Секрет навигации клеток: ученые создали искусственную систему всего из 3 компонентов

Как живые организмы находят дорогу в лабиринте химических сигналов? Этот вопрос волновал ученых давно. Оказывается, способность к направленному движению — один из ключевых механизмов эволюции, а хемотаксис, перемещение в ответ на химические сигналы, играет в этом особую роль.

Именно благодаря этому механизму бактерии находят пищу, лейкоциты устремляются к очагам инфекции, а сперматозоиды — к яйцеклетке. Проще говоря, хемотаксис позволяет клеткам двигаться к полезным веществам и избегать вредных.

Но как именно работает эта навигационная система? Живые клетки для ориентации используют сложные системы, которые включают жгутики для движения и разветвленные сигнальные пути. Эта сложность мешает понять базовые физические принципы, лежащие в основе хемотаксиса.

Чтобы выделить фундаментальные законы движения, ученые обратились к синтетической биологии. Они создали упрощенные искусственные системы, которые имитируют отдельные функции живых клеток.

Такие "минимальные клетки" показывают в контролируемых условиях, какие именно компоненты необходимы для выполнения той или иной задачи. Подход, когда сложное явление разбирают на простейшие составляющие, помогает отделить ключевые механизмы от второстепенных.

Секрет простейшей навигации раскрыт!

Недавно ученые из Института биоинженерии Каталонии вместе с коллегами из нескольких европейских институтов создали простейшую искусственную клетку, способную к химической навигации. Результаты этой работы были опубликованы в журнале Science Advances.

В основе их работы лежал принцип "собери простое — пойми сложное". Исследователи поставили цель выяснить, какой минимальный набор элементов нужен для запуска направленного движения. Давайте разберемся, как им это удалось.

Итак, искусственная клетка представляла собой липосому — микроскопический пузырек с оболочкой из жировых молекул, фосфолипидов. Внутрь этой везикулы поместили ферменты: уреазу или глюкозооксидазу.

Затем в липидную оболочку встроили белок альфа-гемолизин, который формирует в ней сквозные поры. Таким образом, получилась система всего из трех элементов: оболочки-контейнера, фермента-двигателя внутри и поры-канала для обмена веществом со средой.

Принцип работы этой системы основан на нарушении симметрии. Фермент внутри везикулы превращает определенные вещества, субстраты, в конечные продукты. Например, уреаза расщепляет мочевину. Субстрат проникает внутрь везикулы через пору, а продукты реакции выходят наружу через нее же.

Поскольку пора или скопление пор находятся в одном месте мембраны, выброс продуктов создает локальный химический градиент. Этот асимметричный поток жидкости вдоль поверхности пузырька толкает его в определенном направлении, подобно реактивному двигателю.

Эксперимент подтвердил теорию

Чтобы проверить работу системы, авторы поместили более 10 000 искусственных клеток в микрофлюидные каналы. В этих каналах создавали градиент концентрации субстрата: с одной стороны его было больше, чем с другой. Движение каждой везикулы отслеживали с помощью конфокального микроскопа. В экспериментах использовали везикулы с разным количеством пор, а также контрольные образцы без пор.

Результаты показали, что везикулы без пор двигались в сторону низкой концентрации субстрата — это происходило из-за пассивных физических эффектов, не связанных с хемотаксисом. Однако по мере увеличения количества пор в оболочке поведение клеток менялось.

У везикул с ферментом уреазой внутри наблюдался четкий эффект: чем больше пор, тем сильнее становился компонент движения в сторону высокой концентрации мочевины. При максимальном соотношении белка к липидам направление движения полностью изменилось. Клетки преодолели пассивный дрейф и начали активно плыть к источнику химического сигнала. Это подтвердило, что система всего из трех компонентов действительно способна к положительному хемотаксису.

Исследование минимальных систем для хемотаксиса дает возможность понять, как самые ранние формы жизни могли научиться двигаться и как этот процесс мог эволюционировать в более сложные структуры. И исследование наглядно показало, что для запуска направленного движения на наноуровне не нужна сложная клеточная машинерия.

Достаточно confinement — заключения химической реакции в замкнутый объем — и асимметрии, создаваемой белковой порой. Уже такой минималистичный дизайн позволил превращать энергию химических реакций в механическое движение.

Результаты открыли новые перспективы для понимания фундаментальных биологических процессов, например, везикулярного транспорта внутри клеток.

Три интересных факта о хемотаксисе:

• Хемотаксис играет важную роль в развитии эмбриона, определяя миграцию клеток и формирование органов.
• Нарушения хемотаксиса могут быть связаны с различными заболеваниями, включая рак и аутоиммунные расстройства.
• У растений хемотаксис участвует в росте пыльцевой трубки к семяпочке для оплодотворения.