Ученые из Института биоинженерии Каталонии создали самые простые искусственные клетки в мире, которые умеют то же, что и живые: двигаться на запах. Они плывут по химическим следам, как акула по капле крови. Это открытие, описанное в журнале Science Advances, показывает, как можно запрограммировать микроскопические пузырьки на целенаправленное путешествие.

Исследователи сделали «минимальную клетку» — крошечный жировой пузырек, липосому, внутри которой спрятали особый двигатель. Этим двигателем стали ферменты, способные толкать пузырек вперед, заставляя его двигаться к источнику пищи или, наоборот, от опасности. Этот процесс, хемотаксис, — основа жизни. Бактерии так находят еду, белые кровяные тельца так добираются до очага инфекции, а сперматозоиды так плывут к яйцеклетке.

Нас поражает, что такое сложное поведение, целенаправленное движение, может возникать без всяких сложных механизмов, вроде жгутиков или сигнальных путей, — говорит Барбара Борхес Фернандес, аспирантка и первый автор исследования. — Мы воссоздали его в простейшей синтетической системе, чтобы докопаться до самых основ, до фундаментальных принципов.

Как же они этого добились? Ученые взяли за основу два вещества: глюкозу и мочевину. Внутрь липосом они поместили специальные ферменты, которые могут перерабатывать эти вещества. А в саму оболочку пузырька встроили белок-пору, своеобразные ворота. Через эти ворота «еда» (глюкоза или мочевина) заходит внутрь, а продукты переработки выходят наружу.

Секрет движения в нарушении симметрии. Ферменты работают только внутри пузырька, а обмен с внешним миром идет только через поры. Это создает разницу в химической концентрации вокруг пузырька, и жидкость начинает течь вдоль его поверхности, толкая его вперед. Представьте себе лодку, где поры — это винт, а ферменты — мотор.

Ученые проанализировали путь более 10 000 таких пузырьков в микроскопических каналах, где был создан градиент глюкозы или мочевины. Они сравнили поведение пузырьков с порами и без них.

Мы увидели, что пузырьки без пор просто дрейфуют туда, где концентрация субстрата ниже, это пассивное движение. Но все меняется, когда появляются поры, — объясняет Борхес. — Чем больше пор, тем сильнее проявляется хемотаксис. В конце концов, направление движения меняется на противоположное, и пузырьки уверенно плывут туда, где «еды» больше.

Это прорыв, потому что использованные элементы — липиды, ферменты, поры — это кирпичики, из которых построено большинство реальных клеток.

Посмотрите, как движется этот пузырек. Просто смотрите, — описывает профессор Джузеппе Батталья, руководитель исследования. — В этой крохе скрыты секреты: как клетки разговаривают друг с другом, как они перевозят жизненно важные грузы. Но механизмы биологии слишком шумные, в них слишком много деталей! Так что мы схитрили. Мы воссоздали весь танец всего из трех вещей: жировой оболочки, одного фермента и поры. Ничего лишнего. И скрытые правила тут же проявились. В этом сила синтетической биологии: разбери головоломку до основания, и ты увидишь музыку в хаосе. То, что казалось запутанным, оказывается чистой, элегантной химией, которая делает больше, имея меньше.

Реальная польза этого исследования лежит в нескольких плоскостях. Прежде всего, это фундаментальная наука. Упростив систему до предела, ученые получают идеальную модель для изучения того, как зарождалась жизнь и как эволюционировали первые формы движения. Это как изучать принцип колеса, а не разбирать двигатель современного автомобиля.

На прикладном уровне такие «минимальные клетки» могут стать идеальными курьерами. Представьте себе целевые лекарства, которые не просто циркулируют в крови, а активно ищут опухоль по ее специфическому химическому „запаху“, двигаясь к ней сквозь здоровые ткани. Это могло бы кардинально снизить побочные эффекты химиотерапии. В экологии такие системы можно было бы запрограммировать на сбор и утилизацию конкретных загрязнителей в воде или почве, двигаясь к самым концентрированным очагам.

Главное критическое замечание заключается в огромном зазоре между изящной лабораторной моделью и сложностью реального биологического мира. Исследование проводилось в строго контролируемых условиях микрофлюидных каналов с чистыми градиентами одного вещества. В реальном организме, в крови или межклеточной жидкости, существует множество одновременно действующих химических сигналов, турбулентность, переменная вязкость и клеточные барьеры. Способна ли такая простая система эффективно работать в этом «шуме», сохраняя свое направленное движение, — большой вопрос. Кроме того, долговечность таких липосом и их взаимодействие с иммунной системой in vivo остаются совершенно неисследованными.

Ранее ученые разработали технологию, которая показывает состав клетки.