Протоклетка и искусственная клетка — в чем разница?

В эпоху синтетической жизни [1] искусственными клетками уже никого не удивить, а разнообразие конструкций, претендующих на почетное звание модели клетки, приближается к многообразию самих биологических клеток. При этом у создателей таких моделей есть два основных подхода. Один из них («top-down») предполагает создание минимальной клетки, содержащей набор только самых необходимых компонентов для поддержания ее жизнеспособности. Примером такой конструкции является искусственная клетка, полученная в Институте Дж. Крейга Вентера путем пересадки минимального синтетического генома в клетку микоплазмы [2].

Альтернативный подход («bottom-up») основан на использовании процессов самосборки сложных надмолекулярных систем на основе молекулярных «кирпичиков». При этом создатели синтетических клеток не ограничены в выборе исходного материала, что создает широкое разнообразие комбинаций вплоть до чисто неорганических клеток с полупроницаемой мембраной на основе полиоксометаллатов. Такие клетки были впервые синтезированы в лаборатории профессора Ли Кронина (Lее Cronin) в Университете Глазго и названы автором iCHELLs (inorganic chemical cells; рис. 1). Они представляют собой капсулы с пористой неорганической мембраной, способной избирательно пропускать молекулы определенного размера, катализировать окислительно-восстановительные реакции, а при наличии встроенных молекул красителя даже улавливать свет, преобразуя его в химическую энергию [3]. Однако эти структуры в большей степени напоминают примитивные модели типа клеток Траубе, сделанные на основе осадочных коллоидных мембран, вырастающих самопроизвольно при внесении кристаллика соли в раствор силиката натрия.

Задача же синтеза протоклетки как организованной системы, промежуточной между живым и неживым объектом, по понятной причине решается только с применением «bottom-up» подхода. При этом исследователи существенно ограничены в выборе исходного строительного материала набором веществ, доступных и распространенных в условиях первичной Земли. Поэтому в большинстве работ в качестве протоклеток обычно рассматриваются фосфолипидные везикулы, липосомы или мембранные пузырьки на основе жирных кислот [4]. Примером таких систем могут являться протоклетки, полученные группой под руководством Нобелевского лауреата Джека Шостака (Jack Szostak) из Гарвардской медицинской школы. Однослойные мембраны этих клеток, собранные из простейших амфифильных молекул высших жирных кислот, способны пропускать внутрь активированные нуклеотиды, обеспечивая репликацию фрагментов ДНК внутри везикулы (рис. 2). Также протоклетки Шостака демонстрируют медленный рост за счет поглощения питательных веществ из окружающего раствора и деление при достижении критического объема капсулы [5].

Однако несмотря на свою привлекательность в качестве простейших систем, обеспечивающих репликацию первичного генетического материала, у этих протоклеток, равно как и у большинства их аналогов, отсутствует достаточно развитая система внутренней саморегуляции, обеспечивающая согласованное протекание хотя бы самых простейших обменных процессов. Именно эта «пассивность» микрокапсул в дальнейшем вдохновила ряд исследователей на создание альтернативных многофункциональных моделей протоклеток на основе разнообразных заменителей липидной оболочки. Среди них группа исследователей из университета Бристоля под руководством профессора Стивена Манна (Stephen Mann), работающих в Центре исследования протобиологических систем, за последние пять лет достигла наиболее впечатляющих результатов в этом направлении.

Коацерваты Опарина снова в моде

Первым шагом на пути создания правдоподобных моделей протоклеток было исследование процесса формирования обособленных капель при смешивании растворов полимеров с противоположным знаком заряда. Эти микрокапли, названные коацерватами, начиная с работ А.И. Опарина, рассматривались как модельные предбиологические структуры. Та же самая идея ионной самосборки полиэлектролитов была положена С. Манном в основу создания безмембранных моделей протоклеток. В качестве «стройматериала» им были использованы олигопептиды и олигонуклеотиды. Полученные на их основе структуры демонстрировали способность поглощать различные красители, наночастицы и ферменты, причем активность последних возрастала при встраивании их в коацерват за счет снижения величины диэлектрической проницаемости внутри капель по сравнению с окружающей водной средой [6].

Аналогичные пористые коллоидные микросферы, обладающие вдобавок еще и фотокаталитической активностью, были получены на основе дипептидов и порфиринов. Эти структуры рассматривались авторами как простейшие модели фотосинтезирующих протоклеток [7]. Очевидным недостатком таких моделей является отсутствие у них мембранной оболочки, обеспечивающей избирательную проницаемость и устойчивость всей системы к воздействию факторов внешней среды, а также неспособность их к делению. Поэтому следующим шагом в развитии моделей протоклетки стало получение коацерватов с мембранной оболочкой на основе жирных кислот. Этот подход позволил соединить достоинства везикулярных моделей Д. Шостака и коацерватных систем А.И. Опарина и добиться не только избирательного пропускания малых молекул через мембрану, но также роста и деления этих образований при изменении концентрации окружающего солевого раствора [8].

Ломаем стереотипы: безлипидные мембраны

В последующих работах удачной альтернативой привычным фосфолипидам и жирным кислотам, используемым для построения мембран протоклетки, стали полимер-белковые наноконъюгаты. Самосборка этих амфифильных комплексов на границе вода/масло дает однослойную полупроницаемую мембрану, обладающую регулируемой каталитической активностью. В полученные системы удалось даже поместить все компоненты, необходимые для внеклеточной экспрессия гена зеленого флуоресцентного белка (еGFP), и осуществить его синтез in vitro (рис. 3, 4) [9].

Аналогичные по составу модели протоклеток с различными ферментами в составе полимер-белковой мембраны оказались способными осуществлять целый каскад ферментативных реакций на своей поверхности, имитируя тем самым работу метаболона — комплекса ферментов, расположенных рядом на цитоплазматической мембране и ответственных за ускорение конкретной последовательности метаболических процессов [10].

Коллоидосомы вместо липосом

Дальнейшее развитие идеи о безлипидных мембранах привело к созданию гибридных органо-неорганических протоклеток на основе коллоидосом. Эти системы представляют собой водные микрокапли, стабилизированные оболочкой из неорганических коллоидных частиц кремнезема размером около 30 нм (рис. 5). Такие неорганические микрокапсулы с коацерватным ядром внутри способны не только к избирательному пропусканию веществ из внешней среды в зависимости от их размеров и заряда, но и к регулированию активности помещенных внутрь них ферментов (в частности, щелочной фосфатазы) за счет изменения вязкости содержимого микрокапсулы [11]. Помимо этого, внутри таких протоклеток удалось организовать самосборку нановолокон полимерного гидрогеля, формирующих сетчатую структуру, аналогичную цитоскелету и способную регулировать активность встроенных внутрь нее ферментов [12].

Экзотическим вариантом неорганической мембраны, предложенной для коацерватного ядра, стала оболочка из крупных полиядерных анионов полиоксометаллатов (тех самых, которые ранее использовал Л. Кронин для создания своих iCHELLs). В полученные таким методом протоклетки удалось инкапсулировать различные красители, ферменты, одноцепочечную молекулу ДНК и даже магнитные наночастицы (рис. 6). Более того, заключенные в такую оболочку ферменты (глюкозооксидаза и пероксидаза) оказывались надежно защищенными от протеолитических ферментов, атакующих и расщепляющих их в водном растворе. Различные «популяции» протоклеток с разными ферментами внутри легко обеспечивали согласованное протекание каскада ферментативных реакций в растворе за счет диффузии субстратов и продуктов окисления через полупроницаемую неорганическую мембрану [13].

Несмотря на столь комплексное и многофункциональное поведение, успешно имитирующее работу примитивной живой клетки, такие гибридные системы еще далеки от настоящей протоклетки. Причиной тому, во-первых, является сложность синтеза неорганической коллоидной мембраны в водной среде, а также использование синтетических полимеров для ее стабилизации, весьма далеких от тех, которые могли быть получены в условиях ранней Земли.

Неорганические протоклетки — легко!

И наконец, вершиной «эволюции» модельных протоклеточных систем стала неорганическая протоклетка. Конечно, необходимо сразу оговориться, что собственно неорганической является только ее мембранная оболочка из коллоидных частиц, тогда как все модельные биохимические процессы протекают в ней с участием самых обычных белков, нуклеотидов и кофакторов, поступающих из окружающего раствора. Модификация коллоидной мембраны рН-зависимым полимером позволяет контролировать ее проницаемость для различных ионов и каталитическую активность встроенного внутрь клетки фермента. Кроме того, разность потенциалов на неорганической мембране является источником энергии для протекания биосинтетических процессов [14]. В довершение всего, синтетические неорганические протоклетки способны благополучно расти и делиться за счет отпочковывания небольших по размеру микрокапель от материнской коллоидосомы (рис. 7) [15].

Если пофантазировать и дальше, легко представить себе коацерваты из чисто неорганических полиэлектролитов (например, полифосфатов, которые часто рассматриваются как функциональный аналог АТФ в древнем метаболизме), заключенные в неорганическую же коллоидную мембрану. Такие мембраны, полученные из свежеосажденных солей переходных металлов в условиях щелочных гидротермальных источников первичного океана, активно предлагаются рядом авторов на роль полупроницаемых каталитически-активных оболочек для первичных метаболических процессов. Работы в этом направлении пока находятся на стадии развития, и очень хочется надеяться, что о них тоже когда-нибудь напишет Nature Chemistry. Но это будет уже совсем другая история*...

* — Ну а пока почитайте историю про «химические сады» и про сценарий возможной химической эволюции на дне океанов, в горячих минеральных источниках: «К вопросу о происхождении жизни» [16]. — Ред.

Для интереса посмотрите также короткую лекцию одного из создателей сайта «биомолекула» Чугунова Антона под названием «Что было в начале?», прочитанную в «Клубе нерешенных вопросов» Политехнического музея 27 октября 2015 года.

Литература

1. Жизнь в эпоху синтетической жизни;
2. Синтетическая жизнь;
3. Cooper G.J., Kitson P.J., Winter R., Zagnoni M., Long D.L., Cronin L. (2011). Modular redox-active inorganic chemical cells: iCHELLs. Angew. Chem. Int. Ed. 50, 10373–10376;
4. Липидный фундамент жизни;
5. Mansy S.S., Schrum J.P., Krishnamurthy M., Tobé S., Treco D.A., Szostak J.W. (2008). Template-directed synthesis of a genetic polymer in a model protocell. Nature. 454, 122–125;
6. Koga S., Williams D.S., Perriman A.W., Mann S. (2011). Peptide-nucleotide microdroplets as a step towards a membrane-free protocell model. Nat. Chem. 3, 720–724;
7. Zou Q., Zhang L., Yan X., Wang A., Ma G., Li J. et al. (2014). Multifunctional porous microspheres based on peptide-porphyrin hierarchical co-assembly. Angew. Chem. Int. Ed. 53 (9), 2366–2370;
8. Dora Tang T.Y., Rohaida Che Hak C., Thompson A.J., Kuimova M.K., Williams D.S., Perriman A.W., Mann S. (2014). Fatty acid membrane assembly on coacervate microdroplets as a step towards a hybrid protocell model. Nat. Chem. 6, 527–533;
9. Huang X., Li M., Green D.C., Williams D.S., Patil A.J., Mann S. (2013). Interfacial assembly of protein-polymer nano-conjugates into stimulus-responsive biomimetic protocells. Nat. Commun. 4, 2239;
10. Huang X., Li M., Mann S. (2014). Membrane-mediated cascade reactions by enzyme-polymer proteinosomes. Chem. Commun. 50, 6278–6280;
11. Fothergill J., Li M., Davis S.A., Cunningham J.A., Mann S. (2014). Nanoparticle-based membrane assembly and silicification in coacervate microdroplets as a route to complex colloidosomes. Langmuir. 30 (48), 14591–14596;
12. Kumar R.K., Li M., Olof S.N., Patil A.J., Mann S. (2013). Artificial cytoskeletal structures within enzymatically active bio-inorganic protocells. Small. 9 (3), 357–362;
13. Williams D.S., Patil A.J., Mann S. (2014). Spontaneous structuration in coacervate-based protocells by polyoxometalate-mediated membrane assembly. Small. 10 (9), 1830-1840;
14. Li M., Harbron R.L., Weaver J.V., Binks B.P., Mann S. (2013). Electrostatically gated membrane permeability in inorganic protocells. Nat. Chem. 5, 529–536;
15. Li M., Huang X., Mann S. (2014). Spontaneous growth and division in self-reproducing inorganic colloidosomes. Small. 10 (16), 3291–3298;
16. К вопросу о происхождении жизни.