Изследователи са разработили изкуствени клетки, които могат да произвеждат протеини

Изследователи са създали изкуствени кафези, които могат да създават протеини по същия метод като естествените кафези.

Създадени благодарение на развой, наименуван биокаталитично полимеризационно индуцирано самосглобяване (bioPISA), новите структури могат да се употребяват като микрореактори за ензимни реакции и биоминерализация. В последна сметка тези кафези могат да бъдат от огромно значение за медицината и даже да хвърлят светлина върху загадките на произхода на живота на Земята.

Въпреки забележителния прогрес, реализиран през последните десетилетия, синтезът на изцяло изкуствени кафези е обвързван с редица провокации. В последна сметка даже най-простите едноклетъчни организми се управляват от извънредно комплицирани биомолекулярни процеси. Най-новите достижения в тази област са свързани с изкуствените отсеци, които да вземем за пример направиха допустимо проучването на безклетъчната транскрипция и транслация. Особен интерес измежду учените провокират биомиметичните полимерни компартменти, които се характеризират с висока непоклатимост спрямо другите сглобки. Освен това химическата еластичност на полимерите разрешава основаването на структури с голям брой молекулярни функционалности, като да вземем за пример биоразградимост, пропускливост и реакция на тласъци.

Въпреки това множеството подходи на полимерна основа за основаване на изкуствени кафези се сблъскват със съществени спънки, възпрепятстващи ефикасното капсулиране на функционалните товари. За да се преодолеят тези ограничавания, е създадена техниката на полимеризационно индуцирано самосглобяване (PISA). Тя включва синтез на амфифилни блокови съполимери (с хидрофилни и липофилни мотиви) във водни разтвори посредством полимеризация на водоразтворим мономер в неразтворим блок. По-конкретно, в началния стадий на полимеризацията съполимерът към момента е разтворим във вода. След това, когато хидрофобният блок доближи избрана дължина, съполимерите стартират да се самосглобяват, с цел да понижат съотношението сред хидрофилните и хидрофобните съставни елементи. Морфологията на съединените структури се трансформира в мицели, а по-късно във везикули, което разрешава дейно капсулиране.

Въпреки биосъвместимостта си обаче методът PISA към момента има ограничавания, когато става въпрос за включване на биологични молекули в полимерните отсеци. Така да вземем за пример изискванията на иницииране могат евентуално да нарушат целостта на най-чувствителните молекули. Специалистите от университетите в Дармщат и Стратклайд считат, че техниката bioPISA, създадена в новото им проучване (публикувано в Nature Chemistry), може да направи по този начин, че тези дефекти да бъдат преодолени. В изследователския екип вземат участие и учени от университетите във Фрибург и Базел, както и от Института „ Адолф Меркле “ в Швейцария.

Наред с другото, BioPISA разрешава синтезът и самосглобяването на полимери благодарение на PISA да се комбинират с биологични или биомиметични процеси. „ Нашето проучване запълва значима празнота в синтетичната биология, като съчетава света на синтетичните материали с ензимните процеси за основаване на комплицирани изкуствени кафези, тъкмо както същинските кафези “, изяснява в прессъобщение водещият създател на проучването Андреа Белуати от Университета в Стратклайд, Шотландия. „ Това открива нови хоризонти в основаването на изкуствени кафези, които са освен структурно сходни на биологичните кафези, само че и функционално сходни с тях “, добавя той.

Изкуствените кафези, настоящи като микрореактори

Методът bioPISA се основава на ензимната атомно-трансферна радикална полимеризация (ATRP). Катализаторите на bioATRP са хем ензими (кофактор, съдържащ железен атом), като да вземем за пример пероксидазата на хряна, хемоглобина, каталазата и медсъдържащата лаказа.

„ Ензимната радикална полимеризация е ключът към основаването на тези изкуствени кафези. Ензимите синтезират самосглобяващи се полимери, а полимеризацията капсулира полимери с нано- и микроразмери “, изяснява съавторът на проучването Николас Брунс от Университета в Стратклайд и Дармщат. „ Това е доста елементарен, само че ефикасен метод за произвеждане на изкуствени кафези “, споделя той.

За да се синтезират изкуствени кафези, новият способ разчита на потреблението на миоглобин, който провокира синтез на блокове от амфифилни съполимери, които се самосглобяват в мицели и великански униламеларни везикули (GUVs). Миоглобинът е определен за биокатализатор, защото е дребен и постоянен протеин, кадърен да действа при релативно неутрално рН. За разлика от него хемоглобинът изисква киселинно рН, с цел да придобие сходни свойства, което не постоянно е от биологично значение.

По време на полимеризацията получените GUV са в положение сполучливо да капсулират товароносители с разтворимо наличие (т.е. цитозол) на бактериални кафези, в това число ензими, наночастици, микрочастици, плазмиди и клетъчен лизат. Получените изкуствени кафези се употребяват като микрореактори за ензимните реакции и биоминерализацията (подобно на остеобластите).

Освен това те са способни да експресират флуоресцентни протеини и актин при прибавяне на аминокиселини. Освен това, като полимеризира в клетките, актинът трансформира структурата им, създавайки вътрешни подчасти и образувайки структури, наподобяващи цитоскелет. Това допуска, че тези кафези могат да имитират естествените бактерии, защото се състоят от микроскопични реакционни отделения, съдържащи информация за експресията на протеините.

Тези резултати освен допускат, че експресията на протеини имитира реакциите, които управляват главните свойства на живите кафези, само че и акцентират капацитета на тези изкуствени кафези в приложения, вариращи от използване на медикаменти до тъканно инженерство, да не приказваме за разбирането на произхода на живота. В близко бъдеще откривателите възнамеряват да проучат експресията на тези протеини за катализиране на други полимеризации, с цел да имитират растежа и репликацията на естествените кафези.

Създаването на изкуствени кафези, които могат да създават протеини сигурно ще докара до напълно нов вид открития и е в положение да направи гражданска война в медицината.