Один из подходов изучения влияния болезней на организм заключается в том, чтобы посмотреть, что происходит внутри отдельных клеток. Иногда исследователи выращивают клетки в трёхмерной оболочке — «гидрогеле». Эта сеть белков или молекул имитирует среду, в которой клетки живут внутри организма.
Новое исследование, проведённое под руководством Университета Вашингтона, демонстрирует новый класс гидрогелей, которые могут формироваться не только снаружи клеток, но и внутри них. Команда создала эти гидрогели из белковых строительных блоков, разработанных с помощью компьютера для формирования определённой структуры. Эти гидрогели проявляли схожие механические свойства как внутри, так и снаружи клеток, предоставляя исследователям новый инструмент для объединения белков внутри клеток.
«За последние 10 лет в мире клеточной биологии произошёл сдвиг, — говорит соавтор исследования Коул ДеФорест, доцент кафедры химической инженерии и биоинженерии UW. — Классически люди приписывали большую часть внутренней организации клетки органеллам, связанным с мембраной, таким как митохондрии или ядро. Но теперь учёные понимают, что у клетки есть и другие способы локальной концентрации определённых молекул или белков без использования мембран, например, с помощью белково-белковых взаимодействий. Такая концентрация позволяет клетке включать или выключать определённые функции, которые могут быть полезными или в конечном итоге привести к болезни».
Одним из ключевых элементов этого исследования было то, что не существующие в природе строительные блоки белков были разработаны с нуля с помощью компьютеров.
«Вы можете представить себе белок как нить, состоящую из субъединиц, называемых аминокислотами. Эта нить складывается, образуя трёхмерную структуру. Существует 20 различных аминокислот, и типичный белок состоит из 100-200 из них. Это делает систему очень сложной, ведь заранее неизвестно, как она сложится, — говорит соавтор исследования Рубул Моут, который проводил его в качестве постдокторанта UW в Институте дизайна белков, а сейчас является научным сотрудником Гарвардской медицинской школы и Бостонской детской больницы. — Именно здесь в игру вступает компьютер: он производит расчёты, чтобы оценить наиболее вероятную трёхмерную форму. И точно так же вы можете сказать ему, какую форму вы хотите получить, и он подскажет вам, какая последовательность нужна для создания белка».
Чтобы создать различные гидрогели с разными свойствами, команда использовала компьютерное моделирование, контролируя, насколько гибкими или жёсткими должны получаться строительные блоки белка, и как эти блоки соединяются, чтобы создать гидрогель. Исследователи также использовали два различных метода для соединения строительных блоков вместе: один из них связывал их необратимо, а другой позволял белкам разъединяться и вновь соединяться.
«Необратимо сшитые системы будут по своей сути более стабильными, что делает их более подходящими для долгосрочного культивирования клеток и функциональной инженерии тканей, — говорит ДеФорест, который также является преподавателем Института молекулярной инженерии и наук UW и Института стволовых клеток и регенеративной медицины UW. — Но обратимо сшитые системы более текучи, что может быть лучше для управления специфическими белково-белковыми взаимодействиями в живых клетках».