Циркадный ритм на заказ. Учёные приближаются к перепрошивке биологии

В университете Калифорнии в Мерседе учёные впервые создали синтетические клетки , способные поддерживать 24-часовой ритм, сопоставимый с биологическими суточными циклами, управляющими работой живых организмов. Эти искусственные структуры, по сути представляющие собой простейшие мембранные пузырьки, начинали светиться с регулярностью, точно имитирующей молекулярную точность природных биологических часов, отслеживающих фазы сна, метаболизм и другие фундаментальные процессы.

Проект возглавили профессор биоинженерии Ананд Бала Субраманиам и специалист по химии и биохимии Энди ЛиВан. Экспериментальную часть выполнил аспирант Александр Чжан Ту Ли. В своей публикации команда подробно описала, как минимальный и полностью искусственный набор компонентов может воссоздать сложную механику клеточного хронометража, несмотря на хаотические молекулярные флуктуации.

За основу была взята модель циркадных часов цианобактерий — фотосинтезирующих микробов, в которых наблюдаются одни из самых стабильных суточных ритмов. Исследователи выделили основные белки , отвечающие за генерацию ритма, и внедрили их внутрь искусственных везикул — сферических оболочек, напоминающих простейшие клетки. Один из белков снабдили флуоресцентной меткой , что позволило визуализировать активность созданной системы. Мембранные пузырьки начинали светиться строго в 24-часовом цикле и сохраняли этот ритм в течение как минимум четырёх суток.

Однако такая устойчивость наблюдалась не во всех условиях. При уменьшении диаметра везикул или снижении концентрации белков цикл нарушался. Эти сбои происходили предсказуемо, позволяя точно определить границы устойчивости искусственного ритма. Так учёные выяснили, при каких параметрах структура теряет способность к самостоятельному поддержанию времени.

Для анализа результатов команда разработала вычислительную модель, которая позволила проследить поведение часов при различных значениях параметров. Расчёты показали, что высокая концентрация белков необходима для стабильного функционирования системы. Это объясняет, почему в клетках живых существ поддерживается избыточный запас этих молекул: он компенсирует молекулярный шум и предотвращает срыв ритма даже при случайных отклонениях.

Модель также прояснила значение генетических регуляторов. Хотя одиночная клетка может поддерживать циркадный цикл автономно, согласованность между миллионами клеток возможна только при участии транскрипционных механизмов. Они не задают ритм напрямую, но действуют как механизм синхронизации, позволяющий целому организму работать как единое целое.

Поведение синтетических клеток даёт новый способ наблюдать принципы хронометража в живых системах. Кроме того, изменяя диаметр везикул, исследователи могут моделировать клетки разного типа — от бактерий до человеческих. Это позволяет изучать, как геометрия влияет на устойчивость ритма, особенно учитывая, что размеры клеток различных организмов могут отличаться в тысячи раз, но все они так или иначе следуют суточному графику.

Практическое значение также велико. Возможность собрать искусственную систему, способную точно отсчитывать время, открывает путь к созданию умных лекарственных форм , которые активируются строго по заданному графику, или к разработке микроскопических устройств, чувствительных к изменениям во внешней среде — от температуры до освещённости и биологических сигналов.

Проект стал возможным благодаря поддержке Национального научного фонда США (NSF), Национального института здравоохранения (NIH) и Армейского исследовательского управления. Кроме того, работу координировал Центр клеточных и биомолекулярных машин при UC Merced — междисциплинарная платформа, где специалисты из разных областей объединяют усилия для создания моделей живых систем на основе искусственных компонентов.