Физики МГУ сконструировали искусственную мембрану клетки новым способом
Сотрудники кафедры физики полимеров и кристаллов совместно с коллегами из университета Ахена (DWI, RWTH) сконструировали аналог мембраны клетки из особого гребнеобразного полимера с помощью нового технологического процесса, а также исследовали ее свойства с помощью компьютерного моделирования. Полученная мембрана обладала гибкостью и адаптивностью, имела толщину, близкую к биологической клеточной мембране, а также смогла образовать гибридную протоклетку путем слияния с мембранами липосомы и бактерии. Полученный результат открывает новые перспективы в создании искусственной клетки и поможет улучшить метод адресной доставки лекарств.
Уже длительное время ученые занимаются задачей искусственного воссоздания клеточной мембраны. Критериями успешности служит наличие у мембраны следующих свойств: устойчивости к внешним воздействиям, гибкости, толщины, близкой к биологическим мембранам, а также избирательного пропускания за счет встраивания трансмембранных белков. Одной из самых простых подобных структур является липосома — замкнутый в сферу бислой (везикула) из липидов, образующийся в растворе благодаря наличию у липидов гидрофильных и гидрофобных частей. Липосомы часто были тонкими и обладали хорошим пропусканием, но при этом не были достаточно устойчивыми к термическому и механическому воздействию. Тем не менее, до сих пор их исследуют для определенных целей. Еще один способ создать везикулу — использовать диблоксополимеры, состоящие из гидрофильных и гидрофобных блоков. При взаимодействии с раствором они образуют везикулы, которые получили название «полимерсомы». Они были устойчивыми и прочными, однако стенки мембраны получались слишком толстыми и непроницаемыми. Следующим этапом стало создание везикул из янусоподных дендримеров — коротких и ветвистых полимеров. Коллеги из университета Ахена подобрали такой дендример, чтобы полученные везикулы обладали свойствами, наиболее близкими к требуемым. Везикулы назвали «дендримерсомами», они были перспективными для дальнейшего изучения, однако процесс синтеза янусоподных дендримеров был слишком сложен. Недавно ученые придумали новый метод с использованием гребнеобразного полимера, собирающегося в везикулы в растворе и с более простым способом получения.
Сначала в раствор заряженного полимера (полиэлектролит) добавляли противоположно заряженные фосфолипиды, и в результате получался гребнеобразный полимер. Его отличительной особенностью являлось то, что связи между звеньями являются не химическими, как обычно, а физическими (за счет электростатических взаимодействия) — менее сильными, но достаточно прочными. В дальнейшем это позволило полученной визикуле быть более гибкой.
При добавлении полученного полимера в воду образовались везикулы, названные комбисомами (от англ. «comb» — гребень). Такие везикулы обладали устойчивостью, гибкостью и толщиной, близкой к биологической клеточной мембране. Кроме этого, комбисомы оказались способны образовывать гибридную протоклетку путем слияния с мембранами липосомы и бактерии.
Так как исследование микроскопических свойств и внутренней структуры везикул в воде является сложной задачей, ученые обратились к сотрудникам кафедры физики полимеров и кристаллов для выполнения этой задачи с помощью моделирования комбисом.
«Мы моделировали участок мембраны, так как вычисления являются затратными — рассчитывается поведение огромного числа частиц. В результате моделирования на суперкомпьютере Ломоносов-2 мы выяснили, что полиэлектролиты образуют нематический порядок, то есть вытягиваются вдоль поверхности мембраны в прямые стержни. Это вызвано наличием заряда у полиэлектролитов и фосфолипидов. Кроме этого мы выяснили, что упорядоченность липидов во внутренней части мембраны зависит от плотности заряда в полиэлектролите. Это связано с тем, что в последнем плотность заряда меньше, чем в липидах, и чем меньше будет разница в плотности заряда, тем меньше флуктуаций будет в полученной структуре. Моделирование помогло нам лучше понять физику происходящих процессов», — прокомментировал сотрудник лаборатории теории полимерных систем и «мягких» сред, к.ф.-м.н. Петровский Владислав Сергеевич.
Ученые надеются, что достижение комбисомами свойств мембраны реальной клетки приблизит создание полностью искусственной клетки.
Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Science. Ссылка на статью: doi.org/10.1002/advs.202200617.