Искусственные протоклетки научились охотиться друг на друга

Химики из Университета Бристоля разработали систему микроскопических водорастворимых частиц, так называемых протоклеток, которые могут охотится и нападать друг на друга. Предполагается, что исследования протоклеток могут привести к созданию принципиально новых технологий для химической промышленности и фармацевтики, также могут быть использованы для устранения последствий разливов нефти или создания вычислительных химических систем. Описание работы бристольских ученых опубликовано в Nature Chemistry.

Исследования протоклеток находятся на стыке коллоидной химии и биоинженерии. Этим термином называют микрочастицы очень разного состава, однако всех их объединяет способность проявлять свойства, напоминающие живые клетки. Например, протоклетки уже использовались для синтеза белка (в них упаковывают природную систему синтеза, выделенную из живых клеток), для закрепления на мембранах природных ферментов и селективных белков-каналов, для организации химического «общения» между коллоидными частицами и бактериями. Предполагается, что в будущем протоклетки смогут заполнить функциональную нишу между классическими химическими катализаторами и живыми бактериями, которые используются в биотехнологии. По сравнению с последними, работа протоклеток должна быть гораздо более предсказуемой и они, возможно, будут способны функционировать в таких жестких условиях, где бактерии погибают.

Однако до сих пор исследования протоклеток были сосредоточены прежде всего на индивидуальных частицах, на том, чтобы наделить каждую из них все более и более сложными функциями. В новой работе авторы решили использовать другой подход — исследовать возможности коллективного поведения частиц. Для этого химики разработали систему из двух типов протоклеток, один из которых должен был «охотиться» на другой.

Два типа частиц устроены следующим образом. «Охотники» представляли собой коацерватные капли полимера PDDA с присоединенном к нему энергетической молекулой АТФ, на котором была закреплена протеиназа К  (фермент, который часто используется для неспецифического гидролиза белка). В роли «добычи» выступали микрочастицы с оболочкой из молекул бычьего сывороточного альбумина (простой и дешевый «стандартный белок» биохимии), сшитые друг с другом химическим путем. Внутри этих микрочастиц были упакованы молекулы наполнителя: полимер декстран или фрагменты ДНК.

Поскольку два типа частиц имели на поверхности противоположный электрический заряд («охотники» положительный, а «добыча» отрицательный), в растворе они притягивались друг к другу. Как только два типа частиц вступали в контакт, протеиназа К начинала «поедать» белковую оболочку другой частицы и ее содержимое выходило в раствор — за процессом авторы наблюдали с помощью оптического микроскопа и клеточного сортера. На то, чтобы полностью разрушить «добычу», «частице-охотнику» в среднем требовалось не более 60 минут. При этом не все содержимое первой частицы уходило в раствор, частично оно растворялось в коацерватной капле с протеиназой. После поглощения первой «добычи» частицы могли продолжать «охоту» дальше. Интересно, что на основе последующего анализа содержимого каждой индивидуальной частицы «охотника» можно было восстановить всю история ее «питания».

Главным выводом своей статьи авторы считают возможность создания систем протоклеток, которые могли бы не выполнять сложные функции самостоятельно, а заниматься «разделением труда» и специализироваться на отдельных реакциях. Можно ожидать, что создание таких систем будет процессом технологически более простым, чем попытки приблизить коллоидные частицы к настоящим клеткам на индивидуальном уровне.

Необычные применения коллоидных частиц не ограничиваются созданием биомиметических протоклеток. Так, недавно российские химики представили систему логических элементов (вентилей) на основе микро- и наночастиц. Потенциально, эти вентили могут быть использованы для вычислений в растворе или для создания «умной» системы управления химическими реакциями. Другая группа химиков, на этот раз из США, использовала кластеры коллоидных частиц в качестве «жидкого» носителя информации. Данные в ней записываются в форме кластеров, которые образуют частицы, соединяясь друг с другом.

Александр Ершов