Новий рівень біохакінгу: сконструйовано штучні клітини з ДНК-пептидними цитоскелетами

На відміну від ригідного скелету людини, скелети окремих клітин нашого організму — цитоскелети — мінливі. І коли ці цитоскелети реорганізуються, вони не просто підтримують форму клітини, а й дозволяють виконувати їй різні функції.

Вчені, які спеціалізуються на створенні штучних клітин, сподіваються сконструювати синтетичні цитоскелети, які будуть повністю імітувати поведінки природних.

Синтетичні цитоскелети складаються з таких будівельних блоків, як полімери, малі молекули, вуглецеві нанотрубки, пептиди та нанонитки ДНК – здебільшого останніх. При цьому нанонитки ДНК важко налаштувати, і, щоб вирішити цю проблему, вчені з Університету Північної Кароліни в Чапел-Хілл (UNC Chapel Hill) застосували ДНК-пептидні нанотехнології.

Свої досягнення вони описали у статті під назвою «Дизайн ДНК-пептидних цитоскелетів, регулюючих функцію синтетичних клітин», яка була опублікована у Nature Chemistry.

Нова архітектура клітини

У публікації підкреслюється, що висхідна інженерія штучних клітин вимагає «цитоскелета, який можна реконфігурувати, який може організовуватися в різних місцях і динамічно модулювати свої структурні та механічні властивості». І, як впевнені автори, прогрес у цьому напрямку забезпечить підхід «пептид-ДНК».

«Надихнувшись білками, що зв’язують актин, ми розробили зшивачі ДНК+пептид зі змінною послідовністю, довжиною, валентністю та геометрією… Ниткоподібні пептиди, з’єднані за допомогою гібридизації ДНК, утворюють пучки з формою тактоїду (сферичне або веретеноподібне тіло) та мережі з регульованими співвідношенням сторін і механікою. При обмеженні краплями типу «вода в маслі» розміром з клітину дискретні структури змушені просторово локалізуватися в кортексі або просвіті, залежно від атрибутів зшиваючого агента, а ступінь його зв’язування налаштовує рухливість внутрішньокраплинного вмісту — від водноподібного до фіксованого», — пояснюють розробники синтетичних клітин, а радше їхніх прототипів.

Абсолютно синтетичні

Таким чином лабораторія UNC Chapel Hill створила клітини з функціональними цитоскелетами, які можуть змінювати форму та реагувати на оточення – й це вдалося реалізувати без використання природних білків.

Натомість розробники пропонують нову технологію, яка змушує пептиди та перепрофільований генетичний матеріал взаємодіяти таким чином, щоб формувати функціональні цитоскелети, котрі можуть змінювати форму та реагувати на навколишнє середовище.

«ДНК зазвичай не фігурує в цитоскелеті. Ми перепрограмували послідовності ДНК так, щоб вони діяли як архітектурний матеріал, зв’язуючи пептиди разом. Коли ми помістили цей запрограмований матеріал в краплю води, структури набули форми», — розповіли дослідники.

Здатність програмувати ДНК таким чином відкриває можливість для створення клітин, запрограмованих на виконання певних функцій. Це навіть дозволить точно налаштовувати реакцію клітини на зовнішні стресори.

Апгрейд біології

Хоча живі клітини складніші, ніж синтетичні, створені лабораторією UNC Chapel Hill, вони також більш непередбачувані та чутливіші до агресивних середовищ, в т.ч. високих температур. Синтетичні ж клітини були стабільними навіть при 50°C – а це доводить потенційну можливість для створення клітин з надзвичайними властивостями, здатними функціонувати в середовищах, зазвичай непридатних для життя.

«Це допомагає нам зрозуміти, що створює життя. Технологія синтетичних клітин не тільки дозволить нам відтворювати те, що робить природа, але й створювати матеріали, які перевершують біологію», — впевнені автори винаходу.