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.