самые маленькие биологические клетки чрезвычайно сложны, и создание живых искусственных клеток сталкивается с многочисленными препятствиями. Исследователи в Лаборатория Шульмана в Университете Джона Хопкинса недавно добились прогресса в решении одной из этих задач: обмен веществом и информацией через границы клеток.
Запись в Наука развивается, исследователи, работающие в сотрудничестве с Аксиментьев Групп в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейн — продемонстрировать транспортировку малых молекул без утечек через сконструированные наноканалы ДНК на беспрецедентные расстояния. В будущем их работа может помочь в создании искусственных клеток, а также в изучении и манипулировании живыми тканями.
Клетки внутри многоклеточных организмов нуждаются в обмене материей и общении, чтобы обеспечить их коллективное выживание. Поскольку каждая клетка окружена липидной мембраной, непроницаемой для многих биологических молекул, эволюция создала механизмы, с помощью которых можно преодолеть этот барьер. Сигнальные рецепторы, транспортеры и поры передают информацию и обеспечивают прохождение молекул между клетками и их внешней стороной, в то время как клеточные контакты, такие как щелевые соединения, напрямую соединяют внутреннюю часть соседних клеток и обеспечивают диффузию малых молекул между клетками.
Чтобы имитировать эти процессы в искусственных системах, «исследователи разработали синтетические клетки, расположенные рядом друг с другом, которые могут общаться через белковые поры на своих мембранах», — объясняет первый автор Йи Ли, один из руководителей исследования. «Однако разработка синтетических клеточных систем, в которых клетки могут общаться и обмениваться материалами на больших расстояниях, по-прежнему остается сложной задачей».
Белковые структуры, облегчающие межклеточную коммуникацию в биологии, строятся «снизу вверх» из аминокислот — информация, закодированная в их последовательности, преобразуется в структуру. Другая биологическая макромолекула, ДНК, в основном используется для хранения информации в клетках; но из-за простоты синтеза и способности формировать высокоуровневые структуры область ДНК-нанотехнологий вышла далеко за рамки своего первого доказательства концепции около 30 лет назад. С тех пор ученые собрали все более сложные 2D и 3D структуры из ДНК, в том числе решетки, трубки, геометрические тела и даже художественные изображения смайликов, в рамках усилий, называемых ДНК-оригами.
В своем исследовании исследователи Лаборатории Шульмана объединили нанопоры ДНК-оригами, которые соединяют мембраны клеточных везикул и создают небольшие отверстия для пересечения молекул, со сконструированными самособирающимися ДНК-нанотрубками. Количественно определяя поток молекулы красителя в везикулы, они показали, что короткие нанопоры делают мембрану проницаемой для красителя. Они также подтвердили, что скорость этого транспорта согласуется с диффузией, и обнаружили, что специально разработанный колпачок ДНК может блокировать поры и препятствовать проникновению красителя.
Затем команда распространила эту работу на ДНК-нанотрубки со средней длиной 700 нм и максимальной длиной более 2 мкм. Опять же, эксперименты показали, что приток красителя усиливается в присутствии ДНК-конструкций и что колпачок может останавливать проникновение. Смысл, говорит Ли, заключается в том, что «маленькие молекулы могут проходить через трубки без утечек, и мы ожидаем, что большие молекулы, такие как белки, также могут транспортироваться через эти нанотрубки».
Члены группы Аксиментьева провели компьютерное моделирование броуновской динамики системы нанопора-краситель. Они показали, что для молекул меньше порогового размера утечка через боковую стенку трубки ДНК преобладает над притоком, в то время как для более крупных молекул предпочтительным механизмом становится сквозная диффузия.
Ли объясняет, что такие симуляции дополняют эксперименты двумя способами. «Их можно использовать в качестве инструментов проектирования, чтобы помочь исследователям создавать наноразмерные структуры, выполняющие определенные функции», — говорит он, например, путем «моделирования кинетики самосборки наших наноструктур ДНК», но они также помогают «проверять экспериментальные результаты и предоставлять дополнительные сведения о физических процессах».
Дизайн ДНК своими руками
Ребекка Шульман, соавтор исследования, проводит аналогию с трубами. «Это исследование убедительно свидетельствует о том, что можно создавать нанотрубки, которые не протекают, используя эти простые методы самосборки, когда мы смешиваем молекулы в растворе и просто позволяем им формировать желаемую структуру. В нашем случае мы также можем прикрепить эти трубки к разным концам, чтобы образовать что-то вроде водопровода».
У лаборатории амбициозные планы по применению этих нанотрубок. «Будущие разработки включают соединение двух или более искусственных клеток с нашими ДНК-нанотрубками и демонстрацию молекулярного транспорта между ними. Потенциально мы можем показать, [что] транспорт сигнальных молекул из одной клетки может активировать/деактивировать экспрессию генов в другой клетке», — говорит Ли. Мир физики. Команда также надеется «использовать нанотрубки для контроля доставки сигнальных молекул или терапевтических средств в клетки млекопитающих либо для изучения сигнального поведения клеток, либо для разработки стратегии доставки лекарств».
