Исследователи из Университета Бристоля выяснили, каким образом наноразмерные частицы оксида кремния могут использоваться для дизайна и создания искусственных протоклеток в лабораторных условиях.

Клетки являются элементарными единицами строения и жизнедеятельности практически всех организмов (кроме вирусов), обладающими собственным обменом веществ, способные к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. Клетки отделены от внешнего мира тонкой мембраной из органических соединений.

Основная функция такой мембраны заключается в том, что она пропускает определенные вещества внутрь клетки, в то же время, не допуская в клетку веществ, которые могут оказаться опасными для обмена веществ.

Это обстоятельство позволяет процессам обмена веществ протекать с высокой селективностью и эффективностью.

Таким образом, одной из наиболее сложных задач, которые приходится решать при создании искусственных клеток – закрытых химических систем, является контроль проницаемости мембраны такой модели клетки.

Эта задача становится в разы сложнее, если мы пытаемся создать клеточную мембрану из простых неорганических компонентов.

Рис. 1. Химическая сборка диспергируемых
в воде неорганических микроотделений с
самоактивируемой проницаемостью мембраны.
(Рисунок из Nature Chemistry, 2013, DOI: 10.1038/nchem.1644).

Исследователи из группы профессора Стефана Манна (Stephen Mann) нашли, как решить эту задачу – они привили тонкий слой полимера к внешней поверхности искусственных неорганических протоклеток, построенных из наночастиц оксида кремния.

В отсутствие такого полимерного слоя низкомолекулярные соединения без проблем попадают внутрь протоклеток или наоборот – диффундируют из них, что делает такие системы неэффективными для контроля химических превращений, протекающих в водной среде.

Тем не менее, когда с наночастицами из оксида кремния связан полимер, изменения pH среды можно использовать для регулирования заряда этой мембраны. В результате этого низкомолекулярные соединения, обладающие тем же зарядом, что и мембрана не смогут пройти сквозь нее, ни попав внутрь клетки, ни ускользнув наружу.

Такой подход позволил исследователям из Бристоля продемонстрировать, что ферментативная реакция внутри неорганических протоклеток может «включаться» и «выключаться» за счет контроля проницаемости мембраны.

Манн отмечает, что результаты работы его коллег могут открыть новые горизонты в исследовании синтетических протоклеток, созданных на основе небиологической самоорганизации.

Новый подход может привести к созданию новых, альтернативных существующим, методам синтетической биологии.

Так, в сравнении с клетками, полученными путем биологической инженерии, искусственные структуры исключительно примитивны и не могут эволюционировать, и именно это их свойство делает их практически безопасными материалами для контролируемой доставки лекарственных препаратов и генов, изоляции токсинов и распознавания важных метаболитов.