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

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...

Science: Облик будущих партнеров запечатлен у бабочек Heliconius в генах
Science: Облик будущих партнеров запечатлен у бабочек Heliconius в генах

Тропические бабочки Heliconius хорошо известны...

Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды

В новом исследовании неврологи показали, как&n...

Ecology: Японские медведи в поисках пищи разоряют лесопосадки
Ecology: Японские медведи в поисках пищи разоряют лесопосадки

Бурые медведи, добывающие пищу на полуост...

Nature: Стволовые клетки растений подскажут, как развивается рак
Nature: Стволовые клетки растений подскажут, как развивается рак

Крошечный корень растения толщиной не бол...

Animal Behaviour: Козы по голосу определяют, злой хозяин или добрый
Animal Behaviour: Козы по голосу определяют, злой хозяин или добрый

Козы могут отличить счастливого человека от&nb...

Current Biology: Сумчатая мышь из Австралии жертвует сном ради секса
Current Biology: Сумчатая мышь из Австралии жертвует сном ради секса

Всем живым существам необходим сон. Когда люди...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Высокоточные измерения ставят под сомнение наше понимание Цефеид
Высокоточные измерения ставят под сомнение наше понимание Цефеид
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Останется ли магний снотворным для кузнечиков в результате потепления?
Останется ли магний снотворным для кузнечиков в результате потепления?
APA: Молодые сотрудники чаще остальных страдают на работе от одиночества
APA: Молодые сотрудники чаще остальных страдают на работе от одиночества
Front. Aging Neurosci: Поведение в новом пространстве может подсветить деменцию
Front. Aging Neurosci: Поведение в новом пространстве может подсветить деменцию
JACS: Инфракрасное облучение заставляет атомы «танцевать румбу»
JACS: Инфракрасное облучение заставляет атомы «танцевать румбу»
С расстройствами пищевого поведения можно бороться силой мысли
С расстройствами пищевого поведения можно бороться силой мысли
Диспаритет женских и мужских карьер в STEM связан с женской мнительностью
Диспаритет женских и мужских карьер в STEM связан с женской мнительностью
Телескоп Уэбб снял столкновение астероидов в соседней звездной системе
Телескоп Уэбб снял столкновение астероидов в соседней звездной системе
EHJ-CI: Нарушенный кровоток может повредить стенку расширенной аорты
EHJ-CI: Нарушенный кровоток может повредить стенку расширенной аорты
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Journal of Experimental Psychology: General: Мы переоцениваем пользу неудачи
Journal of Experimental Psychology: General: Мы переоцениваем пользу неудачи
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным

Новости компаний, релизы

Московский Политех внедряет ИИ для повышения эффективности приемной кампании и трансформации обучения
Астрономы СПбГУ узнали возраст одного из самых мощных метеорных потоков
Исследования ученых ТПУ помогут в разработке таргетных препаратов для эффективной терапии в онкологии
Зоологи выявили тенденцию к увеличению числа защитных роговых элементов на панцире морских черепах на острове Шри-Ланка
Российские ученые нашли способ повысить урожайность подсолнечника на 43% с помощью нового серосодержащего удобрения