Искусственные клетки, способные к хемотаксису: прорыв в синтетической биологии

В мире науки, где границы между живым и неживым постепенно стираются, исследователи из Института биоинженерии Каталонии (IBEC) совершили удивительный прорыв. Они создали самую простую искусственную клетку, способную к химической навигации — движению в сторону определенных веществ, подобно тому, как это делают живые организмы. Это достижение не только углубляет наше понимание фундаментальных биологических процессов, но и открывает новые горизонты для разработки биовдохновленных технологий.

Хемотаксис: как природа управляет движением

Хемотаксис — это удивительное явление, при котором клетки или организмы движутся вдоль химического градиента, следуя за сигналами среды. Бактерии используют его для поиска пищи, иммунные клетки — для обнаружения инфекции, а сперматозоиды — для нахождения яйцеклетки. Но как воспроизвести этот механизм в искусственной системе, лишенной сложных биологических структур?

Ученые IBEC под руководством профессора Джузеппе Баттальи решили эту задачу, создав минимальную синтетическую клетку на основе липидных везикул. Внутрь этих микроскопических пузырьков были помещены ферменты, а их мембраны оснастили белковыми порами, играющими роль «дверей» для входа и выхода молекул.

Как работает искусственный хемотаксис?

Ключевая идея эксперимента заключалась в том, чтобы заставить везикулы двигаться направленно, используя лишь три основных компонента: липидную оболочку — аналог клеточной мембраны, фермент (глюкозооксидазу или уреазу), преобразующий субстрат (глюкозу или мочевину), и белковую пору, обеспечивающую транспорт веществ.

Когда такая везикула оказывается в среде с градиентом концентрации, например, глюкозы, фермент внутри нее начинает перерабатывать субстрат. Это создает разницу в концентрациях вокруг везикулы, что приводит к потоку жидкости вдоль ее поверхности и, как следствие, направленному движению.

От пассивного дрейфа к активному поиску

Исследователи проанализировали поведение более 10 000 везикул в микрофлюидных системах и обнаружили, что везикулы без пор двигались пассивно, в сторону меньших концентраций субстрата, тогда как везикулы с порами демонстрировали активный хемотаксис, направляясь к зонам с более высокой концентрацией. Этот эффект усиливался с увеличением числа пор, что подтверждает: именно нарушение химического равновесия вокруг везикулы задает направление движения.

Это исследование — не просто демонстрация искусственного хемотаксиса. Оно раскрывает универсальные принципы, лежащие в основе клеточного движения. Минимализм в биологии показывает, что сложные процессы могут быть воспроизведены с помощью простых компонентов. В перспективе такие системы могут стать основой для умных лекарственных капсул, способных самостоятельно находить очаги болезни. Кроме того, это важный шаг в понимании того, как примитивные структуры могли развиться в сложные клеточные организмы.

Синтетическая биология как искусство упрощения

Как отмечает профессор Батталья, «синтетическая биология — это умение видеть музыку в хаосе». Создав искусственную клетку всего из трех элементов, ученые не только повторили один из ключевых механизмов жизни, но и показали, что природа часто действует элегантно и минималистично.

Это исследование — важный шаг к пониманию истоков жизни и разработке нового поколения биотехнологий, где искусственные клетки смогут выполнять задачи, ранее доступные только живым организмам.