Přeplněné prostředí jako nástroj: vědci řídí vznik kapének z DNA

Vědci z Tokijského institutu vědy (Science Tokyo) zkoumali, jak lze přeplněné prostředí podobné tomu uvnitř živé buňky využít při konstrukci umělých struktur z DNA. Jejich studie se zaměřila na takzvané makromolekulární zahušťování, tedy situaci, kdy je v roztoku přítomno velké množství dalších molekul, které ostatním složkám ubírají volný prostor. Autoři se ptali, zda lze tento jev použít jako záměrný návrhový nástroj pro řízení toho, jak vznikají a jak se uspořádávají syntetické kapénky tvořené DNA.

Buňky přitom nejsou prázdnými vaky s několika rozptýlenými molekulami. Jejich vnitřek je hustě zaplněn bílkovinami, nukleovými kyselinami a dalšími látkami a právě toto přeplnění ovlivňuje průběh řady biologických procesů. Mimo jiné se uplatňuje při vzniku útvarů bez membrány, které si buňka vytváří k oddělení určitých reakcí od okolí. Pokud chtějí vědci stavět umělé buňky, musí s podobným prostředím počítat, a ne jej ignorovat.

Výzkumníci proto vsadili na dva typy materiálů. Prvním byly DNA nanohvězdy, tedy drobné struktury z DNA s rameny, jimiž se mohou navzájem spojovat. Takové částice jsou vhodným modelem pro tvorbu kapének, protože jejich vlastnosti lze poměrně přesně naprogramovat sekvencí bází. Druhým materiálem byly polymerní zahušťovací látky. Ty sloužily k tomu, aby v roztoku napodobily přeplněné prostředí buňky a vytvořily podmínky blízké těm skutečným.

Hlavní zjištění zní, že zahušťování podporovalo tvorbu kapének. Přítomnost polymerních látek tedy vznik těchto útvarů usnadnila. Důležitější než samotný nástup tvorby kapének je ovšem podle autorů to, že zahušťování umožnilo ovlivňovat jejich vlastnosti. Výzkumníci díky němu dokázali řídit velikost kapének, jejich vzájemné interakce i způsob, jakým se v prostoru uspořádávají. Zahušťování se tak ukázalo nejen jako faktor, který kapénky pasivně ovlivňuje, ale jako parametr, který lze cíleně nastavovat.

Tento přístup má praktický význam pro obor syntetické biologie. Kapénky z DNA jsou považovány za slibný stavební prvek umělých buněk, protože mohou fungovat jako oddělené oddíly, v nichž probíhají určité procesy. Aby ale mohly plnit takovou úlohu spolehlivě, je třeba umět předvídat a řídit, jak se budou chovat. Dosud často chyběla systematická kontrola nad tím, jak velké kapénky vzniknou, zda se budou slévat nebo zůstanou oddělené a jak se uspořádají vedle sebe.

Zjištění z Tokia nabízejí k tomuto problému nový nástroj. Spojením vlastností programovatelných DNA nanohvězd s řízeným přeplněním prostředí lze podle autorů získat větší kontrolu nad výslednou strukturou. Z hlediska návrhu to znamená, že vedle sekvence DNA se jako nastavitelná proměnná přidává i složení okolního roztoku, konkrétně přítomnost a povaha zahušťovacích látek.

Výsledky podle výzkumníků mohou podpořit vývoj programovatelných systémů umělých buněk. Takové systémy by mohly v budoucnu sloužit jako modely pro studium základních životních procesů, ale také jako základ pro nové technologie, v nichž by se jednotlivé oddíly chovaly podle předem zadaných pravidel. Studie přitom nepopisuje hotovou umělou buňku, nýbrž ukazuje, jak lze řídit jeden z dílčích kroků na cestě k ní, tedy vznik a uspořádání kapének.

Práce je dalším příkladem toho, že snaha porozumět buněčnému prostředí se může promítnout přímo do inženýrských postupů. Místo aby vědci přeplnění prostředí považovali za překážku nebo za nežádoucí vedlejší okolnost pokusů se zkumavkou, začali jej využívat jako součást návrhu. Makromolekulární zahušťování se tak v pojetí tokijského týmu mění z vlastnosti buněčného prostředí na nástroj pro cílené řízení samoskladných struktur z DNA.