Из мёртвой материи собрали клетку — и она начала считать дни, будто живая
NewsMakerТеперь даже у искусственного есть циркадные ритмы. И это переворачивает всю биологию.
В университете Калифорнии в Мерседе учёные впервые сконструировали синтетические клетки, способные воспроизводить суточный ритм, сопоставимый с циркадными колебаниями, управляющими жизнью живых организмов. Эти искусственные образования, по сути представляющие собой простейшие мембранные пузырьки, начали «светиться» в стабильном 24-часовом цикле, имитируя молекулярную точность, с которой природа отсчитывает время сна, обмена веществ и других ключевых физиологических процессов.
Работой руководили профессор биоинженерии Ананд Бала Субраманиам и специалист по химии и биохимии Энди ЛиВан, а непосредственным автором экспериментальной части стал аспирант Александр Чжан Ту Ли. В своей статье команда раскрывает, как элементарный и полностью синтетический набор компонентов может воспроизвести тонкую механику клеточных биологических часов, несмотря на постоянные флуктуации и «шум» в молекулярной среде.
В качестве основы была взята модель циркадного ритма цианобактерий — фотосинтезирующих микробов, в которых одна из самых устойчивых и изученных форм биологических часов. Учёные выделили ключевые белки , участвующие в работе часового механизма, и поместили их внутрь искусственных везикул — сферических оболочек, напоминающих клетки. Один из белков снабдили флуоресцентной меткой , позволившей визуально отслеживать активность синтетической системы. Пузырьки начинали ритмично светиться, строго повторяя 24-часовой цикл, и поддерживали его как минимум четыре суток подряд.
Однако добиться устойчивого ритма удалось не во всех условиях. При уменьшении размера везикул или снижении концентрации часовых белков свечение нарушалось. И что особенно важно — эти сбои происходили по воспроизводимому сценарию, что позволило проследить, при каких параметрах система теряет способность к самоподдерживающемуся циклу. Это дало ключ к пониманию того, как именно клетки обеспечивают стабильную работу внутренних часов.
Чтобы интерпретировать закономерности, команда создала детальную вычислительную модель, имитирующую поведение искусственных часов при различных условиях. Расчёты показали: чем выше концентрация часовых белков, тем стабильнее ритм. Это объясняет, почему живые организмы поддерживают высокий уровень этих молекул — не ради избыточности, а чтобы компенсировать неизбежные биохимические шумы, возникающие в микросреде клетки. Даже незначительное снижение количества белков влечёт за собой разрушение цикла.
Модель также помогла понять, какую роль играют генные регуляторы. Хотя отдельная клетка может поддерживать внутреннее время без активной транскрипции и репрессии генов, для синхронизации в масштабах целого организма — когда миллионы клеток должны идти в одном ритме — эти регуляторы оказываются необходимыми. Они служат своего рода дирижёрами, которые не задают темп, но обеспечивают согласованность работы всей «оркестровой ямы».
Наблюдение за поведением синтетических систем даёт учёным новый инструмент для исследования универсальных механизмов хронометража в живых организмах. Причём модель оказалась достаточно гибкой: за счёт изменения размеров везикул можно имитировать клетки самых разных организмов и исследовать, как размеры и геометрия влияют на свойства биологических часов. Это особенно важно, если учитывать, что клетки бактерий , растений, животных и человека могут отличаться по объёму в тысячи раз, но все они так или иначе привязаны к суточному циклу.
Выводы исследования уже оценили коллеги из других научных центров. Профессор микробиологии университета штата Огайо Минсю Фан, не участвовавший в проекте, отметил, что такой метод даёт редкую возможность наблюдать за работой молекулярных часов в искусственно упрощённых, но реалистичных условиях. Это, по его словам, не просто шаг к пониманию эволюционных стратегий разных организмов, но и принципиальный инструмент для изучения биохимии времени.
Кроме фундаментального значения, работа открывает новые горизонты для синтетической биологии. Возможность создавать искусственные системы, точно считывающие время, имеет практическое значение: от разработки «умных» лекарственных капсул , которые будут высвобождать препарат по внутреннему графику, до проектирования микроскопических машин, способных реагировать на внешние сигналы — будь то изменение температуры, света или ритма окружающей среды.
Исследование стало возможным благодаря финансированию от Национального научного фонда США (NSF), Национального института здравоохранения (NIH), а также Армейского исследовательского управления. Дополнительную поддержку оказал Центр клеточных и биомолекулярных машин при UC Merced — междисциплинарная платформа, где учёные разного профиля объединяют усилия для воссоздания принципов живой материи на искусственном уровне.
В университете Калифорнии в Мерседе учёные впервые сконструировали синтетические клетки, способные воспроизводить суточный ритм, сопоставимый с циркадными колебаниями, управляющими жизнью живых организмов. Эти искусственные образования, по сути представляющие собой простейшие мембранные пузырьки, начали «светиться» в стабильном 24-часовом цикле, имитируя молекулярную точность, с которой природа отсчитывает время сна, обмена веществ и других ключевых физиологических процессов.
Работой руководили профессор биоинженерии Ананд Бала Субраманиам и специалист по химии и биохимии Энди ЛиВан, а непосредственным автором экспериментальной части стал аспирант Александр Чжан Ту Ли. В своей статье команда раскрывает, как элементарный и полностью синтетический набор компонентов может воспроизвести тонкую механику клеточных биологических часов, несмотря на постоянные флуктуации и «шум» в молекулярной среде.
В качестве основы была взята модель циркадного ритма цианобактерий — фотосинтезирующих микробов, в которых одна из самых устойчивых и изученных форм биологических часов. Учёные выделили ключевые белки , участвующие в работе часового механизма, и поместили их внутрь искусственных везикул — сферических оболочек, напоминающих клетки. Один из белков снабдили флуоресцентной меткой , позволившей визуально отслеживать активность синтетической системы. Пузырьки начинали ритмично светиться, строго повторяя 24-часовой цикл, и поддерживали его как минимум четыре суток подряд.
Однако добиться устойчивого ритма удалось не во всех условиях. При уменьшении размера везикул или снижении концентрации часовых белков свечение нарушалось. И что особенно важно — эти сбои происходили по воспроизводимому сценарию, что позволило проследить, при каких параметрах система теряет способность к самоподдерживающемуся циклу. Это дало ключ к пониманию того, как именно клетки обеспечивают стабильную работу внутренних часов.
Чтобы интерпретировать закономерности, команда создала детальную вычислительную модель, имитирующую поведение искусственных часов при различных условиях. Расчёты показали: чем выше концентрация часовых белков, тем стабильнее ритм. Это объясняет, почему живые организмы поддерживают высокий уровень этих молекул — не ради избыточности, а чтобы компенсировать неизбежные биохимические шумы, возникающие в микросреде клетки. Даже незначительное снижение количества белков влечёт за собой разрушение цикла.
Модель также помогла понять, какую роль играют генные регуляторы. Хотя отдельная клетка может поддерживать внутреннее время без активной транскрипции и репрессии генов, для синхронизации в масштабах целого организма — когда миллионы клеток должны идти в одном ритме — эти регуляторы оказываются необходимыми. Они служат своего рода дирижёрами, которые не задают темп, но обеспечивают согласованность работы всей «оркестровой ямы».
Наблюдение за поведением синтетических систем даёт учёным новый инструмент для исследования универсальных механизмов хронометража в живых организмах. Причём модель оказалась достаточно гибкой: за счёт изменения размеров везикул можно имитировать клетки самых разных организмов и исследовать, как размеры и геометрия влияют на свойства биологических часов. Это особенно важно, если учитывать, что клетки бактерий , растений, животных и человека могут отличаться по объёму в тысячи раз, но все они так или иначе привязаны к суточному циклу.
Выводы исследования уже оценили коллеги из других научных центров. Профессор микробиологии университета штата Огайо Минсю Фан, не участвовавший в проекте, отметил, что такой метод даёт редкую возможность наблюдать за работой молекулярных часов в искусственно упрощённых, но реалистичных условиях. Это, по его словам, не просто шаг к пониманию эволюционных стратегий разных организмов, но и принципиальный инструмент для изучения биохимии времени.
Кроме фундаментального значения, работа открывает новые горизонты для синтетической биологии. Возможность создавать искусственные системы, точно считывающие время, имеет практическое значение: от разработки «умных» лекарственных капсул , которые будут высвобождать препарат по внутреннему графику, до проектирования микроскопических машин, способных реагировать на внешние сигналы — будь то изменение температуры, света или ритма окружающей среды.
Исследование стало возможным благодаря финансированию от Национального научного фонда США (NSF), Национального института здравоохранения (NIH), а также Армейского исследовательского управления. Дополнительную поддержку оказал Центр клеточных и биомолекулярных машин при UC Merced — междисциплинарная платформа, где учёные разного профиля объединяют усилия для воссоздания принципов живой материи на искусственном уровне.