Коацерватные капли – как живые

Красная мицеллярная оболочка вокруг зеленой липосомы с ферментом, расщепляющим глюкозу. Иллюстрация Physorg

Русский ученый Александр Опарин (1894–1980) сделал 3 мая 1924 года доклад о происхождении жизни. На следующий год ученый стал читать курс лекций студентам МГУ, назвав его «Химические основы жизненных процессов». Это было характерно для времени, когда главным объектом изучения были коллоиды. Примеры коллоидов, известных нам в обиходе, – студень, холодец, кисломолочные продукты. Химия в 1920-х была одной из ведущих наук, и поэтому было не совсем понятно, почему Опарин обратился к ботаникам.

Это могло быть связано с тем, что «растениеводы» имели богатый опыт изучения одноклеточных фотосинтезирующих систем, которые и ядра-то не имеют. Ботаники также считали, что фотосинтез позволяет делать органику (те же глюкозу и крахмал) из СО2 и воды. О том, что это квантовый процесс, в те годы никто и не догадывался. Точно так же, как никто не представлял себе роли нуклеиновых кислот (над умами довлело определение, согласно которому «жизнь – это форма существования белковых тел…»).

Было также известно, что органическую мочевину, из которой делают удобрения для выращивания зерновых, можно легко получать из СО2 и аммиака. Поэтому не было ничего удивительного в том, что, «отмотав назад» в истории развития, ученые пришли к простой мысли о зарождении жизни из абиотических составляющих. Из всего этого можно сделать вывод, что Опарин не говорил студентам ничего революционного, однако его имя прочно связали с коацерватами, причем смысла латинского названия никто не понимал. Приходилось толковать его как некий первичный бульон.

Интересно, что перевод этого слова дан в энциклопедическом словаре, где coacervat называется скоплением. Сегодня мы знаем, что тот же корень, например, в слове «карцер» и недавно введенном в научный обиход понятии «аккреционный», характеризующем диск вокруг черной дыры.

Опарин прожил долгую жизнь, многие годы возглавляя Институт биохимии. Но помнят его за те далекие коацерватные капли, представляющие нечто «собранное» в ограниченном объеме коллоидного раствора. При этом никто так и не сказал, каковы механизмы этой каплевидной концентрации и как накопленное в их полости обменивается с внешней средой. Один из примеров – это эритроцит, или красная кровяная клетка, которая накапливает в себе гемоглобин, но в то же время и поглощает воду, а также кислород и углекислый газ через свою мембрану…

И вот наука доросла до синтетической биологии, которая уже способна конструировать искусственные системы, имитирующие свойства живых клеток. Определенного успеха добились на этом пути сотрудники университетов Бристоля и Бордо, описавшие метод получения функционирующих как «живые» коацерватных капель (Nature Communications). Наружную оболочку капель ученые сделали из нитей-мицелл из молекул миристиновой (тетрадеканоевой) кислоты. Она присутствует в орехах и пальмовом масле, кокосах, в спермацете китов.

Поскольку миристиновая кислота относится к органическим кислотам, ее мицеллы реагируют на защелачивание среды (повышение рН). Это ее свойство было использовано авторами для выпускания из каплевидного «карцера» молекулярного «гостя» – молекул фермента глюкоз-оксидазы (GOx), окисляющего глюкозу. В результате образуется перекись водорода Н2О2. Среди мицелл биоинженеры разместили антагонистические к GO молекулы энзима под названием «пероксидаза хрена» (HRP – Horse-Radish Peroxydase).

Включению активности GO во внутренних капсулах-липосомах, окруженных двойной мембраной из фосфолипидов, способствует добавление в раствор небольшого количества глюкозы. GO окисляет ее до глюконо-дельта-лактона и перекиси, которая действует на пероксидазу во внешней оболочке коацерватной капли. Продукты энзима повышают рН, что приводит к «разрыхлению» мицелл и освобождению внутренних капсул с GO.

Таким образом химическая синергия двух ферментов порождает антагонизм липосом с окружающей их оболочкой из мицелл. Преимуществом полученной системы ученые считают спонтанный характер «захвата» липосом с GO и последующую дезинтеграцию системы в результате добавления глюкозы. Это стимулирует активность двух противоположных по своему действию ферментов.

Предложенные в Бристоле и Бордо капли с энзимной активностью могут использоваться для моделирования самых разных биохимических процессов. Например, процесса захвата мечниковскими макрофагами микробов. Так происходит со многими внутриклеточными патогенами, например с туберкулезной палочкой. В коацерватных каплях могут осуществляться также различные процессы органической и неорганической химии, что сделает их намного дешевле и чище с точки зрения получаемых продуктов без разного рода примесей.

Фундаментальная биология говорит, что митохондрии – внутриклеточные энергостанции клеток – в свое время попали в формирующиеся клетки в виде микробов-симбионтов. На это указывает их двойная оболочка (у бактерий и кокков она тоже состоит из двух фосфолипидных мембран). Думается, что коацерваты могут применяться весьма широко.