Искусственные клетки как космические корабли: химическая тяга ведёт их сквозь жидкость к звёздам

Способность клеток ориентироваться в пространстве и двигаться к нужным веществам — одна из важнейших функций живых организмов. Но что если для этого не нужна сложная клеточная структура? Ученые из Института биоинженерии Каталонии доказали: достаточно всего трех компонентов, чтобы искусственная клетка смогла самостоятельно двигаться в направлении химического сигнала.

Что такое хемотаксис и зачем он нужен?

Хемотаксис — это движение клетки в ответ на химические сигналы. Этот механизм помогает бактериям находить пищу, иммунным клеткам — бороться с инфекциями, а сперматозоидам — добираться до яйцеклетки. В живых организмах для этого используется сложная система — жгутики для движения и сложные сигнальные пути для ориентации.

Однако сложность таких систем затрудняет понимание базовых физических принципов, лежащих в основе хемотаксиса. Именно поэтому ученые обратились к синтетической биологии, чтобы создать упрощенную модель.

Минимальная искусственная клетка: как это работает?

Исследователи создали искусственную клетку в виде липосомы — микроскопического пузырька с жировой оболочкой (фосфолипидами). Внутрь поместили ферменты (уреазу или глюкозооксидазу), а в оболочку встроили белок альфа-гемолизин, формирующий поры.

Таким образом, система состояла из трех ключевых элементов:

• оболочка - липидный пузырек, контейнер клетки.
• фермент - двигатель внутри, который преобразует химические вещества.
• поры - белковые каналы для обмена веществом с внешней средой.

Принцип работы основан на нарушении симметрии: фермент внутри клетки превращает субстрат (например, мочевину) в продукты реакции. Субстрат проникает внутрь через поры, а продукты выходят наружу в одном месте, создавая локальный химический градиент.

Этот градиент вызывает асимметричный поток жидкости, который действует как реактивный двигатель, толкая пузырек в определенном направлении.

Эксперименты и результаты

В лабораторных условиях ученые поместили более 10 000 таких искусственных клеток в микрофлюидные каналы с градиентом концентрации субстрата. Везикулы без пор двигались в сторону низкой концентрации из-за пассивных эффектов.

Однако с ростом количества пор поведение менялось: клетки с ферментом уреазой начали активно двигаться к источнику химического сигнала, преодолевая пассивный дрейф. Это подтвердило, что система из трех компонентов способна к положительному хемотаксису.

Значение открытия

Это исследование показало, что для направленного движения на наноуровне не требуется сложная клеточная машинерия. Достаточно создать замкнутое пространство для химической реакции и обеспечить асимметрию выхода продуктов через поры.

Такой минималистичный дизайн позволяет превращать энергию химических реакций в механическое движение. Это открывает новые перспективы для понимания фундаментальных биологических процессов, включая везикулярный транспорт внутри клеток, а также помогает изучать эволюцию движущихся форм жизни.