PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути

Исследователи из Принстона применили сплетение волокон, поддерживающих структуру живых клеток, для разработки нанотехнологической платформы. В конечном итоге новая разработка может привести к развитию мягкой робототехники, созданию новых лекарств и синтетических систем для высокоточного переноса биомолекул.

В статье, опубликованной 17 января в Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи продемонстрировали метод, который позволяет им точно контролировать рост биополимерных сетей, подобных тем, что составляют часть клеточного скелета. Они смогли построить эти сети на микрочипе, сформировав тип цепи, работающей с химическими, а не электрическими сигналами.

Внутри клеток белки тубулина образуют длинные и невероятно тонкие стержни, называемые микротрубочками. Сети микротрубочек, подобно корням деревьев, разрастаются в разветвленные системы, образующие основной элемент цитоскелета, который придает клеткам форму и позволяет им делиться.

Кроме того, что микротрубочки помогают поддерживать форму клетки, они также работают как молекулярная железная дорога. Специализированные белки-двигатели переносят молекулярные грузы по филаментам микротрубочек. Небольшие изменения в молекулярном составе микротрубочек действуют как указатели, корректирующие курс химических носителей, отправляя молекулярные грузы по назначению. В Принстоне вопросы об этих внутриклеточных сетях привели к сотрудничеству Сабины Петри, доцента кафедры молекулярной биологии, и Говарда Стоуна, профессора механической и аэрокосмической инженерии, специализирующегося на механике жидкостей.

Биологические системы, которыми мы вдохновлялись, — это аксоны, — говорит Мейсам Заферани, один из ведущих исследователей и доктор медицины, сотрудник Института биоинженерии и молекулярной биологии в Принстоне.

Аксоны — это длинные выступы, выходящие из нейрона, которые позволяют осуществлять направленный молекулярный транспорт.

В нервной системе сети микротрубочек работают как структуры, соединяющие нервные клетки, и как средство передачи химических сигналов, вызывающих ощущения. По словам Заферани, ученые все еще работают над пониманием элементов роста и химических свойств микротрубочек. Но, по его словам, исследовательская группа хотела узнать, смогут ли они использовать эти сети для практического применения.

Инженеры и физики начали изучать микротрубочки как компоненты для создания новых материалов и технологий, — сказал он.

Остается много загадок про их фундаментальные свойства, но мы знаем достаточно, чтобы начать думать о том, как мы могли бы создавать эти системы.

Вместе с соисследователем Рюнджуном Сонгом Заферани работал над созданием системы контроля роста микротрубочек в чистых лабораториях Принстонского института материалов. Используя специализированное оборудование для микро/нанофабрикации и микрофлюидики, исследователи точно контролировали рост ветвей микротрубочек. Они могли регулировать угол и направление роста и смогли создать микроструктуры, в которых направление роста микротрубочек регулировалось. По словам Заферани, Институт материалов предлагает уникальное сочетание оборудования и опыта, которое трудно найти где-либо еще.

В дальнейшем исследователи планируют направлять химические грузы вдоль ветвей микротрубочек. Цель — создать управляемую химическую транспортную систему. В рамках смежной работы они также изучают возможность использования сетей микротрубочек в качестве инструментов, подобных микропинцетам, которые оказывают физическое воздействие на невероятно крошечные объекты.

Исследовательская группа Петри давно сотрудничает со Стоуном, профессором механической и аэрокосмической инженерии Дональдом Р. Диксоном '69 и Элизабет В. Диксон, на стыке биологии и гидродинамики. В 2021 году они получили грант от Принстонского фонда трансформирующихся технологий Эрика и Венди Шмидт. Они наняли Сонга, инженера-механика, который в своей аспирантуре занимался микрофлюидикой, и Заферани, биофизика, изучавшего сигналы, которые помогают сперматозоидам млекопитающих двигаться к яйцеклетке.

Стоун, который часто сотрудничает с коллегами из инженерных и естественных наук, говорит, что смешение знаний из разных дисциплин часто приводит к замечательным результатам.

Мне очень интересно находить проблемы, связанные с механикой жидкостей, в других областях, — заключает он.

Часто я нахожу тему, которая плохо понятна ученым с другой стороны и плохо понятна мне самому, и мы вместе пытаемся разобраться в ней.

25.01.2024