Создание полностью искусственной клетки в лаборатории — это одно из заветных мечтаний ученых всего мира. Получение синтетической клетки стало бы огромным шагом на пути понимания тайны жизни в целом. Однако эта задача крайне сложна, ведь даже такая небольшая частичка живой материи, как клетка, является невероятно сложным объектом с точки зрения происходящих в ней химических и физических процессов.

Клетка способна пропускать в себя полезные вещества и защищаться от многих вредных, в ней происходят сложнейшие процессы метаболизма, она может делиться. Поэтому ученые стараются действовать шаг за шагом, создавая отдельные элементы.

В частности, международная группа ученых в Сингапуре работает над созданием «умных» мембран, которые бы обладали хотя бы частью функций, присущих живой клеточной оболочке. В 2019 году к этой группе присоединилась аспирантка Научно-образовательного центра «Инфохимии» Университета ИТМО Анна Никитина.

«В декабре 2018 года мне предложили приехать в Сингапур и поработать под руководством профессоров Новоселова и Андреевой. Там они занимаются созданием адаптивных мембран, — рассказывает Анна Никитина. — Большая идея — создание искусственной клетки ― началась с создания синтетической мембраны, которая могла бы селективно, как мембрана нашей клетки, пропускать ионы калия».

Графеновый «сэндвич»

Как известно, мембрана клетки не только удерживает внутри себя ее содержимое, но и способна пропускать при некоторых условиях необходимые ионы. Если клетке не хватает соли, то она впитывает через свою оболочку ионы натрия. Однако этот процесс, постоянно происходящий в миллиардах наших клеток, крайне сложно воссоздать искусственно.

Для этого ученые решили использовать материал на основе оксида графена и так называемых полиэлектролитов. Графен, за создание которого и получил Нобелевскую премию Константин Новоселов, представляет собой одноатомарный слой углерода, имеющий шестиугольную кристаллическую решетку. Его оксид обладает заряженными функциональными группами на поверхности, что позволяет прикрепить к нему очень большие по своему размеру молекулы полиэлектролитов, специальных полимеров. В результате создается тончайший материал с двумя слоями молекул — оксида графена и полимера.

Толщина этого «сэндвича» всего 250 нанометров. Сложная структура определяет динамические адаптивные свойства. Уже на стадии синтеза мембрану можно «запрограммировать», варьируя рН среды.

Ионный канал

Ученым потребовалась длинная череда экспериментов, чтобы определить оптимальные условия для синтезирования мембраны, которые обуславливают селективное пропускание ионов калия. При этом частицы проходят сквозь мембрану не всегда, а только тогда, когда среда становится достаточно кислой.

«Нам удалось показать, что наша мембрана может селективно пропускать ионы калия и не пропускать другие щелочные катионы (положительно заряженные ионы — прим. ITMO.NEWS), — рассказывает Анна. — Это происходит в зависимости от среды, которая граничит с мембраной. Калий проходит только в кислой среде, в щелочной мембрана закрыта для транспортировки катиона. Почему это происходит? Кислая среда насыщена протонами, которые меняют заряд поверхности мембраны, что и позволяет катионам мигрировать сквозь нее».

Более того, ученым удалось обнаружить, что ионы калия могут не только при определенных условиях проникать сквозь мембрану, но и инициировать формирование ионных каналов для других катионов.

«К примеру, мы делаем эксперимент с катионами цезия, они не проходят, — рассказывает Анна Никитина. — В середине эксперимента мы добавляем катионы калия, которые мигрируют через мембрану сами по себе и, помимо этого, тянут за собой цезий. То есть калий создает каналы еще и для цезия. Мы назвали это "транзисторным эффектом". И очень интересно исследовать дальше и понять, какие еще эффекты мы можем наблюдать».

Сейчас исследования продолжаются. В будущем мембраны с подобными свойствами могут пригодиться далеко не только для экспериментов по созданию искусственных клеток. Подобные адаптивные мембраны могут быть использованы для разных отраслей пищевой и фармацевтической промышленности.

Статья: Daria V. Andreeva, Maxim Trushin, Anna Nikitina, Mariana C. F. Costa, Pavel V. Cherepanov, Matthew Holwill, Siyu Chen, Kou Yang, See Wee Chee, Utkur Mirsaidov, Antonio H. Castro Neto & Kostya S. Novoselov. Two-dimensional adaptive membranes with programmable water and ionic channels. Nature Nanotechnology, 2020/10.1038/s41565-020-00795-y