Липиды, или жиры, необходимы для жизни. Они образуют мембраны вокруг клеток, защищая их от внешнего мира. В природе существует огромное разнообразие липидов, и у каждого организма есть своя уникальная комбинация. Но каковы минимальные требования к липидам для выживания клетки?
Исследовательская группа из B CUBE–Center for Molecular Bioengineering в TUD Dresden University of Technology показала, что клетки могут функционировать всего с двумя липидами. Они создали клетку с минимальной, адаптивной мембраной, предлагая уникальную платформу для изучения того, как эволюционировала липидная сложность и как ее можно спроектировать для синтетической жизни. Их результаты опубликованы в Nature Communications.
Мембраны подобны пузырькам, которые инкапсулируют клетки и отделяют их от окружающей среды. Мембраны также служат платформами, где молекулы взаимодействуют, координируя процессы, необходимые для жизни.
«В природе существует огромное разнообразие липидов, и почти каждый организм имеет свой собственный набор липидов, известный как липидом. Например, в человеческих клетках используются сотни различных типов липидов», — говорит руководитель исследовательской группы Джеймс Саенс. «Тем не менее, все эти различные смеси липидов обеспечивают решения одних и тех же ключевых эволюционных задач: создание стабильного барьера и организация биомолекул в пространстве и времени. Мы хотим понять, почему эволюционировало так много различных липидов, почему они нужны жизни и как их можно использовать для создания синтетических живых систем».
Для своего исследования группа начала с mycoplasma mycoides, природной простой патогенной бактерии. В отличие от большинства клеток, микоплазма не может вырабатывать собственные липиды и должна вместо этого использовать те, которые предоставляет ее хозяин. Систематически дополняя клетки различными комбинациями липидов, исследователи сузили основную комбинацию, необходимую для выживания и деления.
Они обнаружили, что клетки могут выживать, питаясь всего двумя липидами: холестерином и другим так называемым липидом, образующим бислой, — фосфатидилхолином.
«Эти два липида не обязательно единственные, которые могли бы поддерживать жизнь», — говорит соавтор исследования Айзек Джастис. «Но наличие как липида, образующего бислой, который обеспечивает базовую структуру клеточной мембраны , так и липида, не образующего бислой, такого как холестерин, который добавляет стабильности, кажется фундаментальным требованием».
Команда наблюдала за клетками с минимальной липидной диетой под электронным микроскопом и увидела драматические эффекты в форме и размере клеток. Некоторые клетки выросли в десять раз по сравнению с обычным размером, в то время как другие образовали необычные формы и деформации.
«Больше всего меня удивило, — говорит Джастис, — то, что около половины клеток, содержащих всего два липида, выглядели совершенно нормальными. Они были круглыми и хорошо разделенными. Несмотря на резкое снижение сложности липидов, они продолжали функционировать на удивление хорошо».
Достижение этой минимальной комбинации липидов было непростой задачей. Первоначальные эксперименты показали, что микоплазма могла модифицировать большую часть липидов, которыми ее кормили, преобразуя их в новые типы.
«Когда мы предоставили холестерин и общий двухслойный фосфолипид, клетки смогли сгенерировать из них около 30 различных липидов», — объясняет Саенс. Чтобы контролировать минимальный липидный состав, команда предоставила клеткам очень похожие липиды, но связанные с другим типом химической связи, которую клетки не смогли разрушить своими ферментами.
Определив минимальную липидную диету, исследователи применили ее к «минимальной клетке» под названием JVCI-Syn3A, которая была разработана в Институте Дж. Крейга Вентера, чтобы содержать только гены, необходимые для выживания. Теперь, имея как минимальный геном, так и липидом, эта клетка представляет собой мощный новый инструмент для синтетической биологии.
Эта минимальная клеточная система обеспечивает уникальную платформу для изучения того, как липиды поддерживают жизнь. Используя принципы синтетической биологии снизу вверх , исследователи теперь могут повторно вводить различные части липидома направленным образом и исследовать соответствующие изменения в функции клетки.
«Можно думать об этом как об обратном проектировании эволюции сложности липидов. Мы не обязательно воссоздаем липиды, которые присутствовали в древней жизни. Мы не могли этого сделать. Мы просто не знаем, что это такое. Вместо этого мы возвращаем сложность обратно в мембрану систематическим, пошаговым способом», — говорит Джастис.
«Найдя минимальные требования к липидам для живой клетки, мы теперь имеем экспериментальную платформу для понимания того, почему определенные липидные структуры эволюционировали и как они поддерживают жизнь», — говорит Саенс. «Эти знания могут однажды помочь нам разработать синтетические клетки с мембранами, изготовленными на заказ, для специальных применений в биотехнологии и медицине».
