Физики МГУ создали искусственную мембрану клетки необычным способом

Ученые физического факультета МГУ вместе с коллегами из университета Ахена (DWI, RWTH) создали аналог мембраны клетки из специального гребнеобразного полимера и описали его свойства с помощью компьютерного моделирования. Полученная мембрана обладала гибкостью и адаптивностью, имела толщину, близкую к биологической клеточной мембране, а также смогла образовать гибридную протоклетку путем слияния с мембранами липосомы и бактерии. Полученный результат поможет в создании искусственной клетки и поможет улучшить метод адресной доставки лекарств. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Science.

«Уже длительное время ученые стараются искусственно воссоздать клеточную мембрану. Можно говорить об успехе, если такая конструкция устойчива к внешним воздействиям, гибка, близка по толщине к биологическим мембранам, а также в нее можно встроить особые белки, обеспечивающие избирательное пропускание. Одной из самых простых подобных структур является липосома — замкнутый в сферу бислой (везикула) из липидов, образующийся в растворе благодаря наличию у липидов гидрофильных и гидрофобных частей. Липосомы часто тонкие и обладают хорошим пропусканием, но при этом недостаточно устойчивы к термическому и механическому воздействию. Тем не менее, до сих пор их исследуют в качестве, например, наноконтейнеров для лекарств», - говорится в материале.

Как пояснили ученые, еще один способ создать везикулу — использовать диблоксополимеры, состоящие из гидрофильных и гидрофобных блоков. При взаимодействии с раствором они образуют везикулы, которые получили название «полимерсомы». Они устойчивые и прочные, однако стенки мембраны получались слишком толстыми и непроницаемыми. Следующим этапом стало создание везикул из янусоподных дендримеров — коротких и ветвистых полимеров. 

Работники университета Ахена подобрали такой дендример, чтобы полученные везикулы обладали свойствами, наиболее близкими к требуемым. Везикулы назвали «дендримерсомами», они были перспективными для дальнейшего изучения, однако процесс синтеза янусоподных дендримеров был слишком сложен. Теперь же физики МГУ придумали новый подход с использованием гребнеобразного полимера, собирающегося в везикулы в растворе и с более простым способом получения.

Сначала в раствор заряженного полимера (полиэлектролит) добавляли противоположно заряженные фосфолипиды (основные компоненты природных клеточных мембран), и в результате получался гребнеобразный полимер. Его отличительной особенностью являлось то, что связи между звеньями являются не химическими, как обычно, а физическими (за счет электростатических взаимодействий) — менее сильными, но все равно достаточно прочными. В дальнейшем это позволило полученной визикуле быть более гибкой.

При добавлении полученного полимера в воду образовались везикулы, названные комбисомами (от англ. «comb» — гребень). Такие структуры обладали устойчивостью, гибкостью и толщиной, близкой к биологической клеточной мембране. Кроме этого, комбисомы оказались способны образовывать гибридную протоклетку путем слияния с мембранами липосомы и бактерии. Для исследования микроскопических свойств и внутренней структуры везикул в воде ученые провели компьютерное моделирование.

«Мы изучали участок мембраны, так как вычисления являются затратными, ведь рассчитывается поведение огромного числа частиц. В результате моделирования на суперкомпьютере “Ломоносов-2” мы выяснили, что полиэлектролиты образуют нематический порядок, то есть вытягиваются вдоль поверхности мембраны в прямые стержни. Еще мы выяснили, что упорядоченность липидов во внутренней части мембраны зависит от плотности заряда в полиэлектролите. Это связано с тем, что в последнем она ниже, чем в липидах, и чем меньше окажется разница, тем меньше флуктуаций будет в полученной структуре. Моделирование помогло нам лучше понять физику происходящих процессов», — прокомментировал сотрудник лаборатории теории полимерных систем и «мягких» сред физического факультета МГУ, к.ф.-м.н. Владислав Петровский.

Специалисты считают, что достижение комбисомами свойств мембраны реальной клетки может приблизить ученых к созданию полностью искусственной клетки.