Ученые создали искусственные клетки, которые способны к активному переносу веществ

Ученые разработали искусственные клеточно-подобные структуры с использованием неорганического вещества, которые автономно поглощают, обрабатывают и выталкивают материал, воссоздавая важную функцию живых клеток. Их статья, опубликованная в журнале Nature, представляет собой план создания «имитаторов клеток» с потенциальными приложениями, начиная от доставки лекарств и заканчивая наукой об окружающей среде.

Фундаментальная функция живых клеток — это их способность собирать энергию из окружающей среды, чтобы закачивать молекулы в свои системы и удалять из них. Когда энергия используется для перемещения этих молекул из областей с более низкой концентрацией в области с более высокой концентрацией, этот процесс называется активным переносом. Активный перенос позволяет клеткам принимать необходимые молекулы, такие как глюкоза или аминокислоты, накапливать энергию и извлекать отходы.

На протяжении десятилетий ученые работали над созданием искусственных клеток — сконструированных микроскопических структур, имитирующих особенности и поведение биологических клеток. Но эти имитаторы клеток, как правило, не были способны выполнять сложные клеточные процессы, такие как активный перенос.

Теперь ученые описывают новый, полностью синтетический имитатор клеток, который стал на один шаг ближе к воспроизведению функции живых клеток. При развертывании в смеси различных частиц имитаторы клеток могут выполнять активные задачи, автономно улавливая, концентрируя, храня и доставляя микроскопические грузы. Эти искусственные клетки изготавливаются с использованием минимального количества ингредиентов и не заимствуют биологические материалы.

Чтобы создать имитацию клеток, исследователи создали сферическую мембрану размером с эритроцит, используя полимер, заменяющий клеточную мембрану, которая контролирует то, что входит и выходит из клетки. Они проделали микроскопическое отверстие в сферической мембране, создав наноканал, через который можно обмениваться веществом, имитируя белковый канал клетки.

Но для того, чтобы выполнять задачи, необходимые для активного переноса, имитаторам клеток нужен был механизм, который приводил в действие клеточную структуру, чтобы втягивать и вытеснять материал.

В живой клетке митохондрии и АТФ обеспечивают необходимую энергию для активного переноса. В имитации клетки исследователи добавили химически активный компонент внутрь наноканала, который при активации светом действует как насос. Когда свет попадает на насос, он запускает химическую реакцию, превращая насос в крошечный вакуум и втягивая груз в мембрану. Когда насос выключен, груз захватывается и обрабатывается внутри имитатора ячейки. А когда химическая реакция обратная, груз выталкивается по требованию.

 Смотрите также: Наночастицы, содержащие лекарственные препараты, растворяются только в раковых клетках

«Наша концепция позволяет этим искусственным имитаторам клеток работать автономно и выполнять активные задачи, которые до сих пор были ограничены царством живых клеток», — говорит Стефано Саканна, доцент химии Нью-Йоркского университета и ведущий автор исследования. «В основе конструкции клеточной структуры лежит синергия между активным элементом, который питает ее изнутри, и физическими ограничениями, налагаемыми клеточными стенками, позволяющими им поглощать, обрабатывать и изгонять инородные тела».

Исследователи протестировали имитацию клеток в различных средах. В одном эксперименте они поместили имитаторы клеток в воде, активировали их светом и наблюдали, как они поглощают частицы или примеси из окружающей их воды, что иллюстрирует потенциальное применение для очистки воды от микроскопических загрязнителей.

В другом эксперименте ученые продемонстрировали, что имитаторы клеток могут заглатывать бактерии E. coli и сохранять их внутри мембраны, потенциально предлагая новый метод борьбы с бактериями в организме. Другим будущим применением имитаторов клеток может быть доставка лекарств, учитывая, что они могут высвобождать предварительно загруженное вещество при активации.

Исследователи продолжат разрабатывать и изучать имитаторы клеток, в том числе создавать такие, которые выполняют разные задачи и изучают, как разные типы взаимодействуют друг с другом.