Учёные создали искусственные клетки с биологическими часами

Графическое изображение часов и точек, соединённых волнистой линией, показывает, как клетки отслеживают время. Автор: UC Merced

Исследователи из Калифорнийского университета в Мерседе продемонстрировали, что крошечные искусственные клетки могут точно отслеживать время, имитируя суточные ритмы живых организмов. Их открытие проливает свет на то, как биологические часы сохраняют точность, несмотря на молекулярный «шум» внутри клеток.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, возглавили профессор биоинженерии Ананд Бала Субраманиам и профессор химии и биохимии Энди ЛиВанг. Первым автором стал Александр Чжан Ту Ли, получивший докторскую степень в лаборатории Субраманиама.

Биологические часы (циркадные ритмы) регулируют 24-часовые циклы, влияющие на сон, метаболизм и другие жизненно важные процессы. Чтобы изучить механизмы циркадных ритмов цианобактерий, учёные воссоздали «часовой механизм» в упрощённых клеткоподобных структурах — везикулах. Эти везикулы содержали ключевые белки биологических часов, один из которых был помечен флуоресцентным маркером.

Искусственные клетки светились в регулярном 24-часовом ритме как минимум четыре дня. Однако при уменьшении количества белков или размера везикул ритмичное свечение прекращалось. Потеря ритма следовала предсказуемой схеме.

Для объяснения результатов команда создала компьютерную модель. Она показала, что часы становятся стабильнее при высокой концентрации белков, позволяя тысячам везикул точно отслеживать время — даже при небольших различиях в количестве белков между ними.

Модель также указала, что другой компонент естественной циркадной системы (отвечающий за включение и выключение генов) не играет ключевой роли в работе отдельных часов, но важен для синхронизации ритмов в популяции клеток.

Исследователи отметили, что некоторые белки часов «прилипают» к стенкам везикул, поэтому для поддержания функции требуется их высокая концентрация.

«Это исследование показывает, что мы можем разобрать и понять основные принципы биологического отсчёта времени с помощью упрощённых синтетических систем», — сказал Субраманиам.

Работа Субраманиама и ЛиВанга развивает методику изучения биологических часов, отметил Минсю Фан, профессор микробиологии Университета Огайо и эксперт по циркадным ритмам.

«Циркадные часы цианобактерий основаны на медленных биохимических реакциях, подверженных случайным колебаниям. Предполагалось, что для компенсации этого «шума» требуется большое количество белков. Новое исследование предлагает метод наблюдения за реакциями часов в везикулах с регулируемым размером, имитирующих клетки. Этот мощный инструмент позволяет напрямую проверять, как и почему организмы с разными размерами клеток используют разные стратегии отсчёта времени, углубляя наше понимание биологических часов у различных форм жизни», — пояснил Фан.

Субраманиам работает на кафедре биоинженерии и сотрудничает с Институтом исследований в области здравоохранения (HSRI). ЛиВанг — профессор кафедры химии и биохимии, также связанный с HSRI. Он является членом Американской академии микробиологии и лауреатом премии Дороти Кроуфут Ходжкин 2025 года от Общества белков.

Исследование поддержано грантом CAREER Национального научного фонда США (отдел материаловедения) и грантами Национальных институтов здравоохранения и Армейского исследовательского управления, выделенными ЛиВангу. ЛиВанг также получил стипендию от CREST-центра клеточных и биомолекулярных машин при UC Merced.

Источники:

Материалы предоставлены Калифорнийским университетом в Мерседе.