Созданы искусственные клетки, способные "общаться" друг с другом

Сигнальные молекулы (синие) распространяются в искусственной клеточной структуре через липидные мембраны и обеспечивают связь между клетками.

Фото Aurore Dupin/TUM.

Красные капли содержат раствор сигнальных молекул, которые проникают в отсеки искусственных клеток (справа) и заставляют их флуоресцировать.

Фото Aurore Dupin/TUM.

Сегодня учёные всего мира работают над созданием искусственных клеточных систем, которые имитируют биологические прототипы. Разработки в этой сфере впечатляют: искусственные клетки становятся всё более реалистичными.

Но полноценного сходства можно достичь лишь в том случае, если клетки, созданные в лабораторных условиях, будут ещё и функционировать как "натуральные".

Этой цели достигли учёные из Мюнхенского технического университета. В ходе новой работы они создали искусственные клетки, которые могут передавать друг другу сигналы для запуска сложных реакций, к примеру, производства РНК и белков.

"Наша система – это первый шаг на пути к созданию тканеподобных синтетических материалов, которые демонстрируют сложное пространственное и временное поведение, когда отдельные клетки специализируются и дифференцируются, не отличаясь от клеток в биологических организмах", – рассказывает один из ведущих авторов работы профессор Фридрих Зиммель (Friedrich Simmel).

Его команда пояснят, что капли специального геля или эмульсии, заключённые в тонкие жировые или полимерные мембраны, служат основными "строительными блоками" для искусственных клеток. Внутри таких единиц размером от десяти до ста микрометров химические и биохимические реакции могут протекать без помех.

Научная группа в ходе экспериментов создавала подобные капли, заключённые в липидные мембраны, и при помощи специальных микроманипуляторов собирала их в искусственные многоклеточные структуры, называемые микротканями. Кроме того, учёные использовали специальные биохимические реакционные растворы, благодаря которым клетки приобретают способность к экспрессии генов и начинают продуцировать РНК и белки.

Красные капли содержат раствор сигнальных молекул, которые проникают в отсеки искусственных клеток (справа) и заставляют их флуоресцировать.

Но самое главное, что созданные командой клетки смогли обмениваться небольшими сигнальными молекулами. Их передача осуществлялась через клеточные мембраны или белковые каналы, встроенные в эти мембраны. Таким образом, между клетками была налажена временная и пространственная связь, и система стала динамичной, как её природный аналог.

Отмечается, что химические импульсы, проходящие по клеточным структурам, могут нести как информацию, так и определённые стимулы, благодаря которым изначально идентичные клетки начинают развиваться по-разному.

"Это первый пример многоклеточной системы, в которой искусственные клетки со способностью к экспрессии генов имеют фиксированное расположение и связаны химическими сигналами. Таким образом, мы достигли пространственной дифференцировки", – сообщает Зиммель.

Отмечается, что подобные синтетические системы позволят лучше изучить фундаментальные вопросы о происхождении сложных форм жизни. Развитие многоклеточных организмов началось лишь после того, как различные клетки приобрели "специализацию", начали взаимодействовать и распределять между собой те или иные задачи и функции. Вопрос о том, как именно это произошло, является одним из самых интересных и не до конца изученных.

На примере искусственных клеточных структур учёные надеются в будущем смоделировать различные свойства реальных биологических систем и понять, как клетки приобрели способность действовать независимо и "в команде" и какую роль в этих процессах сыграла окружающая среда. Первый шаг на пути к таким исследованиям уже сделан.

Кроме того, в долгосрочной перспективе Зиммель и его коллеги планируют сконструировать клеточные мини-заводы для производства определённых биомолекул. Другое интересное направление – создание на основе клеточных систем крошечных роботизированных датчиков, способных обрабатывать информацию и адаптироваться к окружающей среде.

Научная статья по итогам этой работы опубликована в журнале Nature Chemistry.

Кстати, ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о том, как учёные собрали живые и искусственные клетки в единую систему и настроили её на производство определённых химических веществ.