Journal of the AChemSociety: Синтетика вызывает хаос в первичном бульоне

Наше тело состоит из триллионов различных клеток, каждая из которых выполняет свою уникальную функцию, поддерживая нашу жизнь. Как клетки перемещаются внутри этих чрезвычайно сложных систем? Откуда они знают, в каком направлении расти? И как они вообще стали такими сложными?

Подобные простые, но глубокие вопросы лежат в основе фундаментальных исследований, ориентированных на любопытство и направленных на изучение фундаментальных принципов природных явлений. Одним из важных примеров является процесс перемещения клеток или организмов в ответ на химические сигналы окружающей среды, также известный как хемотаксис.

Группа исследователей из трех различных исследовательских подразделений Окинавского института науки и технологий (OIST) объединилась, чтобы ответить на основные вопросы о хемотаксисе, создав синтетические капли для имитации этого явления в лаборатории, что позволило им точно изолировать, контролировать и изучать это явление. Их результаты, которые помогают ответить на вопросы о принципах движения в простых биологических системах, опубликованы в Journal of the American Chemical Society.

Мы показали, что можно заставить белковые капли мигрировать с помощью простых химических взаимодействий, — говорит Алессандро Бевилаква, аспирант из отдела белковой инженерии и эволюции и соавтор первой статьи. Профессор Паола Лаурино, руководитель группы и ведущий автор, добавляет, что они «создали простую систему, которая имитирует очень сложное явление и которую можно регулировать с помощью ферментативной активности».

Напряжение на поверхности

Хотя процесс создания капель может показаться не самой сложной задачей, имитация биологических процессов, максимально приближенных к реальности, при сохранении точного контроля над всеми переменными, безусловно, является таковой. Синтетические капли без мембраны содержат очень высокую концентрацию бычьего сывороточного альбумина BSA, чтобы имитировать тесноту внутри клеток, а также уреазу — фермент, катализирующий расщепление мочевины до аммиака.

Аммиак является основным веществом, то есть имеет высокое значение pH. По мере того как фермент постепенно катализирует производство аммиака, он диффундирует в раствор, создавая вокруг капли «ореол» более высокого pH, что, в свою очередь, позволяет каплям обнаруживать другие капли и мигрировать друг к другу.

Исследователи обнаружили, что ключом к пониманию хемотаксиса капель является pH-градиент, поскольку он способствует эффекту Марангони, который описывает, как молекулы перетекают из областей с высоким поверхностным натяжением в области с низким. Поверхностное натяжение — это мера энергии, необходимой для удержания молекул на поверхности вместе, подобно клею. При увеличении pH этот клей ослабевает, заставляя молекулы раздвигаться и снижая поверхностное натяжение, что, в свою очередь, облегчает движение молекул. Вы можете увидеть это, добавив мыло с высоким pH в один конец ванны с негазированной водой: вода потечет к концу с мылом из-за эффекта Марангони.

Когда две синтетические капли находятся достаточно близко, их ореолы взаимодействуют, повышая pH в среде между ними, что заставляет их двигаться вместе. Поскольку поверхностное натяжение на противоположных концах капель еще сильно, они сохраняют свою форму до тех пор, пока их поверхности не соприкоснутся, и силы когезии внутри капель не преодолеют поверхностное натяжение, заставив их слиться. Поскольку крупные капли производят больше аммиака и имеют большую площадь поверхности (что снижает поверхностное натяжение), они притягивают к себе капли меньшего размера.

Совместная работа над древним супом и биотехнологии будущего

Благодаря разработке этих капель исследователи продвинулись вперед в ответе на основные вопросы о биологическом движении — при этом они получили представление о направленном движении самых ранних форм жизни в первобытном супе миллиарды лет назад, а также о создании новых биологически вдохновленных материалов.

Наши знания о том, как выглядела жизнь миллиарды лет назад, в лучшем случае расплывчаты. Известная гипотеза гласит, что жизнь зародилась в океанах, когда органические молекулы постепенно собирались и становились более сложными в «первобытном супе» — и этому мог способствовать хемотаксис благодаря эффекту Марангони. По словам профессора Лаурино, „для капель было бы полезно иметь такой механизм миграции в гипотетическом сценарии зарождения жизни“. Эта миграция могла бы запустить формирование примитивных метаболических путей, в которых ферменты катализируют различные вещества, что в конечном итоге создает химический градиент, который сближает капли, приводя к появлению более крупных и сложных сообществ».

Исследование также указывает на будущее, давая подсказки для новых технологий.

Один из примеров — создание чувствительных материалов, вдохновленных биологией, — предполагает Алессандро Бевилаква.

Мы показали, как простые капли могут мигрировать благодаря химическому градиенту. В будущем это может найти применение в технологиях, которые чувствуют или реагируют на химические градиенты, например, в микроробототехнике или доставке лекарств.

Работа по созданию и анализу синтетических капель — это результат сочетания глубоко интегрированной междисциплинарности и человеческого фактора, лежащего в основе научной работы. Проект начался во время пандемии коронавируса, когда сотрудник отдела белковой инженерии и эволюции находился в карантине вместе с сотрудником отдела сложных жидкостей и потоков. Они начали общаться, и хотя оба подразделения представляют две разные области — биохимию и механику, соответственно, — проект развивался параллельно. В конце концов к проекту присоединились сотрудники отдела микро/био/нанофлюидики, которые провели сложные измерения поверхностного натяжения капель.

Уникальная недисциплинарная исследовательская среда в OIST стала катализатором сотрудничества. По словам профессора Лаурино, «этот проект никогда не смог бы существовать, если бы мы были разделены по факультетам. Это было непростое сотрудничество, потому что мы общаемся в своей области совершенно по-разному, но физическая близость значительно облегчила его». Алессандро Бевилаква присоединяется:

Фактор кофе был очень важен. Возможность сесть за стол с другими членами подразделения сделала процесс гораздо быстрее и продуктивнее.

На этом их сотрудничество не заканчивается — скорее, эта работа является началом плодотворного партнерства между тремя подразделениями.

Мы видим большой синергетический эффект в нашей работе, и мы эффективно и результативно работаем вместе. Я не вижу причин, по которым мы должны остановиться, — говорит профессор Лаурино.

Именно благодаря совместным усилиям трех подразделений мы теперь знаем больше о мельчайших движениях жизни в самом маленьком, раннем и, возможно, будущем масштабе.

25.04.2024


Подписаться в Telegram



Биосфера

Scientific Reports: Экологичное лечение спасает яйца кальмаров от паразита
Scientific Reports: Экологичное лечение спасает яйца кальмаров от паразита

Выращивать кальмаров в аквакультуре пытаю...

Animal Behaviour: Собаки лучше свиней реагируют на звуки человека
Animal Behaviour: Собаки лучше свиней реагируют на звуки человека

Способность собак чувствовать боль человека мо...

Ученые СПбГУ: Бактериальные споры способны пережить падение из космоса
Ученые СПбГУ: Бактериальные споры способны пережить падение из космоса

Математики Санкт-Петербургского государственно...

Animal Biotelemetry: Меховые метки улучшат технологию слежения за медведями
Animal Biotelemetry: Меховые метки улучшат технологию слежения за медведями

Благодаря новым приборам для отслеживания...

Nature Ecology & Evolution: Всеобщий предок LUCA оказался старше, чем считалось
Nature Ecology & Evolution: Всеобщий предок LUCA оказался старше, чем считалось

Международная группа исследователей под р...

Frontiers in Veterinary Science: Открыт способ отучить кошек царапать мебель
Frontiers in Veterinary Science: Открыт способ отучить кошек царапать мебель

Многие владельцы кошек сталкиваются с тем...

Ученый объяснил, как планктон выживает в турбулентных потоках
Ученый объяснил, как планктон выживает в турбулентных потоках

Как движутся частицы в турбулентных жидко...

EMBO Reports: Растения-однолюбы находят одного партнера на всю жизнь
EMBO Reports: Растения-однолюбы находят одного партнера на всю жизнь

Группа ученых из Университета Нагоя, Япон...

Frontiers in Bee Science: Жара мешает шмелям полноценно размножаться
Frontiers in Bee Science: Жара мешает шмелям полноценно размножаться

В результате климатического кризиса глобальное...

Journal of the AChemSociety: Синтетика вызывает хаос в первичном бульоне
Journal of the AChemSociety: Синтетика вызывает хаос в первичном бульоне

Наше тело состоит из триллионов различных...

Evolution: Островные летучие мыши одного вида эволюционируют по-разному
Evolution: Островные летучие мыши одного вида эволюционируют по-разному

Исследователь из Мельбурнского университе...

New Phytologist: Сети прожилок на листьях появились 201 млн лет назад
New Phytologist: Сети прожилок на листьях появились 201 млн лет назад

По мнению исследовательской группы под ру...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

В экоиндексе городов Казани не нашлось места в первой тройке
В экоиндексе городов Казани не нашлось места в первой тройке
В Московском Политехе рассказали, как новые технологии меняют облик автомобиля
В Московском Политехе рассказали, как новые технологии меняют облик автомобиля
Новый кампус БФУ станет центром физики высоких технологий
Новый кампус БФУ станет центром физики высоких технологий
PLOS Global Public Health: В США падает потребление сигарет, сахара и опиоидов
PLOS Global Public Health: В США падает потребление сигарет, сахара и опиоидов
Scientific Reports: Создан ультразвуковой настраиваемый ЖК-рассеиватель света
Scientific Reports: Создан ультразвуковой настраиваемый ЖК-рассеиватель света
Раннее слабоумие встречается все чаще — заболеваемость болезнью Альцгеймера растет
Раннее слабоумие встречается все чаще — заболеваемость болезнью Альцгеймера растет
APL Materials: Открыт метод лазерной печати для создания запоминающих устройств
APL Materials: Открыт метод лазерной печати для создания запоминающих устройств
Уникальное наноустройство открывает путь к новым беспроводным каналам связи
Уникальное наноустройство открывает путь к новым беспроводным каналам связи
Химики СПбГУ создали сенсор для определения гистамина по слюне
Химики СПбГУ создали сенсор для определения гистамина по слюне
Пестициды могут повышать риск развития некоторых видов рака, как и курение
Пестициды могут повышать риск развития некоторых видов рака, как и курение
В КФУ создают препарат для лечения ишемии-реперфузии нервной ткани
В КФУ создают препарат для лечения ишемии-реперфузии нервной ткани
JRSSIG: Пик формы легкоатлетов-олимпийцев — чуть меньше 27 лет
JRSSIG: Пик формы легкоатлетов-олимпийцев — чуть меньше 27 лет
Учёные ЛЭТИ создали прототип системы для прогноза осадков и диагностики фруктов
Учёные ЛЭТИ создали прототип системы для прогноза осадков и диагностики фруктов
В России предложили новую классификацию камней в почках по структуре и составу
В России предложили новую классификацию камней в почках по структуре и составу
ACS Nano: Благодаря 3D-печати ученые впервые увидели, как светятся наноструктуры
ACS Nano: Благодаря 3D-печати ученые впервые увидели, как светятся наноструктуры

Новости компаний, релизы

Ученые СПбГУ: остатки самой северной древней саламандры подтвердили наличие сибирского убежища в юрский период
Московский Политех внедряет ИИ для повышения эффективности приемной кампании и трансформации обучения
Президенту Узбекистана презентовали вертолет Ансат
В ВГУВТ будут готовить уникальных специалистов на стыке инженерии и экономики для развития водного транспорта
Больше половины работодателей обращает внимание на навыки работы с ИИ при поиске сотрудников