Ученые всего мира работают над созданием искусственных клеточно-подобных систем, имитирующих поведение живых организмов. Фридрих Зиммель и Аврора Дюпен впервые 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 Мюнхен.
Экспрессия генов в фиксированной структуре
Гели или капли эмульсии, заключенные в тонкие жировые или полимерные мембраны, служат основными строительными блоками для искусственных клеток. Внутри этих блоков размером от 10 до 100 микрон химические и биохимические реакции могут протекать беспрепятственно.
Исследовательская группа использовала капли, заключенные в липидные мембраны, и собрала их в искусственные многоклеточные структуры, называемые «микротканями»."Растворы для биохимических реакций, используемые в каплях, могут производить РНК и белки, что придает клеткам своего рода способность к экспрессии генов.
Обмен сигналами и пространственная дифференциация клеток
Но это еще не все: небольшие «сигнальные молекулы» могут передаваться между клетками через их мембраны или белковые каналы, встроенные в мембраны. Это позволяет им временно и пространственно соединяться друг с другом.
Таким образом, системы становятся динамичными – как в реальной жизни.
Таким образом, химические импульсы распространяются через клеточные структуры и передают информацию. Сигналы также могут действовать как триггеры, 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 посредством химических сигналов. Таким образом, мы достигли определенной формы пространственной дифференциации », – говорит Зиммель.
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 возможны только после того, как клетки начали специализироваться и распределять работу между взаимодействующими клетками. Как это произошло – один из самых интересных вопросов фундаментальных исследований.
Используя модульный конструктор специально созданных клеточных систем, исследователи надеются смоделировать различные свойства биологических систем в будущем. 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 как мини-фабрики для производства определенных биомолекул или как крошечные датчики микророботов, которые обрабатывают информацию и адаптируются к окружающей среде.
Клетки из 3-D принтера
Фридрих Зиммель и Аврора Дюпен до сих пор собирают свои клеточные системы вручную с помощью микроманипуляторов. Однако в будущем они планируют сотрудничать с Мюнхенским университетом прикладных наук, например, для систематического создания более крупных и более реалистичных систем с использованием технологии трехмерной печати.
Эта работа финансировалась Европейским исследовательским советом и DFG Cluster of Excellence Nanosystems Initiative Munich (NIM). Аврора Дюпен была поддержана исследовательской группой DFG «Химические основы синтетической биологии»."