Пакманы из стволовых клеток лягушки оказались способны к самокопированию

Американские биологи собрали из стволовых клеток лягушки кластеры, которые способны практически к бесконечному самокопированию. Кластер в форме сфероида с разрезом (внешне он напоминает Пакмана) сгребает одиночные стволовые клетки в новый кластер такой же формы, который через пять дней может тоже начать собирать из отдельных клеток собственные копии. Раньше такой способ самокопирования и самоорганизации в клеточных системах не наблюдали, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Способность к самовоспроизведению — одно из ключевых свойств любой живой системы. Процессы создания копий (или аналогов) целого организма, отдельной клетки или даже молекулы необходимы для выживания вида или отдельной особи. На уровне организмов и клеток принцип самовоспроизведения — выращивание себе подобной системы под контролем родительского организма, при этом стадии развития дочернего организма оттачиваются в ходе эволюции. Самовоспроизведение на уровне отдельных молекул происходит иначе: это полное копирование химической и пространственной структуры. Копирование — значительно более быстрый и гибкий процесс, и для отдельных молекул его провести сравнительно просто, но вот на уровне сложных клеточных структур в природе не наблюдается. 

Американские биологи под руководством Сэма Кригмана (Sam Kriegman) из Университета Тафтса обнаружили, что и клеточные кластеры могут производить собственные копии, просто собирая отдельные клетки в подобную себе структуру. Чтобы показать реалистичность такого способа, ученые использовали стволовые клетки из бластулы гладкой шпорцевой лягушки (Xenopus laevis). Если взять стволовые клетки с анимального полюса зародыша, то в соленом водном растворе при температуре 14 градусов Цельсия они за пять суток естественным образом развиваются до сфероидных кластеров из примерно трех тысяч клеток. Внутри этих кластеров оказываются клетки эпидермиса, а на поверхности — клетки мерцательного эпителия, благодаря которым кластер может активно двигаться.

Ученые обнаружили, что если эти клеточные сфероиды попадают в среду, в которой много одиночных стволовых клеток, то активно двигаясь в ней, кластеры могут «сгребать» отдельные клетки в новые кластеры второго поколения, которые спустя пять дней вырастают до сфероидов с аналогичной структурой.

Если клеточные кластеры второго поколения отделить от родительских кластеров и тоже поместить в среду с большим количеством одиночных стволовых клеток, то они точно так же за счет случайного активного движения собирают эти клетки в новые кластеры. Однако через одно или два поколения способность к самокопированию теряется — либо из-за нарушения формы, либо из-за изменения траекторий движения.

Чтобы увеличить число поколений, через которое клеточные кластеры теряют способность создавать собственные копии, ученые использовали компьютерное моделирование. Оказалось, что для воспроизводимости достаточно немного модифицировать форму кластера, сделав в сфероиде углубления или отверстия. Проверив множество различных возможных форм с помощью эволюционного алгоритма, описывающего двумерные массивы частиц, ученые нашли форму, которая позволяет самокопироваться практически до бесконечности. Кластер, напоминающий по форме Пакмана, сгребает клетки в себе подобные структуры, которые потом через пять дней могут делать то же самое.

Ученые отмечают, что предложенный ими механизм самокопирования не требует никакой генной модификации и дополнительного контроля химических взаимодействий — это чисто кинематический механизм в кластерах из обычных стволовых клеток. За счет этого можно копировать кластеры с очень широким разбросом по размерам. По словам исследователей, результаты их работы позволяют лучше понять, в каких условиях в живых организмах вообще возможно самовоспроизведение, а также могут оказаться полезными и для создания аналогичных искусственных систем. 

Для органических молекул самокопирование — более естественный процесс, чем для клеточных структур, но и его добиться довольно сложно. Например, чтобы создать систему, внутри которой возможно самокопирование ротаксана, химикам пришлось делать смесь из шаблона и нескольких реагентов для сборки, в которой происходило одновременно четыре типа реакций. А другая группа ученых создала систему, в которой саморепликация волокон происходит под действием света. По словам ученых, одна из целей таких работ — химическое моделирование протометаболизма и создание протоклетки.

Александр Дубов