Тик-так: ученые создают светящиеся искусственные клетки с 24-часовыми механизмами
Синтетические клетки, которые светятся каждые сутки, теперь существуют в лаборатории. Они повторяют поведение настоящих биологических часов, используя минимальный набор компонентов. Эксперимент помогает выяснить, от чего зависит точность суточных ритмов в клетках. Это важно для понимания сна, метаболизма и в целом синхронизации организма. Технология может стать основой для будущих биомашин и лекарств со встроенным таймером.
Полина ТихоноваАвтор Hi-Tech Mail
Ученые из Калифорнийского университета в Мерседе разработали синтетические микрообъекты, способные светиться и работать по суточному ритму. Эти миниатюрные капсулы ведут себя как настоящие биологические часы — излучают свет каждые 24 ч. высокой точностью. Разработка позволяет наблюдать работу внутренних таймеров в упрощенной форме и изучать, как организмы поддерживают ритм в условиях биохимического шума.
Исследователи воссоздали основные элементы часов, которые есть у цианобактерий, внутри липидных пузырей, внешне похожих на клетки. Такие структуры называют везикулами. Один из ключевых белков, участвующих в работе хронометра, был помечен флуоресцентным маркером, чтобы можно было наблюдать его активность через микроскоп. Благодаря этому исследователи с легкостью фиксировали ритмичные вспышки света, которые происходили каждые сутки. В стабильных условиях эти циклы продолжались несколько дней. Но если размер капсулы уменьшался или внутренняя концентрация белковых компонентов снижалась, процесс переставал быть устойчивым. Причем сбои происходили по определенной закономерности, что дало представление о механизме нарушения тайминга.
Конструкция синтетических систем включала три основных белка, характерных для часов цианобактерий: KaiA, KaiB и KaiC. Эти молекулы взаимодействуют по сложной схеме, в которой один элемент запускает фосфорилирование другого, а затем цикл повторяется. Весь биомеханизм запускает и останавливает реакцию с заданной периодичностью. Чтобы добиться синхронности, исследователи подобрали точное соотношение компонентов, концентрацию АТФ — главного источника энергии — и параметры среды. Внутри везикул происходили согласованные автоматические колебания, близкие к тем, что происходят в живых клетках.
Математическая модель, построенная на основе наблюдений, показала: чем больше молекул участвует в цикле, тем надежнее таймер. Вот почему живые организмы часто производят с запасом такие белки — так они компенсируют нестабильность среды. Модель также выявила, что некоторые генетические элементы, которые в одиночной клетке почти не влияют на ритм, играют важную роль в синхронизации между их множеством.
Система позволяет моделировать работу биологических часов в контролируемых условиях. Это открывает дорогу к созданию биомеханизмов, способных функционировать автономно, в том числе в области доставки лекарств, биосенсоров и даже «живых» машин, которые будут реагировать на внешние сигналы — свет, температуру или химические изменения.
Проект стал возможен благодаря поддержке Национального научного фонда США, Министерства обороны и Центра клеточных и биомолекулярных машин. Исследование опубликовано в Nature Communications и приближает нас к созданию полноценной искусственной жизни, которой можно управлять по точному биологическому расписанию.
Ранее мы писали о том, что ученые обнаружили главный рецептор для самоочищения мозга.
Поделиться
