Ученые использовали потенциал бактерий для создания передовых синтетических клеток, которые имитируют функциональность реальной жизни.

Исследование, проведенное Бристольским университетом и опубликованное сегодня в журнале Nature , добилось значительного прогресса в использовании синтетических клеток, известных как протоклетки, для более точного представления сложного состава, структуры и функции живых клеток.

Создание реалистичной функциональности протоклеток — глобальная грандиозная задача, охватывающая множество областей, от восходящей синтетической биологии и биоинженерии до исследований происхождения жизни. Предыдущие попытки смоделировать протоклетки с помощью микрокапсул не увенчались успехом, поэтому команда исследователей обратилась к бактериям, чтобы построить сложные синтетические клетки, используя процесс сборки живого материала.

Профессор Стивен Манн из Школы химии Бристольского университета и Бристольский центр минимальной биологии им. Макса Планка вместе с коллегами докторами Кан Сюй, Николя Мартином (в настоящее время работает в Университете Бордо) и Мей Ли из Бристольского центра исследований протожизни продемонстрировали подход к построению очень сложных протоклеток с использованием вязких микрокапель, наполненных живыми бактериями, в качестве микроскопической строительной площадки.

На первом этапе команда подвергла пустые капли воздействию двух типов бактерий. Одна популяция спонтанно захватывается каплями, а другая задерживается на поверхности капель.

Затем оба типа бактерий были уничтожены, так что высвобожденные клеточные компоненты остались в ловушке внутри или на поверхности капель, чтобы произвести покрытые мембраной бактериогенные протоклетки, содержащие тысячи биологических молекул, частей и механизмов.

Исследователи обнаружили, что протоклетки способны производить богатые энергией молекулы (АТФ) посредством гликолиза и синтезировать РНК и белки посредством экспрессии генов in vitro, что указывает на то, что унаследованные бактериальные компоненты остаются активными в синтетических клетках.

Далее, проверяя возможности этого метода, команда применила ряд химических шагов для структурной и морфологической реконструкции бактериогенных протоклеток. Высвобожденная бактериальная ДНК конденсировалась в единую структуру, подобную ядру, а внутренняя часть капли была инфильтрирована цитоскелетоподобной сетью белковых филаментов и связанных с мембраной водных вакуолей.

В качестве шага к созданию синтетической/живой клеточной сущности исследователи имплантировали живые бактерии в протоклетки, чтобы обеспечить самоподдерживающуюся выработку АТФ и долгосрочную активацию для гликолиза, экспрессии генов и сборки цитоскелета. Любопытно, что протоживые конструкции приняли амебоподобную внешнюю морфологию из-за местного бактериального метаболизма и роста, чтобы создать клеточную бионическую систему с интегрированными жизнеподобными свойствами.

Автор-корреспондент профессор Стивен Манн сказал: «Достижение высокой организационной и функциональной сложности в синтетических клетках затруднено, особенно в условиях, близких к равновесию. Надеемся, что наш текущий бактериогенный подход поможет увеличить сложность существующих моделей протоклеток, облегчит интеграцию бесчисленного множества биологических компонентов и позволяют разрабатывать энергетически активные цитомиметические системы».

Наш подход к сборке живого материала дает возможность восходящего конструирования симбиотических живых/синтетических клеточных конструкций. Например, с помощью сконструированных бактерий можно будет производить сложные модули для разработки в диагностических и терапевтических областях синтетической биологии, а также в биопроизводстве и биотехнологии в целом».

Доктор Цань Сюй, первый автор, научный сотрудник Бристольского университета