Искусственные клетки превращают тепло в химический сигнал

Искусственные клетки конструируют таким образом, чтобы они походили на биологические клетки по форме, функциям и поведению. Их используют как упрощенные модели, которые помогают понять строение клеток, но в будущем их можно будет применять для целей биомедицины и биотехнологии. Искусственным клеткам намного легче, чем природным, придать нужные черты. С другой стороны, мы пока не можем повторить всю метаболическую, регуляторную и поведенческую сложность биологических клеток. Но можно попробовать объединить эти два элемента в одну систему. Трудность в том, что для этого искусственная и природная клетки должны «общаться». Попытки решить эту проблему уже предпринимались, но в основном с использованием химических сигналов. Исследователи из Имперского колледжа Лондона обратили внимание физические стимулы.

Авторы создали два вида искусственных клеток на основе везикул — чувствительные к освещению и чувствительные к температуре. В первом случае везикулы получили с помощью липида, способного к фотополимеризации. Под действием света липид образует в мембране искусственной клетки поры, выпуская ее содержимое наружу. Для создания термочувствительной клетки использовали липид с температурой плавления около 41,5°C. При небольшом нагреве мембрана клетки становится более проницаемой, и содержимое выходит наружу. Ранее такие системы уже использовали для доставки лекарств против рака.

В качестве сигнальных молекул для активируемой светом системы выбрали изопропил-β-d-1-тиогалактопиранозид (IPTG) — высокостабильный аналог лактозы. Он активирует lac-оперон Escherichia coli, что, в свою очередь, активирует выработку желтого флуоресцентного белка (YFP). YFP вырабатывается, когда IPTG выходит из искусственной клетки. Если не освещать везикулы, то около 43% клеток E. coli экспрессируют YFP, после освещения это число удваивается (85%). Искусственные клетки оставались стабильными в питательной среде во время инкубации.

Однако свет плохо проникает в ткани и слабнет в жидкостях. С этой точки зрения тепло использовать легче. Так что управляемы температурой искусственные клетки могут найти применение, если необходимо их активировать в глубине тканей.

Термочувствительные искусственные клетки содержали рамнозу. При повышении температуры рамноза выходит наружу и активирует промотор, контролирующий экспрессию зеленого флуоресцентного белка в клетках E. coli. Экспрессия белка повышалась в 1,4 и 1,3 раза при нагревании ex situ и in situ. Результат можно улучшить, модифицируя раствор, в котором находятся клетки.

Также авторы охарактеризовали, как искусственная клетка выпускает свой груз под действием стимула. Так, они показали, что искусственная клетка при этом не разрушается. Однако клетки, активируемые светом, нельзя нагревать до физиологических температур, потому что это также заставляет их выпускать груз.

Авторы говорят, что они создали универсальную платформу, где искусственные клетки действуют как передатчик, конвертирующий физические стимулы в химические, на которые клетка уже может ответить. Потенциально платформу можно применить и для стимулов другой природы. При этом природную клетку не нужно генетически модифицировать, так как элементы, отвечающие на физические стимулы, вынесены в искусственную клетку. Также авторы считают, что их платформа в будущем поспособствует созданию искусственных органелл.

Синтетические клетки научились подавать сигналы природным клеткам