Фридрих Зиммель и Авроре Дюпин, исследователи из Технического университета Мюнхена (TUM), впервые создали искусственные сборки клеток, которые могут связываться друг с другом. Клетки, разделенные жировыми мембранами, обмениваются небольшими химическими сигнальными молекулами, чтобы вызвать более сложные реакции, такие как производство РНК и других белков.
Ученые всего мира работают над созданием искусственных клеточных систем, которые имитируют поведение живых организмов. Фридрих Зиммель и Авроре Дюпин создали такие искусственные сборки клеток в фиксированном пространственном расположении . Изюминкой является то, что клетки могут общаться друг с другом.
«Наша система — это первый шаг к тканеподобным синтетическим биологическим материалам, которые демонстрируют сложное пространственное и временное поведение, в котором отдельные клетки специализируются и дифференцируются, в отличие от биологических организмов», — объясняет Фридрих Зиммель, профессор физики синтетических биосистем (E14) в ТУ Мюнхена.
Экспрессия гена в фиксированной структуре
Гели или капли эмульсии, заключенные в тонкие жировые или полимерные мембраны, служат основными строительными блоками для искусственных клеток. Внутри этих 10-100-микронных единиц химические и биохимические реакции могут протекать без тормозов.
Исследовательская группа использовала капли, заключенные в липидные мембраны, и собирала их в искусственные многоклеточные структуры, называемые микротканями. Биохимические реакционные растворы, используемые в каплях, могут продуцировать РНК и белки, придавая клеткам некую способность к экспрессии генов.
Обмен сигналами и пространственная дифференциация клеток
Но это еще не все: небольшие сигнальные молекулы могут обмениваться между клетками через их мембраны или белковые каналы, встроенные в мембраны. Это позволяет им соединяться друг с другом временно и пространственно. Таким образом, системы становятся динамичными, как в реальной жизни.
Таким образом, химические импульсы распространяются через клеточные структуры и передают информацию. Сигналы также могут выступать в качестве триггеров, позволяя изначально идентичным клеткам развиваться по-разному. «Наша система является первым примером многоклеточной системы, в которой искусственные клетки с экспрессией генов имеют фиксированное расположение и связаны химическими сигналами. Таким образом, мы достигли формы пространственной дифференциации», — говорит Симмель.
Модели, мини-фабрики и микросенсоры
Разработка таких синтетических систем важна, поскольку они позволяют ученым исследовать фундаментальные вопросы о происхождении жизни в модели. Сложные организмы стали возможными только после того, как клетки начали специализироваться и распределять работу между взаимодействующими клетками. Как это произошло, является одним из самых интересных вопросов в фундаментальных исследованиях.
Используя модульную конструкцию набора индивидуальных клеточных систем, исследователи надеются в будущем смоделировать различные свойства биологических систем. Идея состоит в том, что клетки реагируют на окружающую среду и учатся действовать независимо.
Первые приложения уже на горизонте: в долгосрочной перспективе сборки искусственных клеток могут быть развернуты в виде мини-заводов для производства определенных биомолекул или в виде крошечных микро-роботизированных датчиков, которые обрабатывают информацию и адаптируются к окружающей среде.
Клетки от 3-D принтера
Фридрих Зиммель и Авроре Дюпен все еще собирают свои клеточные системы вручную, используя микроманипуляторы. Однако в будущем они планируют сотрудничать с Мюнхенским университетом прикладных наук, например, для систематического создания более крупных и реалистичных систем с использованием технологии 3-D печати.
