Синтетичні клітини, створені для імітації деяких функцій, які виконують живі клітини, перспективні для застосування в біотехнології та медицині. Проте навіть найменші біологічні клітини є надзвичайно складними, і будівництво живих штучних клітин стикається з численними перешкодами. Дослідники в Лабораторія Шульмана в Університеті Джона Гопкінса нещодавно досягли прогресу в одній із цих проблем: обмін речовиною та інформацією між клітинними кордонами.
Введення в Наука розвивається, дослідники – працюють у співпраці з Група Аксіментьєва в Університеті Іллінойсу Урбана-Шампейн – продемонструвати вільний від витоку транспорт малих молекул через сконструйовані наноканали ДНК на безпрецедентні відстані. У майбутньому їхня робота може допомогти у створенні штучних клітин, а також у вивченні та маніпуляції з живою тканиною.
Клітини багатоклітинних організмів потребують обміну речовинами та спілкування, щоб забезпечити своє колективне виживання. Оскільки кожна клітина оточена ліпідною мембраною, непроникною для багатьох біологічних молекул, еволюція виробила механізми, за допомогою яких цей бар’єр можна подолати. Сигнальні рецептори, транспортери та пори передають інформацію та дозволяють молекулам проходити між клітинами та їх зовнішнім середовищем, тоді як клітинні контакти, такі як щілинні з’єднання, безпосередньо з’єднують внутрішню частину сусідніх клітин і забезпечують дифузію малих молекул між клітинами.
Щоб імітувати ці процеси в штучних системах, «дослідники розробили синтетичні клітини, розташовані поруч одна з одною, які можуть спілкуватися через білкові пори на своїх мембранах», — пояснює перший автор І Лі, який керував дослідженням. «Однак розробка синтетичних клітинних систем, де клітини можуть спілкуватися та обмінюватися матеріалами на більших відстанях, все ще є проблемою».
Білкові структури, які сприяють міжклітинній комунікації в біології, будуються «знизу вгору» з амінокислот – інформація, закодована в їх послідовності, перетворюється на структуру. Інша біологічна макромолекула, ДНК, в основному використовується для зберігання інформації в клітинах; але завдяки легкості синтезу та потенціалу формування високорівневих структур сфера нанотехнологій ДНК вийшла далеко за межі свого першого підтвердження концепції приблизно 30 років тому. З тих пір вчені зібрали все більш складні 2D і 3D структури з ДНК, включаючи решітки, трубки, геометричні тіла і навіть художні зображення усміхнених облич, у зусиллях, які називаються ДНК-орігамі.
У своєму дослідженні дослідники лабораторії Шульмана об’єднали нанопори ДНК-орігамі, які з’єднують мембрани подібних до клітин везикул і створюють невеликі отвори для перетину молекул, із сконструйованими самозбірними нанотрубками ДНК. Кількісно визначивши потік молекули барвника у везикули, вони показали, що короткі нанопори роблять мембрану проникною для барвника. Вони також підтвердили, що швидкість цього транспорту відповідає дифузії, і виявили, що спеціально розроблений ковпачок ДНК може блокувати пори та перешкоджати проникненню барвника.
Потім команда поширила цю роботу на нанотрубки ДНК із середньою довжиною 700 нм і максимальною понад 2 мкм. Знову ж таки, експерименти показали, що приплив барвника посилюється в присутності конструкцій ДНК, і що кришка може зупинити проникнення. Наслідком цього, каже Лі, є те, що «малі молекули можуть проходити через трубки без витоків, і ми очікуємо, що великі молекули, такі як білки, також можуть транспортуватися через ці нанотрубки».
Члени Aksimentiev Group провели комп’ютерне моделювання системи нанопора–барвник за допомогою броунівської динаміки. Вони показали, що для молекул, розмір яких нижчий за пороговий, витік через бічну стінку трубки з ДНК переважає надходження, тоді як для більших молекул кращим механізмом стає дифузія від кінця до кінця.
Лі пояснює, що таке моделювання доповнює експерименти двома способами. «Їх можна використовувати як інструменти проектування, щоб допомогти дослідникам розробити нанорозмірні структури, які мають певні функції», — каже він, наприклад, «симулюючи кінетику самоскладання наших наноструктур ДНК», але вони також допомагають «підтвердити експериментальні результати та забезпечити додаткове уявлення про фізичні процеси».
Дизайн ДНК своїми руками
Ребекка Шульман, яка була одним із керівників дослідження, проводить аналогію з трубками. «Це дослідження переконливо свідчить про те, що можна побудувати нанотрубки, які не протікають, використовуючи ці прості методи самоскладання, коли ми змішуємо молекули в розчині й просто дозволяємо їм утворити потрібну нам структуру. У нашому випадку ми також можемо приєднати ці труби до різних кінцевих точок, щоб утворити щось на кшталт сантехніки».
Лабораторія має амбітні плани щодо застосування цих нанотрубок. «Майбутні розробки включають з’єднання двох або більше штучних клітин з нашими нанотрубками ДНК і демонстрацію молекулярного транспорту між ними. Ми потенційно можемо показати, [що] транспорт сигнальних молекул з однієї клітини може активувати/дезактивувати експресію генів в іншій клітині”, – розповідає Лі. Світ фізики. Команда також сподівається «використовувати нанотрубки для контролю доставки сигнальних молекул або терапевтичних засобів до клітин ссавців, або для вивчення поведінки клітинних сигналів, або для розробки стратегії доставки ліків».
