Первый шаг искусственной жизни

Различные формы синтетической клетки, созданной авторами статьи. Фото: Christoph Hohmann / Nanosystems Initiative Munich

Биофизики создали первый рабочий прототип искусственной клетки на базе жидких кристаллов

Александр Телишев

4 сентября, 2014 15:46

4 мин

Ученые создали материал из жидких кристаллов и набора органических молекул, который обладает базовыми признаками живой клетки — он способен самостоятельно двигаться, менять форму, поглощать и выделять «топливо». Рецепт создания искусственной жизни и результаты наблюдений за ее первыми шагами были представлены в журнале Science.

Когда ученые говорят о синтетической жизни, они обычно подразумевают создание рукотворного химического и биологического аналогов живой клетки. По своей сути, такой организм ничем не будет отличаться по своему устройству и работе от существующих сегодня микробов. Первая попытка создать такой организм была предпринята в 2010 году. Известный американский биолог-предприниматель Крэйг Вентер представил миру «синтию», искусственную бактерию.

Вентер и его научная команда «сжульничали» при создании этого микроба — на самом деле ученые из института Вентера вдохнули жизнь не в полноценный организм, а создали искусственный аналог хромосомы микроба Mycoplasma mycoides, из которой был удален «мусор» и добавлены «копирайты» (закодированные имена ученых и цитаты знаменитостей). Эта синтетическая ДНК была вставлена в клетку близкородственной бактерии, из которой был удален весь генетический материал, что и позволило Вентеру заявить о создании синтетической жизни. Большинство ученых по вышеозначенным причинам с ним не согласились.

Искусственный организм, созданный Андреасом Баушем из Технологического университета Мюнхена и его коллегами из университетов Германии, Италии и Соединенных Штатов, своего рода отступление от представлений молекулярных биологов о том, как должна выглядеть синтетическая жизнь. Биофизики не стали создавать полные химические аналоги различных компонентов клетки, а попытались воспроизвести базовые черты всей клетки в целом.

По своему устройству их детище напоминает не современные бактерии или археи, а самые примитивные протоклетки, существовавшие в «супе» первичного океана Земли в далеком прошлом. У таких организмов не было ДНК и обслуживающих ее элементов, обособленных структур, собирающих белки, сигнальные молекулы и прочие соединения. По своей сути, они представляли собой «суп» из реагирующих между собой сложных органических молекул, отделенных от внешнего мира полупроницаемой мембраной.

Клетка Бауша состоит не из двух, а из трех компонентов: сферической жировой оболочки и молекул двух белков — тубулина и кинезина. Первый из них похож по своей форме на микроскопическую трубочку и является основой «каркаса» всех живых клеток, а второй можно назвать своеобразным биологическим «мотором», который способен приводить в движение присоединенные к нему молекулы, двигаясь по поверхности нитей тубулина.

Экспериментируя с тубулином, авторы статьи заметили, что при достаточно высокой концентрации белка смесь из его трубочек превращается в подобие жидких кристаллов, которые сегодня можно встретить внутри экранов телевизоров, мониторов и других цифровых устройств. У таких кристаллов есть одно отличительное свойство, вытекающее из хорошо известной всем математикам и физикам «теоремы о причесывании ежа». В самом общем виде она гласит о том, что сферу произвольной формы (свернувшегося в клубок ежа) невозможно покрыть линиями («причесать») равномерно (таким образом, чтобы его иголки не кололись), без появления выступов.

С точки зрения физики это означает, что поверхность сферы, покрытой такими «иголками», будет непрерывно менять свою форму в том случае, если что-то будет двигать кристаллами. В случае с клеткой Бауша этим источником движения являются молекулы кинезина, присоединенные к нитям тубулина. Если в пробирку с синтетической клеткой добавить раствор АТФ, молекул «энерговалюты» во всех живых организмов, то она начнет менять свою форму и совершать движения в случайных направлениях, как это делают настоящие и простейшие микробы. Более того, если поменять концентрацию АТФ в питательной среде или внутри самой клетки, можно заставить ее двигаться в том направлении, где находится больше «еды».

«Созданная нами синтетическая биомолекулярная клетка открывает новые пути для проведения экспериментов с минималистичными аналогами живых организмов. Начинку такой клетки можно гибко менять, добавляя или удаляя новые модули, что позволяет использовать ее для воспроизведения таких биологических процессов, как миграция или деление клеток. Принципы работы такой клетки можно легко описать с точки зрения физики, что дает нам надежду на то, что в ближайшем будущем мы сможем раскрыть все базовые законы, управлявшие развитием и зарождением жизни», — заключает Бауш.

ТЕГИ

поддержать проект

Для поднятия хорошего настроения, вы можете угостить наших редакторов чашечкой кофе

Маленькая чашка кофе