Подход демонстрирует новый способ химической регуляции динамики капель ДНК, который может продвинуть исследования в области искусственных клеток. Кредит: Токийский технологический институт
Многие клеточные функции в организме человека контролируются биологическими каплями, называемыми каплями разделения фаз жидкость-жидкость (LLPS). Эти капли, сделанные из мягких биологических материалов, существуют внутри живых клеток, но не заключены в мембраны, как большинство клеточных структур.
Поскольку у них нет мембран, капли LLPS могут быстро адаптироваться к потребностям клетки. Они могут двигаться, делиться и менять свою структуру или содержимое. Эта гибкость необходима для различных функций, таких как транскрипция рибосомальной РНК (рРНК) в ядрышке, что обеспечивает переходы золь-гель, при которых материалы переходят из жидкоподобного в гелеобразное состояние, и управление химическими реакциями внутри клеток.
Вдохновленные этими уникальными свойствами, ученые разработали синтетические капли LLPS, имитирующие их биологические аналоги. Хотя был достигнут значительный прогресс в контроле деления и движения синтетических капель, точный контроль за временем этих процессов оставался проблемой.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications27 августа 2024 года знаменует собой значительный прорыв в этой области. Исследователи из Токийского технологического института (Tokyo Tech), Япония, разработали метод точного контроля времени деления в синтетических каплях ДНК, которые имитируют биологические капли LLPS. Они достигли этого, разработав схему задержки времени, в которой деление капель регулируется комбинацией ингибиторных РНК и фермента рибонуклеазы H (РНКазы H).
Профессор Масахиро Такиноуэ, старший автор исследования, объясняет: «Мы демонстрируем контролируемую по времени динамику деления искусственных клеток на основе капель ДНК, соединяя их с химическими реакциями, демонстрирующими временный неравновесный процесс релаксации, что приводит к контролю пути деления искусственных клеток».
В их подходе капли ДНК удерживаются вместе Y-образными ДНК-наноструктурами, связанными через шестиветвистые ДНК-линкеры. Эти линкеры могут быть расщеплены специфическими последовательностями ДНК до линкеров, используемых в качестве ДНК-триггеров деления.
Изначально триггеры деления связаны с молекулами одноцепочечной РНК (ssRNA), называемыми ингибиторами РНК. Добавление фермента РНКазы H разрушает эти ингибиторы, освобождая триггеры деления для разрезания ДНК-линкеров и инициирования деления капель.
«Эти две реакции вызывают задержку во времени расщепления линкера ДНК, что приводит к временному контролю деления капель ДНК», — объясняет Такиноуэ.
Исследователи успешно достигли контролируемого путем деления в тройной смешанной системе C·A·B-капель, состоящей из трех Y-образных ДНК-наноструктур, удерживаемых вместе двумя линкерами. Ингибируя и контролируя высвобождение триггеров деления, они установили два различных пути деления: Путь 1, где C·A·B-капельки сначала разделялись на C-капельки, а затем на A·B-капельки, и Путь 2, где C·A·B-капельки сначала разделялись на B-капельки, а затем на C·A-капельки.
Затем этот контроль пути был применен к молекулярному вычислительному элементу, известному как компаратор, который сравнивал концентрации микроРНК (miRNA), используемых в качестве ингибиторных РНК. Компаратор использовал различия в концентрациях РНК для определения того, какой путь был выбран, предоставляя метод количественного сравнения уровней РНК, который имеет потенциальное применение в диагностике.
Хотя химические реакции исследования были многообещающими, они были временными и не поддерживали неравновесное состояние, как клеточные системы. Для разработки стабильных и устойчивых неравновесных систем исследователи подчеркивают необходимость химических реакций, которые поддерживают непрерывную подачу энергии. Несмотря на это, исследование дает ценную основу для дальнейших достижений в управлении динамикой синтетических капель.
«Мы считаем, что эта технология обеспечивает стратегию создания искусственных клеток и молекулярных роботов с более сложными функциями, такими как контролируемая по времени саморепликация, доставка лекарств и диагностика, с большей точностью и количественными характеристиками», — говорит Такиноуэ.
Дополнительная информация: Томоя Маруяма и др., Временно контролируемое многошаговое деление капель ДНК для динамических искусственных клеток, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51299-5
Информация о журнале: Nature Communications
Предоставлено Токийским технологическим институтом
