Исследователи создали материал, который производит белки, отвечающие за движение клеток, без необходимости в живых клетках. Встроив бесклеточную экспрессию генов в тонкий лист белковых нитей, они заставили материал морщиться, подниматься в виде пузырей и распадаться на пучки, которые текут друг относительно друга. Об этом рассказывает сайт Phys.org.
Инструкции, управляющие этими преобразованиями, заложены в самом материале — в ДНК. Изменение генетической программы заставляло нити поддерживать текучее движение, останавливаться после всплеска активности или многократно ускоряться и замедляться.
Исследование, опубликованное в Nature Materials, демонстрирует механическое поведение, которое, как описывают авторы, «генетически запрограммировано и выполняется автономно». После сборки материал может менять свою активность без вмешательства исследователей на каждом этапе.
Учёные ранее создавали движущиеся материалы из клеточных компонентов. В исследовании 2012 года молекулярные моторы приводили белковые нити в хаотическое движение. Новая работа даёт такому материалу внутреннюю систему для производства и регулирования своих моторов вместо использования внешней силы.
Команда, включая Рошель Сильверман и Александру Тайар из израильского Института Вейцмана и сотрудников Университета Миннесоты, начала с микротрубочек — микроскопических белковых нитей, которые помогают формировать внутренний каркас клеток. Они собрали нити в плотный лист в лунке диаметром около 3,3 миллиметра, затем добавили ДНК и смесь, содержащую клеточный механизм и ингредиенты для производства белков.
ДНК кодировала кинезин — моторный белок, который потребляет химическое топливо для движения вдоль микротрубочек. По мере накопления новых моторов и их кластеризации они соединяли соседние нити и скользили ими друг относительно друга. Растущие внутренние силы заставляли лист изгибаться. Его приподнятые структуры в конечном итоге разрушались, оставляя пучки в вихревом, нерегулярном движении.
Добавление большего количества ДНК, кодирующей мотор, обычно ускоряло действие. В одном наборе экспериментов движение начиналось примерно через четыре часа при самой низкой концентрации и примерно через час при самой высокой. Сверх определённой концентрации дополнительная ДНК мало влияла на конечную скорость потока. Она в основном меняла время активации материала.
Для контроля над движением исследователи добавили ДНК, кодирующую PRC1 — белок, который связывает микротрубочки. При достаточно высоких уровнях эти связи сопротивлялись усилиям моторов скользить нитями. В зависимости от баланса инструкций лист изгибался и останавливался или тёк недолго, прежде чем остановиться.
Чтобы создать повторяющиеся изменения, команда построила генетическую петлю обратной связи. Производство моторов запускало производство другого белка, который подавлял дальнейшее производство моторов. Механизмы деградации белков удаляли оба компонента, позволяя производству восстанавливаться. При правильном балансе этот цикл заставлял поток многократно ускоряться и замедляться. Более сильное подавление давало одиночный всплеск с последующей остановкой.
ДНК была лишь одним из способов формирования результата. Узкие каналы ограничивали деформации листа, а узорчатые гребни направляли их и позволяли некоторым приподнятым структурам простираться на несколько миллиметров.
Срок службы материала также зависел от его запасов. В одном эксперименте производство белка выравнивалось примерно через шесть часов по мере истощения ресурсов. Однако движение продолжалось более 10 часов в эксперименте с кинезином, потому что смесь продолжала регенерировать химическое топливо, используемое существующими моторами.
В конечном счёте, исследование представляет путь к самодеформирующимся материалам, которые используют биохимические схемы и механический дизайн для выполнения самых разных функций. Будущие исследования с более сложными генными схемами потенциально могут запрограммировать более богатые последовательности механического поведения.