Создана синтетическая клетка, способная к движению

Подвижность — одно из самых важных свойств жизни, но об эволюционном происхождении движения на клеточном уровне нам до сих пор ничего не известно. Подвижностью обладают многие белки «домашнего хозяйства» клетки. Считается, что подвижность целой клетки могла возникнуть в результате мутаций таких белков. Однако экспериментального подтверждения этого процесса еще никто не представил.

С этой точки зрения интересен класс Mollicutes (микоплазмы) — паразитические или комменсальные бактерии с небольшим геномом, которые утратили жгутики и приобрели альтернативные механизмы подвижности. Например, клетки бактерий рода Spiroplasma, как ясно из названия, имеют спиралевидную форму и, чтобы плыть, изменяют направление закрученности спирали. Форма клетки спироплазмы, вероятно, определяется ленточным цитоскелетом, который включает в себя фибриллярный белок и пять классов белков MreB, которые происходят от бактериального актина (у спироплазмы авторы называют их SmreB). Как изменяется закрученность, не было известно. Ученые из Японии реконструировали передвижение спироплазмы на базе знаменитой синтетической бактерии с минимальным геномом — JCVI-syn3.0. Эту бактерию создали в 2016 году в Институте Крейга Вентера. Прототипом ее была Mycoplasma mycoides, из генома которой удалили все «необязательные для жизни» гены (подробнее о ней и следующей версии syn3А на PCR.NEWS). Версия JCVI-syn3B получила назад 19 генов M. mycoides для улучшения роста и развития. Ожидается, что эта минимальная клетка станет платформой для экспериментов по синтетической биологии, подобных тому, что описан в новой работе: в нее можно целенаправленно вводить гены, которые придадут клетке новые свойства.

Клетки JCVI-syn3B неподвижны и имеют сферическую форму. Исследователи внедрили в геном syn-3B семь генов Spiroplasma eriocheiris, предположительно отвечающих за плавательные движения, — гены фибриллярного белка, белков SMreB и неаннотированный консервативный ген. После этого 48% синтетических бактерий продемонстрировали изменение формы и активные движения, а 13% имели спиралевидную форму и могли плавать, хотя и хуже, чем «природная» спироплазма. Подвижную конструкцию назвали syn3Bsw. Интересно, что клетки, закрепленные на стекле, меняли направление вращения и спирализации. ПЦР-анализ подтвердил транскрипцию всех семи генов в трансформированной клетке, а электрофорез и масс-спектрометрия — присутствие белков фибрилл и SmreB.

Затем авторы провели эксперименты с нонсенс-мутациями, чтобы определить функцию каждого белка. В итоге они предложили следующий механизм: протофиламенты из белков SmreB располагаются вдоль оси клетки и связываются друг с другом. Если длина соседних протофиламентах различна, то в двухцепочечной нити возникает искривление, индуцирующее образование спирали. Если же протофиламенты подвергаются локальному изменению длины с использованием энергии АТФ (например, за счет полимеризации и деполимеризации), то конструкция меняет изгиб подобно биметаллической пластинке, это приводит к изменению спиральности. Фибриллярный белок, по-видимому, играет вспомогательную роль, образуя ленты; у некоторых видов подвижных спироплазм этого белка нет. 

Неясно, зачем спироплазме целых пять белков с аналогичной функцией, когда достаточно было бы двух. «Насколько нам известно, система подвижности, включающая только два белка суперсемейства актина, является наименьшей системой, установленной на сегодняшний день. Следовательно, мы можем назвать это ”минимальной подвижной клеткой”», — пишут авторы.

Предполагается, что результаты этого исследования улучшат наше понимание происхождения и эволюции подвижных клеток.