Содержание
Создана искусственная клетка со способностями как у живой
Фото: Zhe Xu et al.
Пора в мембране искусственной клетки
Ученые из Университета Нью-Йорка и Университета Чикаго создали искусственный аналог живой клетки. Он автономно захватывает, обрабатывает и высвобождает вещества. Возможно, эти клетки будут доставлять лекарства или даже очищать окружающую среду.
Работа опубликована в Nature, коротко о ней сообщает GEN News.
Эксперимент показал, что искусственная клетка может поглощать микроскопические частицы из среды, концентрировать, хранить их в себе, доставлять и выделять. Живые клетки делают это с помощью активного транспорта.
«Благодаря нашему дизайну искусственные клетки смогут существовать автономно. Кроме того, им станут доступны функции, которые раньше выполняли только живые клетки с помощью активного транспорта, — говорит ведущий автор исследования Стефано Саканна. — В основе конструкции внутренний элемент, который обеспечивает клетку энергией, и физическая граница — клеточная стенка, которая позволяет захватывать и выделять частицы».
Важнейшая функция живой клетки — получать энергию из окружающей среды и использовать ее, чтобы закачивать и выкачивать из себя молекулы. Активный транспорт происходит, когда клетка перемещает молекулы из области с низкой концентрацией в область с высокой концентрацией. Благодаря активному транспорту клетки получают такие необходимые молекулы, как глюкоза и аминокислоты, запасают энергию, выделяют ненужное.
«Активный транспорт обеспечивает клеткам сложные функции вроде подвижности, чувствительности и самовоспроизведения», — говорят ученые.
Десятилетиями ученые пытались создать искусственные клетки, которые повторяют свойства живых. Но сложные функции, например активный транспорт, воспроизвести не удавалось.
В работе ученые сделали из искусственного полимера сферическую мембрану размером с эритроцит. В мембране проделали микроскопическое отверстие, через который могут проходить вещества, — получилась имитация белкового канала.
Но чтобы имитировать активный транспорт, нужна энергия.
В живой клетке ее в форме АТФ производит митохондрия. В отверстие искусственной клетки ученые поместили компонент, который действует как насос, если на него посветить.
На свету происходит химическая реакция, насос втягивает частицы внутрь клетки. Когда насос выключен, частицы остаются внутри и обрабатываются. Если идет обратная реакция, содержимое выбрасывается наружу.
Насос управляется синим светом, а перекись водорода служит топливом. На свету элемент катализирует разложение перекиси, в клетки накапливаются побочные продукты, появляется градиент концентрации. Поэтому частицы из окружающей среды устремляются внутрь клетки, подхватывая нужные молекулы.
После загрузки клетки могут храниться месяцами без потери содержимого. А в необходимый момент могут высвобождать молекулы. Поэтому одно из потенциальных применений искусственных клеток — доставка лекарств.
В эксперименте клетки поглотили микроскопические частицы в загрязненной воде. Значит, потенциально они могут очищать окружающую среду.
«Представьте себе игру Pac-Man. Как в ней, наши клетки двигаются и поедают загрязнения», — говорит Сканна.
В другом эксперименте искусственные клетки поглотили бактерию E. coli. Они могут стать новым оружием против бактерий в организме.
Искусственную клетку мозга научили запоминать информацию — пока только в рамках компьютерной модели
Технологический прорыв дает новую надежду людям с больным сердцем
На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc., запрещённая на территории Российской Федерации
Искусственные клетки научили общаться с клетками млекопитающих
Биологи создали искусственные клетки, которые способны химически коммуницировать с клетками млекопитающих, говорится в исследовании, опубликованном в журнале Science Advances. Синтетические клетки производили нейротрофический фактор BDNF и способствовали дифференциации мышиных нейральных стволовых клеток в нейроны.
Этот фактор также взаимодействовал с модифицированными человеческими эмбриональными клетками почки. Исследователи показали, что искусственные клетки стабильны в физиологических условиях.
Для эффективного лечения многих болезней необходима адресная доставка веществ. Сейчас врачи используют для этого наночастицы, шарики из клеточной мембраны и даже модифицированные вирусы. Однако такие системы чаще всего не способны к саморегуляции и коммуникации с клетками организма. Новым способом доставки лекарств могут стать искусственные клетки — мембранные шарики с ДНК, порами и синтетическим аппаратом как у настоящей клетки.
Биологи из Университета Тренто под руководством О. Духана Топарлак (Ö. Duhan Toparlak) исследовали взаимодействие искусственных клеток с клетками человека и мыши, чтобы проверить их способность к химической коммуникации. Искусственные клетки содержали гены BDNF (нейротрофического фактора головного мозга) и PFO (белка-поры). PFO встраивался в мембрану искусственной клетки и пропускал наружу BDNF.
Нейральные стволовые клетки мыши инкубировали с синтетическими (их заменяли на свежие каждые 24 часа) в течение 19 дней. Процесс развития стволовых клеток оценивали при помощи нейронального маркера. Оказалось, что этот маркер накапливается в клетках почти также хорошо, как при обработке «чистым» синтезированным BDNF, и в несколько раз быстрее, чем при инкубации с искусственными клетками, которые не выделяли BDNF (p=0.0012).
Ученые решили проверить, способны ли искусственные клетки к коммуникации с человеческими. Они модифицировали эмбриональные клетки почек человека таким образом, что при взаимодействии с BDNF они должны были активировать синтез флуоресцентного зеленого белка. Оказалось, что при инкубации с клетками, которые выделяли BDNF, свечение было сильнее (p = 0,0144), чем с теми, что не выделяли этого фактора.
Искусственные клетки также инкубировали в физиологических условиях: 30-37 градусов Цельсия, при соответствующих концентрации калия и натрия и в присутствии человеческих клеток.
Всего 15 процентов искусственных клеток разрушились после недели инкубации.
Так биологи показали, что искусственные клетки способны к химической коммуникации с клетками млекопитающих и стабильны в физиологических условиях. Ученые считают, что искусственные клетки могут стать новым средством доставки химических веществ для терапии.
Главное преимущество искусственных клеток — это способность к химической коммуникации. В прошлом году ученые создали клетку, которая реагирует свечением на повышение концентрации ионов кальция. За основу этого каскада реакций они взяли настоящий биологический каскад, который укоротили. Под воздействием ионов кальция ферментативная система способствует выходу флуоресцентного агента из везикул, из-за чего клетка светится.
Анна Муравьёва
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Ученые создали простую синтетическую клетку, которая нормально растет и делится
Пять лет назад ученые создали одноклеточный синтетический организм, который, имея всего 473 гена, был самой простой живой клеткой из когда-либо известных.
Однако этот бактериоподобный организм вел себя странно при росте и делении, производя клетки самых разных форм и размеров.
Теперь ученые идентифицировали семь генов, которые можно добавить, чтобы укротить непослушную природу клеток, заставляя их аккуратно делиться на однородные сферы. Это достижение, результат сотрудничества между Институтом Дж. Крейга Вентера (JCVI), Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) и Центром битов и атомов Массачусетского технологического института (MIT), описано в журнале 9.0005 Сотовый .
Идентификация этих генов — важный шаг к созданию синтетических клеток, способных выполнять полезные функции. Такие клетки могли бы действовать как небольшие фабрики по производству лекарств, продуктов питания и топлива; выявлять болезни и производить лекарства для их лечения, живя внутри тела; и функционируют как крошечные компьютеры.
Но чтобы спроектировать и построить ячейку, которая делает именно то, что вы хотите, полезно иметь список основных частей и знать, как они сочетаются друг с другом.
«Мы хотим понять фундаментальные правила проектирования жизни», — сказала Элизабет Стрыхальски, соавтор исследования и руководитель группы Cellular Engineering Group NIST. «Если эта клетка может помочь нам открыть и понять эти правила, тогда мы отправимся в гонки».
Ученые JCVI создали первую клетку с синтетическим геномом в 2010 году. Они не создавали эту клетку полностью с нуля. Вместо этого они начали с клеток очень простого типа бактерий, называемых микоплазмами. Они разрушили ДНК в этих клетках и заменили ее ДНК, разработанной на компьютере и синтезированной в лаборатории. Это был первый в истории жизни на Земле организм с полностью синтетическим геномом. Они назвали его JCVI-syn1.0.
С тех пор ученые работают над тем, чтобы разобрать этот организм до минимума генетических компонентов. Сверхпростая ячейка, которую они создали пять лет назад, получившая название JCVI-syn3.0, была, пожалуй, слишком минималистичной. Теперь исследователи добавили 19гены обратно в эту клетку, включая семь, необходимых для нормального клеточного деления, для создания нового варианта JCVI-syn3A.
Этот вариант имеет менее 500 генов. Чтобы представить это число в перспективе, бактерий E. coli , которые живут в вашем кишечнике, имеют около 4000 генов. В клетке человека их около 30 000.
«Мы хотим понять основные правила дизайна жизни. Если эта клетка поможет нам открыть и понять эти правила, тогда мы отправимся в гонки». — Элизабет Стрихальски, соавтор исследования и руководитель группы NIST Cellular Engineering Group 9.0006
Идентификация этих семи дополнительных генов заняла годы кропотливых усилий группы синтетической биологии JCVI, возглавляемой соавтором Джоном Глассом. Соавтор и ученый из JCVI Лиджи Сан сконструировала десятки вариантов штаммов, систематически добавляя и удаляя гены. Затем она и другие исследователи наблюдали, как эти генетические изменения влияют на рост и деление клеток.
Роль NIST заключалась в измерении полученных изменений под микроскопом. Это было сложной задачей, потому что клетки должны были быть живыми для наблюдения.
Использование мощных микроскопов для наблюдения за мертвыми клетками относительно просто. Визуализация живых клеток намного сложнее.
Удерживать эти клетки под микроскопом было особенно трудно, потому что они такие маленькие и хрупкие. В одну бактерию E. coli поместится сотня или более. Крошечные силы могут разлучить их.
Чтобы решить эту проблему, Стрыхальский и его соавторы из Массачусетского технологического института Джеймс Пеллетье, Андреас Мершин и Нил Гершенфельд разработали микрожидкостный хемостат — своего рода мини-аквариум, в котором клетки можно было бы кормить и радовать под световым микроскопом. Результатом стало покадровое видео, показывающее рост и деление синтетических клеток.
В этом видео показано, как клетки JCVI-syn3.0, созданные пять лет назад, делятся на разные формы и размеры. Некоторые клетки образуют филаменты. Другие кажутся не полностью разделенными и выстраиваются в линию, как бусины на нитке. Несмотря на разнообразие, все эти клетки генетически идентичны.
В этом видео показано, как новые клетки JCVI-Syn3A делятся на клетки более однородной формы и размера.
Покадровое видео, показывающее, как клетки синтетического организма JCVI-syn3A растут и делятся под световым микроскопом, получено в результате сотрудничества между Институтом Дж. Крейга Вентера, Национальным институтом стандартов и технологий и Массачусетским технологическим центром. для битов и атомов. Масштабная линейка представляет 50 микрометров.
Кредит:
Э. Стрихальский/NIST и Дж. Пеллетье/MIT
Эти и подобные им видеоролики позволили исследователям наблюдать, как их генетические манипуляции повлияли на рост и деление клеток. Если удаление гена нарушало нормальный процесс, они возвращали его обратно и пробовали другой.
«Наша цель — узнать функцию каждого гена, чтобы мы могли разработать полную модель работы клетки», — сказал Пеллетье.
Но эта цель еще не достигнута. Из семи генов, добавленных в этот организм для нормального деления клеток, ученым известно, за что отвечают только два из них.
Роли, которые остальные пять играют в клеточном делении, пока не известны.
«Жизнь по-прежнему остается черным ящиком, — сказал Стрихальский. Но с этой упрощенной синтетической клеткой ученые хорошо разбираются в том, что происходит внутри.
Бумага: J.F. Pelletier, L. Sun, K.S. Уайз, Н. Асад-Гарсия, Б.Дж. Карас, Т.Дж. Диринк, М.Х. Эллисман, А. Мершин, Н. Гершенфельд, Р.Ю. Чуанг, Дж.И. Гласс и Э.А. Стрихальский. Генетические требования к клеточному делению в геномно минимальной клетке. Сотовый. Опубликовано в сети 29 марта 2021 г. DOI: 10.1016/j.cell.2021.03.008
Биологические науки, клеточная биология, инженерная / синтетическая биология, здоровье и биологическая физика
Жизнь в искусственных клетках
- НОВОСТИ И ОБЗОРЫ
Можно ли построить искусственные клетки из основных компонентов? Системы со сложной архитектурой и функциями, напоминающими естественные клетки, были созданы путем переработки содержимого бактериальных клеток в синтетические капли.
- Н. Эми Юдалл 0
Н. Эми Юдалл
Н. Эми Юдалл из Института молекул и материалов Радбаудского университета, Неймеген 6500 GL, Нидерланды.
Посмотреть публикации автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed.
Google ученый
Глобальное сотрудничество добилось многообещающих успехов в создании искусственных клеток «снизу вверх» из составных частей 1 , но нынешнее состояние дел далеко не похоже на что-либо живое.
Трудность заключается в организации функциональных особенностей, таких как ферменты, на наноуровне и обеспечении сетевой связи между всеми компонентами. Написание Природа , Сюй и др. . 2 сообщают, что они решили эту проблему, организовав фрагменты разрушенных клеток на синтетическом каркасе, тем самым производя искусственные клетки с функциональной и композиционной сложностью, напоминающие живые. Полученные результаты приближают нас к созданию систем, похожих на живые, которые можно использовать в промышленных целях, а также к лучшему пониманию самой жизни.
Варианты доступа
Подписаться на журнал
Получить полный доступ к журналу на 1 год
199,00 €
всего 3,90 € за выпуск
Подписаться
Расчет налога будет завершен во время оформления заказа.
Купить статью
Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.
$32,00
Купить
Все цены указаны без учета стоимости.
Природа 609 , 900-901 (2022)
doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-02231-8
Ссылки
Staufer, O. et al. eLife 10 , e73556 (2021).
Артикул
пабмедGoogle ученый
Сюй, К., Мартин, Н., Ли, М. и Манн, С. Природа 609 , 1029–1037 (2022).
Артикул
Google ученый
Сато В., Зайковски Т., Мозер Ф. и Адамала К. П. Wiley Interdisc. Преподобный Наномед. Нанобиотехнология. 14 , е1761 (2022).
Артикул
Google ученый
Banani, S. F., Lee, H. O., Hyman, A. A. & Rosen, M.
K. Nature Rev. Mol. Клеточная биол. 18 , 285–298 (2017).Артикул
пабмедGoogle ученый
Лу, Т. и Спруйт, Э. Дж. Ам. хим. соц. 142 , 2905–2914 (2020).
Артикул
пабмедGoogle ученый
Чой, С., Мейер, М. О., Бевилаква, П. К. и Китинг, К. Д. Nature Chem . https://doi.org/10.1038/s41557-022-00980-7 (2022 г.).
Артикул
Google ученый
Peng, A. & Weber, S.C. Некодирующая РНК 5 , 50 (2019).
Артикул
Google ученый
Саймон, К. и др. Природа Phys. 15 , 602–609 (2019).
Артикул
Google ученый
Рамирес-Диас, Д. А. и др. Природа Комм. 12 , 3310 (2021).
Артикул
пабмедGoogle ученый
Фаналиста Ф., Дешпанде С., Лау А., Павлик Г. и Деккер К. Adv. Биосист. 2 , 1800136 (2018).
Артикул
Google ученый
Hutchison, C.A. III et al. Наука 351 , aad6253 (2016).
Артикул
пабмедGoogle ученый
Schwille, P. Angew. хим. Междунар. Edn 56 , 10998–11002 (2017).
Артикул
Google ученый
K. Nature Rev. Mol. Клеточная биол. 18 , 285–298 (2017).
«>Lee, K. Y. et al. Природа Биотехнология. 36 , 530–535 (2018).
Артикул
пабмед
Google ученый
