Французские ученые сконструировали из искусственных биологических молекул шарообразные наноразмерные образования, которые являются подобием мембранных пузырьков, органелл клетки.

Вооружившись простым оптическим микроскопом легко заметить, что основой многих биологических структур являются замкнутые образования, покрытые мембраной и заполненные жидкостью. Они построены из липидов, белков и углеводов. Действительно, клетки представляют собой не что иное как пузырьки, и многие находящиеся внутри клеток органеллы, играющие важную роль во внутриклеточном транспорте биологических молекул – так же более мелкие пузырьки.

Пытаясь понять особенности жизни клеток, а также повлиять на биохимические процессы в них, ученые уже давно применяют различные модели мембран и мембранных образований. В их числе – синтетические пузырьки – липосомы и полимерсомы, сконструированные из липидов и полимеров соответственно. Такие наночастицы активно используются в косметической и фармацевтической биотехнологии в качестве нанокапсул для доставки активных биологических молекул внутрь клеток.

Конструирование искусственных мембрано-подобных наносистем дает ученым возможность создания микрореакторов, моделирующих процессы в живых клетках. Наибольших результатов в этой области можно добиться, если использовать для конструирования природные компоненты.

В работе, опубликованной недавно в журнале Angewandte Chemie, ученые из французского Университета Бордо (University of Bordeaux) осуществили синтез искусственных мембранных пузырьков из гибридных молекул, в состав которых входят цепочки из сахаров (полисахариды) и фрагменты белковых структур (полипептиды). Полисахарид и полипептид химически «пришиты» друг к другу, а построенная таким образом молекула содержит ярко выраженные гидрофобный (белковый) и гидрофильный (сахарный) участки. Такие молекулы в водном растворе способны самопроизвольно организовываться в шарообразные наноструктуры.

Слева на рисунке изображены гидрофобный полипептидный (синий цвет) и гидрофильный углеводный (зеленый цвет) фрагменты амфифильной сополимерной молекулы; справа схематически изображена полученная из таких молекул сферическая полая наночастица в разрезе.

Для создания гидрофильного сахарного фрагмента ученые использовали полисахарид декстран, состоящий из соединенных между собой остатков глюкозы. Гидрофобным фрагментом служила α-спираль биосовместимого полипептида PBLG (поли-γ-бензил-L-глутамата). Соединение этих двух фрагментов ученые провели с использованием современного синтетического подхода конъюгирования сложных органических молекул, называемого клик-химией (“click” chemistry – катализируемой реакции циклоприсоединения азидов к алкинам с региоспецифичным образованием 1,4 дизамещенных 1,2,3 – триазолов). Этот подход обеспечивает протекание реакции в мягких условиях, практически количественный выход продукта и отсутствие необходимости защиты многочисленных функциональных групп.

Таким способом ученым удалось добиться получения амфифильного сополимера (имеющего гидрофобную и гидрофильную части), молекулы которого самопроизвольно ориентируются в водном растворе с образованием полых сферических наночастиц. Это происходит благодаря высокому сродству друг к другу гидрофобных частей молекул, скрываемых между слоями гидрофильных фрагментов. Толщина таких трехслойных стенок, по результатам проведенных с помощью электронной микроскопии измерений, составляет 21 нм, а сами частицы имеют один и тот же диаметр – около 90 нм.

Описанная методика позволяет создавать различные нано-сферы, используя и другие синтетические гибридные молекулы гликопептидов, что дает возможность продвигатиться в изучении свойств многочисленных типов углеводных цепей (гликомика).

Конечно же, ученые считают, что одним из самых перспективных направлений работы с наночастицами, имитирующими мембранные образования, станет разработка нового поколения нано-капсул для транспорта в клетки лекарств, генов и других биологически активных молекул. Углеводная оболочка таких капсул своим составом напоминает поверхность клетки, и наночастицы хорошо адсорбируются на ней.

Кроме того, авторы исследования рассматривают полученные ими наноструктуры как первый серьезный шаг к химическому моделированию морфологии вирусной оболочки.

Мария Костюкова