Вчені розробили штучні клітинно-подібні структури з використанням неорганічної речовини, які автономно поглинають, обробляють і виштовхують матеріал, відтворюючи важливу функцію живих клітин. Їхня стаття, опублікована в журналі Nature, є планом створення «імітаторів клітин» з потенційними додатками, починаючи від доставки ліків і закінчуючи наукою про навколишнє середовище.
Фундаментальна функція живих клітин - це їх здатність збирати енергію з навколишнього середовища, щоб закачувати молекули в свої системи і видаляти з них. Коли енергія використовується для переміщення цих молекул з областей з більш низькою концентрацією в області з більш високою концентрацією, цей процес називається активним переносом. Активне перенесення дозволяє клітинам приймати необхідні молекули, такі як глюкоза або амінокислоти, накопичувати енергію і витягувати відходи.
Протягом десятиліть вчені працювали над створенням штучних клітин - сконструйованих мікроскопічних структур, що імітують особливості і поведінку біологічних клітин. Але ці імітатори клітин, як правило, не були здатні виконувати складні клітинні процеси, такі як активне перенесення.
Тепер вчені описують новий, повністю синтетичний імітатор клітин, який став на один крок ближче до відтворення функції живих клітин. При розгортанні в суміші різних частинок імітатори клітин можуть виконувати активні завдання, автономно вловлюючи, концентруючи, зберігаючи і доставляючи мікроскопічні вантажі. Ці штучні клітини виготовляються з використанням мінімальної кількості інгредієнтів і не запозичують біологічні матеріали.
Щоб створити імітацію клітин, дослідники створили сферичну мембрану розміром з еритроцит, використовуючи полімер, що замінює клітинну мембрану, яка контролює те, що входить і виходить з клітини. Вони виконали мікроскопічний отвір у сферичній мембрані, створивши наноканал, через який можна обмінюватися речовиною, імітуючи білковий канал клітини.
Але для того, щоб виконувати завдання, необхідні для активного перенесення, імітаторам клітин потрібен був механізм, який приводив у дію клітинну структуру, щоб втягувати і витісняти матеріал.
У живій клітці мітохондрії та АТФ забезпечують необхідну енергію для активного перенесення. В імітації клітини дослідники додали хімічно активний компонент всередину наноканалу, який при активації світлом діє як насос. Коли світло потрапляє на насос, воно запускає хімічну реакцію, перетворюючи насос на крихітний вакуум і втягуючи вантаж у мембрану. Коли насос вимкнений, вантаж захоплюється і обробляється всередині імітатора комірки. А коли хімічна реакція зворотна, вантаж виштовхується на вимогу.
«Наша концепція дозволяє цим штучним імітаторам клітин працювати автономно і виконувати активні завдання, які досі були обмежені царством живих клітин», - говорить Стефано Саканна, доцент хімії Нью-Йоркського університету і провідний автор дослідження. «В основі конструкції клітинної структури лежить синергія між активним елементом, який живить її зсередини, і фізичними обмеженнями, що накладаються клітинними стінками, що дозволяють їм поглинати, обробляти і виганяти чужорідні тіла».
Дослідники протестували імітацію клітин у різних середовищах. В одному експерименті вони помістили імітатори клітин у воді, активували їх світлом і спостерігали, як вони поглинають частинки або домішки з навколишньої води, що ілюструє потенційне застосування для очищення води від мікроскопічних забруднювачів.
В іншому експерименті вчені продемонстрували, що імітатори клітин можуть заковтувати бактерії E. coli і зберігати їх всередині мембрани, потенційно пропонуючи новий метод боротьби з бактеріями в організмі. Іншим майбутнім застосуванням імітаторів клітин може бути доставка ліків, враховуючи, що вони можуть вивільняти попередньо завантажену речовину при активації.
Дослідники продовжать розробляти і вивчати імітатори клітин, у тому числі створювати такі, які виконують різні завдання і вивчають, як різні типи взаємодіють один з одним.