Искусственные клетки, созданные в Калифорнийском университете в Мерседе, пульсируют в идеальном 24-часовом ритме, как и настоящие.
Исследование проливает свет на то, как биологические часы работают по графику.
Калифорнийский университет в Мерседе
В ходе революционного слияния биологии и инженерии ученым удалось создать синтетические клетки, имитирующие работу внутренних часов природы.
Исследователи из Калифорнийского университета в Мерседе создали крошечные искусственные везикулы, которые пульсировали в устойчивом 24-часовом ритме, что отражает циркадные ритмы, управляющие сном, обменом веществ и другими важными процессами в живых организмах.
Результаты исследования группы показывают, как биологические часы могут оставаться удивительно стабильными даже в шумной, изменчивой среде внутри клеток.
Исследованием руководили профессор биоинженерии Ананд Бала Субраманиам и профессор химии и биохимии Энди ЛиВанг, первым автором выступил аспирант Александр Чжан Ту Ли.
Крошечные клетки, гигантский ритм
Чтобы понять, что обеспечивает такую точность биологических часов, учёные воссоздали часовой механизм цианобактерий внутри упрощённых везикул, напоминающих клетки. Один из основных белков был помечен флуоресцентным маркером, благодаря чему искусственные клетки начали светиться в соответствии с суточным ритмом.
Ученые обнаружили, что свечение сохранялось по меньшей мере четыре дня, но только при определенных условиях.
При уменьшении размера везикул или уменьшении количества часовых белков в них ритм нарушался. Важно отметить, что этот сбой происходил по воспроизводимой схеме, что позволяет понять, что обеспечивает бесперебойную работу циркадных систем.
Чтобы копнуть глубже, исследователи построили вычислительную модель, которая имитировала поведение искусственных часов в различных условиях.
Модель показала, что стабильность часов улучшается при более высокой концентрации белков, что позволяет предположить, почему организмы могут запасать большие количества этих молекул для надежного поддержания времени.
«Это исследование показывает, что мы можем анализировать и понимать основные принципы биологического хронометража, используя упрощенные синтетические системы», — сказал Субраманиам.
Синхронизированный, взломанный и закодированный
Модель также пролила свет на синхронизацию. Было обнаружено, что, хотя некоторые генетические компоненты, в частности, те, которые отвечают за включение и выключение генов, не являются необходимыми для поддержания времени в отдельной клетке, они играют важнейшую роль в синхронизации часов в более крупной популяции клеток.
«Циркадные часы цианобактерий основаны на медленных биохимических реакциях, которые по своей природе являются шумными, и было высказано предположение, что для смягчения этих шумов необходимо большое количество часовых белков», — сказал Минсюй Фан, профессор микробиологии в Университете штата Огайо, который не принимал участия в исследовании.
В этом новом исследовании представлен метод наблюдения за реконструированными часовыми реакциями внутри везикул изменяемого размера, имитирующих размеры клетки. Этот мощный инструмент позволяет напрямую исследовать, как и почему организмы с разными размерами клеток могут использовать разные стратегии синхронизации, тем самым углубляя наше понимание биологических механизмов хронометража у разных форм жизни.
Исследование не только позволяет понять, как клетки управляют временем, но и открывает новые возможности в области синтетической биологии.
Возможность конструировать искусственные системы с надежными внутренними часами может иметь далеко идущие приложения — от разработки саморегулирующихся терапевтических средств, высвобождающих лекарства по заданному графику, до создания биологических машин, работающих синхронно или реагирующих на внешние сигналы, такие как свет или температура.
Исследование было поддержано грантом CAREER Национального научного фонда Субраманиама и грантами Национальных институтов здравоохранения и Управления армейских исследований, предоставленными Ли Вану. Дополнительную поддержку оказал Центр клеточных и биомолекулярных машин CREST Национального научного фонда (NSF) при Калифорнийском университете в Мерседе.
Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале Nature Communications.
Sourse: interestingengineering.com
