Представьте себе бинт, который может почти мгновенно залечить рану.
Или фильтр для очистки токсичных разливов, который может чувствовать и адаптироваться к окружающей среде. Это лишь некоторые из тех применений, которые могут быть возможны для материалов, созданных из живых клеток. Инженерные живые материалы (ИЖМ) теоретически могут приобретать свойства тканей, то есть они могут расти и саморазмножаться. Ранее ученым уже удавалось создавать клетки, чтобы они собирались в материалы, поддающиеся формовке, но было сложно точно контролировать и формировать их сборку без химических модификаций, которые могут повредить клетки.
Хотя ученые смогли сформировать ИЖМ из бактериальных клеток путем создания биопленочных белков, направлять эукариотические клетки туда, куда они должны попасть, оказалось сложнее. В исследовании, опубликованном 4 ноября в журнале Science Advances, ученые направили генетически модифицированные пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) на сборку ИЖМ. С помощью микроскопического "пинцета" они смогли точно контролировать форму и размер получаемых ИЖМ без химических модификаций. "Внести биологические функции в материалы очень сложно, - объясняет Сара Молинари, биолог-синтетик из Университета Райса, которая не принимала участия в исследовании. Тем не менее, к этой цели стоило стремиться, потому что "дрожжи лучше подходят для определенных применений", - объясняет Молинари.
Чтобы попытаться склеить эукариотические клетки, авторы использовали так называемые сверхвысокоаффинные белок-белковые взаимодействия (PPIs) между четырьмя синтетическими белками, ранее полученными из бактерий. Эти взаимодействия, как следует из их названия, заставляют белки очень плотно прижиматься друг к другу. Белки объединяются в пары, которые образуют прочные PPI-связи друг с другом, как замок и ключ: SpyTag и SpyCatcher, а также Im7 и CL7. Исследователи также воспользовались естественной склонностью дрожжей к образованию колоний посредством слабых взаимодействий.
Авторы клонировали гены, кодирующие SpyTag, SpyCatcher, Im7 и CL7, в дрожжи, которые затем начали экспрессировать эти белки на своих внеклеточных мембранах. Затем исследователи использовали оптический пинцет - неинвазивную технику, использующую лазеры для манипулирования живыми клетками, - чтобы собрать вместе отдельные клетки дрожжей, содержащие комплементарные PPI-образующие белки, и разъединить другие клетки. Эти пинцеты позволили исследователям измерить силу взаимодействий между клетками, одновременно контролируя и оценивая характер сборки живых клеток на микроскопическом уровне. "Я никогда раньше не видел, чтобы оптические пинцеты использовались для захвата отдельных клеток. Я думаю, что это очень круто", - говорит Молинари. После образования сверхпрочной PPI между двумя дрожжевыми клетками, клетки продолжают делиться, образуя еще больше сверхпрочных связей со своими дочерними клетками.
Эта техника может быть использована для получения саморазмножающихся ИЖМ, выполняющих полезные функции, например, извлечение урана из морской воды, что может быть использовано в качестве возобновляемого источника ядерной энергии, говорится в статье. Исследователи спроектировали производство белка, поглощающего уран, в дрожжах и обнаружили, что материал продолжает расти и производить больше белка. "В океанах имеется огромный запас урана", - отмечает Фей Сун, соавтор исследования химик и инженер-биолог из Гонконгского научно-технического университета. "Саморастущие ИЖМ, способные производить эффективные уран-связывающие лиганды, могут обеспечить экономически эффективное решение проблем, стоящих перед химическим выделением и энергетической промышленностью".
Исследователи также успешно клонировали липкую, водостойкую молекулу, полученную из морской голубой мидии (Mytilus edulis), в отдельную партию дрожжей, которые также содержали SpyTag и SpyCatcher. Эти клетки эффективно приклеились к различным предметам, включая кожу и стекло. "Полученные ИЖМ оказались чрезвычайно эффективными биоклеями", которые можно использовать для заживления ран", - утверждает Сун.
"Инженерные живые материалы ... [способны] произвести революцию в области материалов, и новые применения, подобные описанным в данном исследовании, "обнадеживают", - говорит Молинари. Однако она отмечает, что ИЖМ, собранные с помощью этого метода, все еще меньше 20 микрон в диаметре, и, вероятно, необходимо провести дополнительные исследования, прежде чем дрожжи можно будет сформировать в крупные, макромасштабные ИЖМ.
"В целом, способность функционализировать отдельные клетки с помощью генной инженерии и точно собирать их в структурированные материалы с помощью микрофлюидики и оптического пинцета обеспечивает богатую платформу для новых классов передовых материалов", - говорит Сун. "Это беспрецедентный и революционный подход".
