Из коацерватных капель и бактерий собрали протоклетку

Амбициозная цель синтетической биологии — конструирование искусственных клеток «снизу вверх», из простейших компонентов. Такие проекты есть в Нидерландах, США, Евросоюзе. Но чтобы заменить инертные капсулы, в которых иммобилизованы ферменты, живыми или подобными живым клетками, необходимо не только «собрать» ферментативные цепи и репликативный аппарат, но и сконструировать структурные компоненты клетки и обеспечить связь между ними.

Исследователи из Великобритании, Китая и Франции решили конструкционную проблему, поместив фрагменты разрушенных бактериальных клеток в синтетический каркас. Этот каркас они назвали «коацерватными микрокаплями». Российским любителям науки этот термин знаком по гипотезе А.И. Опарина о биогенезе: коацерваты — лишенные мембран капли плотной жидкой фазы, которые образуются и самопроизвольно отделяются от водных растворов. У авторов новой работы коацерваты содержали синтетический полимер поли(диаллилдиметиламмония хлорид) (ПДДА) и АТФ.

Капли диаметром  5–30 мкм использовали для захвата двух видов бактерий: кишечная палочка Escherichia coli локализовались внутри капель, синегнойная палочка Pseudomonas aeruginosa (штамм PAO1) — на поверхности. Затем бактерии лизировали с помощью гидролазы клеточной стенки (лизоцим) и противомикробного пептида (мелиттин). Получились искусственные клетки — коацерватные капли, покрытые мембраной PAO1 и содержащие внутри активные ферменты, механизмы белкового синтеза, заполненные водой вакуоли, также одетые мембраной PAO1, и бактериальные ДНК-геномы (плазмиды). Типирование белков методом жидкостной хроматографии — масс-спектрометрии показало, что протоклетки сохранили 2237 бактериальных белков, или примерно 83% объединенной библиотеки.

Авторы продемонстрировали, что протоклетка способна осуществлять транскрипцию и трансляцию, то есть производить небольшие количества белка, а также генерировать АТФ за счет гликолиза.

В естественных клетках, помимо мембранных органелл, есть безмембранные компоненты, возникшие благодаря фазовому разделению жидкость-жидкость. Они участвуют в метаболизме РНК, биогенезе рибосом, реакции на повреждение ДНК, передаче сигналов. Авторы подтвердили, что субклеточная организация может быть достигнута и в коацерватной протоклетке. С помощью ферментов они расщепили на короткие нити бактериальную ДНК  в «цитоплазме» своих искусственных клеток, затем добавили отрицательно заряженный полимер (карбоксиметилдекстран) и гистоны — белки, с которыми ДНК связана в ядре. Фрагменты с гистонами ДНК сконденсировались в ядроподобную структуру. Возможно, в живых клетках ДНК компартментализуется сходным образом. Конечно, ядро в искусственных клетках нефункционально, но авторы предполагают, что функции могут быть приобретены в дальнейшем.

Не решена задача по делению и изменению формы искусственной клетки. Многие исследовательские группы над ней работают, используя белки цитоскелета, которые придают форму естественным клеткам, отвечают за их движение и деление. Изменять форму коацерватов таким образом сложно, но авторы сделали шаг в этом направлении. Актин, один из основных белков цитоскелета, полимеризовался и образовывал сети в «цитоплазме» искусственных клеток, однако они остались округлыми. Что интересно, когда авторы поместили живые бактерии внутрь коацерватов, искусственные клетки стали асимметричными, похожими на амеб.

Живые клетки E. coli авторы имплантировали в свои конструкции для обеспечения энергией. Бактерии выполняли роль митохондрий — производили АТФ и секретировали ее вовне, в «цитоплазму». (Как известно, митохондрии современных клеток произошли от симбиотических альфа-протеобактерий.) Обычно искусственная клетка захватывала от 10 до 50 бактериальных клеток. Многие из них оставались жизнеспособными после захвата в течение 3 часов. Выработку АТФ стимулировали добавлением глюкозы. Это решение продлило ферментивную активность. экспрессию генов и повысило уровень полимеризации актина в конструкции

Такой подход еще нельзя назвать построением клетки «с уровня пола»: бактериальные клетки, использованные в качестве стройматериалов, сами по себе сложны и недостаточно понятны. Геном «минимальной клетки», которую получили сотрудники Крейга Вентера в 2016 году, все еще содержал около трети генов, чьи функции были неизвестны и тем не менее необходимы. Чтобы построить полностью управляемую искусственную клетку, необходимо понять, как все ее компоненты взаимодействуют друг с другом. Тем не менее новая работа демонстрирует дополнительную «степень свободы» для синтетической биологии.

Ранее уже предпринимались попытки создания искусственных клеток на основе живых клеток или клеточных компонентов, но такой радикальный подход использован впервые. Авторы предполагают, что коацерватная платформа позволит объединять самые разнообразные функции бактериальных клеток. Например, имплантация в протоклетки живых фотосинтезирующих или сульфатредуцирующих бактерий поможет создать бионические системы, способную существовать за счет света или хемосинтеза в анаэробных условиях. Можно также представить протоклеточную систему, где бактериальная биолюминесценция обеспечивает энергией света фотосинтезирующие бактерии, а те в свою очередь снабжают углеводами и кислородом «митохондрии» из клеток E. coli.

Это исследование в очередной раз заставляет задуматься о том, что такое жизнь, замечает Эми Евдал из Университета Неймегена (Нидерланды). Ученые определяют живые существа как обладающие определенными характеристиками: клеточная и субклеточная компартментализация, метаболизм, способность хранить и обрабатывать информацию, регенерация и т.д. Существуют искусственные клетки, воспроизводящие некоторые из этих признаков. Но если жизнь — это эмерджентное свойство (такое, которое появляется у системы в целом и не присуще ее отдельным элементам), то искусственная клетка не станет живой, пока не объединит все необходимые свойства живого. Возможно, коацерватная платформа позволит достичь такого результата.

Синтетические клетки научились подавать сигналы природным клеткам

Созданы органеллы для синтеза белка с неканоническими аминокислотами

Немецкие ученые создали зеркальную версию ДНК-лигазы из D-аминокислот

Синтетический геном подтвердил способность к самовоспроизведению