Как направить энергию микробов в мирное русло

Искусственная клетка с красной оболочкой и белыми нитями актина; зеленые точки – фотоконверторы. Иллюстрация Physorg

При запуске на орбиту космические аппараты несут в сложенном виде солнечные батареи. Но перед отправкой они проходят так называемые чистые комнаты – clean rooms, – чтобы не «вывести» к космос земные микробы. Считается, что микробные клетки от действия мощных ионизирующих излучений должны погибнуть, однако чем черт не шутит... Согласно гипотезе панспермии, например, микробная жизнь была миллиарды лет назад занесена на нашу планету, вследствие чего все живое (и даже неживое, то есть вирусы) имеет единый генетический код.

Другая гипотеза говорит о том, что в начале органического развития была только молекула РНК (рибонуклеиновая кислота). Однако эта молекула – плохой хранитель информации, поэтому довольно скоро произошло удвоение цепи, что привело к «рождению» ДНК. Но синтез нуклеиновых кислот и протеинов невозможен без молекулы АТФ, основного энергоносителя в живой клетке. Энергия на ее синтез получается либо в химическом процессе, либо за счет энергии солнца. Фотон солнечного луча стоит в начале фотосинтеза, выбивая электрон из атома марганца в хлорофилле.

Возбужденный электрон отдает энергию на расщепление воды, в результате чего «высвобожденный» кислород, который токсичен для клеток, попросту выбрасывается в атмосферу. Водород же расщепляется на электрон и протон. Последний и способствует синтезу АТФ.

Воспроизвести фотосинтез сегодня не представляется возможным, то есть это очень сложная и до конца непонятная квантовая система многочисленных белковых и иных молекул. Тем не менее в Гарварде удалось создать искусственные фотосинтетические «ячейки»-органеллы, в которых поддерживаются контролируемые реакции, зависимые от АТФ. Речь идет о создании искусственных клеток с наружной оболочкой, внутрь которых «загнали» актиновые нити. Актин – это нитчатый белок клеточного цитоскелета, удерживающего форму самых разнообразных клеток. Полимеризацию его молекул поддерживают искусственные органеллы, в которых идет синтез АТФ.

Функция искусственных органелл повторяет фотосинтез в силу того, что в них под действием красного света генерируются протоны и – как следствие – АТФ. А при освещении более мощным зеленым светом синтез АТФ подавляется. Фотосинтезирующая органелла представляет собой уникальную комбинацию компонентов двух царств, давшую сдвоенный фотоконвертер. При этом растительный конвертер энергии реагирует на красный свет, а бактериальный – на зеленый.

В отличие от светофора освещение зеленым светом синтез АТФ останавливает, а красным открывает движение протонов. В результате столь нехитрой комбинации ученые получили переключатель энергопотоков, направляя которые на соответствующий фермент добились полимеризации актина. При этом стали контролируемыми и другие реакции внутри искусственных клеток. В конце статьи, опубликованной в журнале Nature Biotechnology, авторы говорят о своих планах создания более сложных клеток, имитирующих функции настоящих. Вполне возможно и создание клеточных «протезов», призванных участвовать в заместительной терапии органов и тканей, например печени при циррозе или клеток, синтезирующих инсулин.

В обычных клетках за синтез АТФ отвечают особые органеллы – митохондрии. Они снабжают клетки, в том числе и иммунные, энергией для борьбы с микробами. Недавно выяснилось, что туберкулезная бацилла расщепляет холестерин для получения необходимого ей углерода, о чем канадские ученые написали в журнале «Труды АН США» (PNAS). А сотрудники американского Национального института здоровья (NIH) работали с возбудителем туляремии, поражающим лимфоузлы с образованием бубонов, что делает его похожим на чумную бациллу.

Оба патогена избегают иммунной атаки, поражая митохондрии макрофагов и лимфоцитов. Туберкулезная микобактерия заставляет митохондрии работать в высоком темпе, что приводит к гибели иммунных клеток из-за «перегрева». Возбудитель Francisella tularensis, вызывающая туляремию, действует на клеточные энергостанции полисахаридами своей оболочки уже на ранней стадии инфекции. Ученые подействовали на макрофаги с клетками возбудителя внутри двумя веществами-протекторами, защищающими целостность и функцию клеточных митохондрий. Воздействие уменьшило смерть клеток и репликацию, или самовоспроизведение бактерий (Infection and Immunity).

Вполне возможно, что со временем микробиологи смогут переключать митохондриальные энергопотоки, тем самым излечивая людей и животных от инфекционных заболеваний.