Искусственный метаболизм заставил биополимерного слизевика ползти против течения
Американские и японские химики придумали способ управлять движением в жидкой среде биополимерных микрочастиц, в структуру которых входят ДНК-линкеры. Предложенный подход основан на принципе «искусственного метаболизма» — управляемого процесса полимеризации и гидролиза ДНК, за счет которого частица может двигаться даже против внешнего потока. В будущем подобный метод может помочь при разработке микро- и нанороботов, способных к регенерации, пишут ученые в Science Robotics.
Один из наиболее популярных химических механизмов, который ученые используют для создания молекулярных моторов, — это взаимодействие между молекулами ДНК и ферментами. Реакции полимеризации или деполимеризации, транскрипция, разрезание и восстановление цепочек — все эти процессы могут использоваться, чтобы привести искусственно созданную систему из небольшого числа биомолекул в движение. Например, недавно ученые, руководствуясь подобными соображениями, создали молекулярный мотор из двух ДНК-колец и фермента, которые способны двигаться по заранее заданному маршруту за счет реакции синтеза РНК.
Большинство подобных молекулярных устройств, однако, пока нельзя назвать даже грубыми моделями живых систем: они нуждаются в очень точном внешнем контроле, а самостоятельно «принимать решения» о необходимости начала движения, изменения структуры или запуске химической реакции они не могут.
Чтобы сделать молекулярных роботов на основе ДНК более «живыми», группа химиков из США и Китая под руководством Дэна Луо (Dan Luo) из Корнеллского университета предложила поместить их в среду, в которой происходит искусственный метаболизм (то есть реакции синтеза и расщепления, регулирующие состояние крупных молекул). Такая среда создавалась за счет добавления в раствор двух ферментов, один из которых приводит к образованию сравнительно длинных цепочек ДНК из совсем небольших фрагментов, находящихся в растворе, а второй, наоборот, гидролизует полимер, разбирая его обратно на отдельные кусочки. Таким образом, первый фермент, по мнению ученых, отвечает за «искусственный анаболизм», а второй — за «искусственный катаболизм».
Когда ДНК находится в форме полимера, она может выступать в роли соединительного элемента между более крупными молекулами, связываясь с фрагментами гидрогеля, гибридными органо-неорганическими наночастицами или белковыми молекулами. Поэтому в тех областях, где ДНК присутствует в заполимеризованной форме, появляются крупные структуры из таких молекул и частиц, а там, где ДНК разбита на отдельные блоки, — таких образований нет. Чтобы контролировать, где именно в исследуемой системе будут участки различного типа, авторы работы использовали микрофлюидные устройства с тремя каналами для ввода компонентов, а также содержащих массивы вертикальных колонн, которые жидкостям приходится обтекать. В таком устройстве формируются устойчивые узкие ламинарные потоки, концентрацию нужных ферментов в которых легко контролировать. Поэтому при введении в канал ДНК-полимеразы, в нем формируются связанные нити из связанного ДНК-линкерами биополимера (авторы работы использовали белки и гибридные материалы на основе неорганических наночастиц), а при добавлении ДНК-гидролазы эти нити начинают разрушаться. Такой метод, позволяющий контролируемо менять структуру материала, ученые назвали DASH — DNA-based Assembly and Synthesis of Hierarchical materials.
Чтобы показать, что таким образом действительно можно управлять движением биополимерных частиц в канале, ученые провели эксперимент, в котором за счет управляемого смешивания потоков трех растворов (основного раствора с прекурсорами, «собирающего» и «разрушающего» растворов) заставили искусственную модель слизевика, собранного из биополимерного гибридного материала, ползти против течения жидкости. Добиться этого удалось за счет того, что спереди (относительно потока) происходила разборка материала, а сзади — наоборот, полимеризация. А еще более усовершенствованная схема позволила ученым даже устроить гонку между двумя такими слизевиками.
По словам ученых, предложенный ими способ управления динамическим поведением гибридных частиц с иерархической структурой за счет принципа «искусственного метаболизма» позволит в будущем создавать искусственные биологические системы, способные поддерживать свою жизнеспособность и при необходимости даже регенерировать.
ДНК — один из наиболее распространенных инструментов для создания управляемых молекулярных систем на основе биомолекул. Например, в прошлом году, также с помощью линкеров из ДНК, японские и американские химики научились управлять роем молекулярных моторов на основе микротрубочек. За счет использования линкеров нескольких видов, микротрубочки удавалось объединять в группы, разделять обратно или заставлять их одновременно вращаться.
Александр Дубов
А какое-то даже оттолкнуло
Американские ученые обнаружили в эксперименте, что мытье рук с мылом влияет на привлекательность человека для комаров. Привлекательность, измеряемая частотой приземлений комаров, зависела от состава мыла и индивидуального профиля запаха человека. Кроме того, ученые разработали «привлекающие» и «отталкивающие» смеси из соединений исследуемого мыла. Исследование опубликовано в журнале iScience. Комары разных видов переносят возбудителей разных инфекционных болезней: малярии, желтой лихорадки, лихорадки денге и некоторых других. Они заражают ими животных и людей в поисках пищи, а чтобы найти объект «нападения», они ориентируются на обонятельные сигналы. Эти сигналы отличаются между людьми и зависят от особенностей метаболизма самого человека и его микробиома. Впрочем этот сигнал в последнее время стал зависеть и от синтетических ароматизаторов — туалетной воды, мыла или стирального порошка. И знаний о том, как они влияют на предпочтения комаров в выборе «жертвы», у ученых пока нет. Клеман Виножер (Clément Vinauger) из Вирджинского политехнического института изучил, как мыло четырех производителей, которым пользовались 53 процента жителей США в 2019 году, — Dial, Dove, Native и Simple Truth — влияет на профиль запаха кожи человека и последующее поведение комара Aedes aegypti, который переносит вирус желтой лихорадки. Всего ученые с помощью масс-спектрометрии выделили 123 летучих ароматических соединения в пространстве над руками людей, которые мыли и не мыли руки. Из них ученые для дальнейшего изучения выбрали те, чья доля составляла более одного процента — таких нашлось 85 соединений. Ученые выяснили, что мытье рук с мылом значимо меняло химический состав воздуха около рук (p = 10-4), в частности, увеличивалось содержание летучих органических соединений (p < 0,001). Примечательно, что в двух видах мыла, которые рекламируются как более «натуральные» (Simple Truth и Native), как правило, было меньше насыщенных и ненасыщенных углеводородов (алканы и диены), чем в мылах Dial и Dove. В целом, независимо от добровольца в воздухе около немытых рук преобладали альдегиды, кетоны и сложные эфиры. После мытья рук с мылом доля этих соединений падала (хотя абсолютная концентрация росла), а доля терпенов в профиле летучих соединений около кистей рук значительно увеличивалась. Среди протестированных видов мыла Dial и Dove увеличили общее содержание химических веществ в свободном пространстве значительно больше, чем мыло Simple Truth и Native (p < 0,01). При подробном анализе в воздухе около немытых рук ученые обнаружили значительное количество 2-ноненаля, деканаля, сулькатона, геранилацетата и нонаналя. В запахе добровольцев, которые помыли руки мылом Dial, преобладали ψ-лимонен, 4-трет-бутилциклогексилацетат и линалоол. Запах людей, которые мыли руки мылом Dove, состоял из ψ-лимоненом, 7-октен-2-ола и линалоола. Запах мыла Simple Truth и Native в основном состоял из ψ-лимонена. Чтобы определить, влияют ли эти изменения в запахе человека на обонятельные предпочтения комаров и уровень их активности (оцениваемый как частота приземлений), ученые использовали анализ посадки в свободном полете. Комарам предлагались полиэтиленовые рукава, которые добровольцы надевали, когда мыли руки, или надевали и снимали, чтобы оставить на них свой запах. Комаров практически не интересовали рукава, которые вообще никто не надевал. Однако, если один из рукавов был ношенным, то комары приземлялись на него куда чаще (p < 0,001). Dove и Simple Truth дополнительно повысили привлекательность нескольких (но не всех) добровольцев, что свидетельствует о взаимосвязи между обонятельным профилем хозяина и химическим составом мыла. При этом мыла Native комары, наоборот, избегали, а в случае с одним из добровольцев комары буквально избегали приземления на образец (р < 0,001). У другого добровольца меньше комаров садилось на рукава, если он мыл руки мылами Dial, Simple Truth и Native по сравнению с немытыми руками (р < 0,05) У третьего участника комаров привлекал запах мыла Dove и Native (p < 0,05). С помощью многоуровневого анализа ученые обнаружили соединения, которые больше всего привлекают комаров: лилиаль (синтетический ароматический альдегид), α-изометилионон (в природе он встречается как продукт бактериального брожения и в пространстве около цветков), аллилгептаноат (содержится в тропических фруктах и используется в парфюмерии для имитации аромата ананаса), и 4-трет-бутилциклогексилацетат. Эти химические вещества не только были тесно связаны с мылом, которое привлекало комаров, но и входили в число десяти наиболее распространенных соединений в мылах Dial и Dove. «Отталкивающими» соединениями ученые признали бензилбензоат (органическое соединение, содержащееся в аромате цветов и обычно используемое для лечения чесотки), γ-ноналактон (компонент аромата арбуза и ключевое соединение аромата американского бурбона) и бензальдегид (ароматический альдегид, обычно встречающийся в растениях с характерным запахом миндаля). Дополнительный эксперимент показал, что ношенные рукава обработанные «привлекающей» смесью привлекают комаров значительно больше, чем рукава после обычного мытья рук (p < 0,001). И наоборот, комары значительно избегали «отталкивающей» смеси (p < 0,001). Таким образом, ученые показали, что, во-первых, мыло значительно изменяет профиль запаха человеческого тела и привлекательность для комаров. Во-вторых, ученые продемонстрировали, что знания о химической экологии комаров можно использовать для разработки искусственных смесей, которые помогут бороться с комарами. Хотя самцы комаров не пьют человеческую кровь, они все равно подлетают к человеку. По-видимому, они делают это, чтобы встретить потенциальную партнершу и спариться с ней.