Искусственные клетки показали, как формируются живые клетки

Ученые из Японии совместили эксперименты с искусственными клетками и теоретический анализ, чтобы объяснить механику изменения формы клеток. Работа открывает новые возможности для регенеративной медицины и биотехнологий.

Японские ученые использовали простые искусственные клетки, чтобы установить фундаментальные физические принципы, управляющие изменением формы живых клеток. Сочетая эксперименты с компьютерным моделированием и теоретическим анализом, ученые показали, как актиновый цитоскелет клетки — сеть белковых волокон, придающих ей форму, — может вызывать изменения формы в масштабе клетки и определять передне-заднюю полярность без использования сложных биохимических сигналов.

Покадровые конфокальные изображения липосомы, демонстрирующие образование и расширение пузырьков

Источник: RIKEN

Результаты, опубликованные в журнале Science Advances, дают представление о таких биологических процессах, как миграция клеток, деление клеток и эмбриональное развитие, и могут способствовать развитию искусственных клеток для применения в различных областях — от разработки лекарств и регенеративной медицины до синтетической биологии и создания биологических систем.

Чтобы выявить фундаментальные принципы, исследовательская группа создала систему искусственной клетки, используя липосомы — клеточноподобные структуры, имеющие мембрану, но не обладающие клеточными механизмами, — инкапсулирующие очищенные белки цитоскелета, создав упрощенную и точно контролируемую модель живой клетки.

Агентная вычислительная модель для анализа молекулярного механизма образования пузырьков. Нижняя панель представляет собой увеличенное изображение верхней панели, показывающее, что разрыв F-актинов (белые стрелки) приводит к первоначальному образованию и расширению разрыва в сети

Источник: Riken

Ученые совместили искусственные клетки с компьютерными симуляциями и теоретическим анализом, чтобы объяснить, как взаимодействия в актиновом цитоскелете меняют форму клетки. В упрощенной модели легче проследить эти изменения — в живой клетке их маскирует сложность процессов. Система — важное достижение: это контролируемый способ изучать морфогенез и шаг к созданию автономных искусственных клеток.

Оказалось, что при миграции клетки ее передняя часть выбирает путь, а задняя — толкает вперед; эти структуры возникают из выступов мембраны. В экспериментах с искусственными клетками при физическом воздействии стабильно появлялся один такой выступ — это показало, что передне‑задняя полярность может возникать сама по себе за счет механики актинового цитоскелета, без сложных биохимических сигналов. По словам ученых, локальных взаимодействий в цитоскелете достаточно, чтобы менять форму клетки в крупном масштабе.

Сейчас ученые стараются сделать эти модели еще более сложными, чтобы приблизить их к реальным клеткам и использовать на практике в медицине и биотехнологиях.

Ранее Наука Mail рассказывала о том, что раскрыт механизм, который помогает растениям «чувствовать себя сытыми».