Учените създадоха изкуствени клетки, които могат да произвеждат протеини по същия начин, както естествените клетки

Изследователи са разработили изкуствени клетки, които могат да произвеждат протеини по същия начин като естествените клетки.

Създадени с помощта на процес, наречен биокаталитично полимеризационно индуцирано самосглобяване (bioPISA), новите структури могат да се използват като микрореактори за ензимни реакции и биоминерализация. В крайна сметка тези клетки могат да бъдат от голямо значение за медицината и дори да хвърлят светлина върху загадките на произхода на живота на Земята.

Въпреки значителния напредък, постигнат през последните десетилетия, синтезът на напълно изкуствени клетки е свързан с редица предизвикателства. В крайна сметка дори най-простите едноклетъчни организми се контролират от изключително сложни биомолекулярни процеси. Най-новите постижения в тази област са свързани с изкуствените отсеци, които например направиха възможно изучаването на безклетъчната транскрипция и транслация. Особен интерес сред учените предизвикват биомиметичните полимерни компартменти, които се характеризират с висока стабилност в сравнение с другите сглобки. Освен това химическата гъвкавост на полимерите позволява създаването на структури с множество молекулярни функции, като например биоразградимост, пропускливост и реакция на стимули.

Въпреки това повечето подходи на полимерна основа за създаване на изкуствени клетки се сблъскват със сериозни пречки, възпрепятстващи ефективното капсулиране на функционалните товари. За да се преодолеят тези ограничения, е разработена техниката на полимеризационно индуцирано самосглобяване (PISA). Тя включва синтез на амфифилни блокови съполимери (с хидрофилни и липофилни мотиви) във водни разтвори чрез полимеризация на водоразтворим мономер в неразтворим блок. По-конкретно, в началния етап на полимеризацията съполимерът все още е разтворим във вода. След това, когато хидрофобният блок достигне определена дължина, съполимерите започват да се самосглобяват, за да намалят съотношението между хидрофилните и хидрофобните компоненти. Морфологията на сглобените структури се превръща в мицели, а след това във везикули, което позволява ефективно капсулиране.

Въпреки биосъвместимостта си обаче методът PISA все още има ограничения, когато става въпрос за включване на биологични молекули в полимерните отсеци. Така например условията на иницииране могат потенциално да нарушат целостта на най-чувствителните молекули. Специалистите от университетите в Дармщат и Стратклайд смятат, че техниката bioPISA, разработена в новото им изследване (публикувано в Nature Chemistry), може да направи така, че тези недостатъци да бъдат преодолени. В изследователския екип участват и учени от университетите във Фрибург и Базел, както и от Института „Адолф Меркле“ в Швейцария.

Наред с другото, BioPISA позволява синтезът и самосглобяването на полимери с помощта на PISA да се комбинират с биологични или биомиметични процеси. „Нашето изследване запълва важна празнина в синтетичната биология, като съчетава света на синтетичните материали с ензимните процеси за създаване на сложни изкуствени клетки, точно както истинските клетки“, обяснява в прессъобщение водещият автор на изследването Андреа Белуати от Университета в Стратклайд, Шотландия. „Това открива нови хоризонти в създаването на изкуствени клетки, които са не само структурно подобни на биологичните клетки, но и функционално сходни с тях“, допълва той.

Изкуствените клетки, действащи като микрореактори

Методът bioPISA се основава на ензимната атомно-трансферна радикална полимеризация (ATRP). Катализаторите на bioATRP са хем ензими (кофактор, съдържащ метален атом), като например пероксидазата на хряна, хемоглобина, каталазата и медсъдържащата лаказа.

„Ензимната радикална полимеризация е ключът към създаването на тези изкуствени клетки. Ензимите синтезират самосглобяващи се полимери, а полимеризацията капсулира полимери с нано- и микроразмери“, обяснява съавторът на изследването Николас Брунс от Университета в Стратклайд и Дармщат. „Това е много прост, но ефективен начин за производство на изкуствени клетки“, казва той.

За да се синтезират изкуствени клетки, новият метод разчита на използването на миоглобин, който предизвиква синтез на блокове от амфифилни съполимери, които се самосглобяват в мицели и гигантски униламеларни везикули (GUVs). Миоглобинът е избран за биокатализатор, тъй като е малък и стабилен протеин, способен да функционира при относително неутрално рН. За разлика от него хемоглобинът изисква киселинно рН, за да придобие подобни свойства, което не винаги е от биологично значение.

По време на полимеризацията получените GUV са в състояние успешно да капсулират товароносители с разтворимо съдържание (т.е. цитозол) на бактериални клетки, включително ензими, наночастици, микрочастици, плазмиди и клетъчен лизат. Получените изкуствени клетки се използват като микрореактори за ензимните реакции и биоминерализацията (подобно на остеобластите).

Освен това те са способни да експресират флуоресцентни протеини и актин при добавяне на аминокиселини. Освен това, като полимеризира в клетките, актинът променя структурата им, създавайки вътрешни подчасти и образувайки структури, наподобяващи цитоскелет. Това предполага, че тези клетки могат да имитират естествените бактерии, тъй като се състоят от микроскопични реакционни отделения, съдържащи информация за експресията на протеините.

Тези резултати не само предполагат, че експресията на протеини имитира реакциите, които контролират основните свойства на живите клетки, но и подчертават потенциала на тези изкуствени клетки в приложения, вариращи от прилагане на лекарства до тъканно инженерство, да не говорим за разбирането на произхода на живота. В близко бъдеще изследователите планират да проучат експресията на тези протеини за катализиране на други полимеризации, за да имитират растежа и репликацията на естествените клетки.

Създаването на изкуствени клетки, които могат да произвеждат протеини със сигурност ще доведе до съвсем нов тип открития и е в състояние да направи революция в медицината.