Umělé buňky: Cesta k porozumění životním procesům (časopis Vesmír)

Organismy jsou složité systémy, skládající se z mnoha druhů molekul a jejich agregátů, tvořících vysoce funkční celky. Pokud ale chceme odhalit vztahy jednotlivých buněčných podsystémů, je přílišná složitost organismů spíše na obtíž. Z tohoto důvodu vědci připravují a zkoumají zjednodušené umělé systémy, které zachycují pouze některé životní procesy. Rychlý rozvoj zaznamenaly v poslední době zvláště modely buněčných membrán, které přinášejí kromě teoretických pokroků i ryze praktické. 

Než se zaměříme na to, co vymezuje slovní spojení „umělá buňka“, podívejme se detailněji na klasické buňky, základní kameny života. Buňky představují vysoce optimalizované funkční jednotky, které vykonávají všechny životní procesy. Jednobuněčné organismy i buňky v rámci mnohobuněčného těla jsou vybavené vlastním rozhodovacím systémem, který jim umožňuje pružně reagovat na změny prostředí. Dokážou jednat autonomně i ve spolupráci s dalšími buňkami a jsou schopné se samy opravovat i rozmnožovat. Celou životní „mašinerii“ přitom v strukturní i funkční souhře provozují „neživé“ chemické látky – zejména bílkoviny, nukleové kyseliny, lipidy a sacharidy, ale i malé anorganické molekuly jako ionty, vodíkové protony či molekuly vody. Aby buněčný organismus zvládl takové množství různorodých funkcí, je vnitřek buněk rozdělený na jednotlivé kompartmenty či přímo organely plnící specifické úlohy. Ty jsou, stejně jako samotná buňka, ohraničené membránami – zjednodušeně řečeno „specificky propustnými“ bariérami o tloušťce 5 až 10 nanometrů. Základem membrán je lipidová dvojvrstva, struktura vznikající i mimo buňky samovolným uspořádáním některých typů lipidů ve vodě.1 Jde o lipidy, jež se vyznačují amfifilním (amfipatickým) charakterem, kdy jedna část molekuly vykazuje afinitu k vodě (je hydrofilní), zatímco druhá část molekuly vodu silně odpuzuje (je hydrofobní). Při kontaktu s vodou se proto tyto molekuly samovolně shlukují do dvojvrstvy. Jednotlivé vrstvy – listy – se k sobě natočí hydrofobními řetězci, čímž se minimalizuje jejich kontakt s vodou, zatímco hydrofilní část lipidů zůstane vystavena okolnímu vodnému prostředí. Toto uspořádání je vysoce stabilní, ale zdaleka ne rigidní. Molekuly lipidů se v laterálním směru – tedy do stran – volně pohybují a také rotují. Nejde přitom o žádné sotva pozorovatelné posuvy. Jedna molekula lipidu může během několika sekund „oběhnout“ celou buňku, což se někdy přirovnává až k chování tekutých krystalů. Samotná lipidová dvojvrstva poskytuje určitou mechanickou ochranu a brání spontánnímu přechodu různých molekul dovnitř buňky či ven z ní, případně dovnitř jejích separovaných oddílů či ven z nich. 

Pro přežití je ale potřeba mnohem více než neprostupná „zeď“. Z tohoto důvodu jsou v membráně – ať už ve dvouvrstvě, či pouze na jejím povrchu – přítomné proteiny. Některé zprostředkovávají komunikaci buňky s okolím (receptory), další udržují potřebné koncentrace iontů a látek (přenašeče, kanály) či vyrábějí energii (pumpy). 

V buňce se všechny tyto procesy spouštějí nepravidelně, mohou probíhat současně a navzájem se doplňují dle aktuálního stavu organismu a jeho bezprostředního okolí. Takový dynamický mix různých akcí je pro buňku holou nutností. Pro naše porozumění jednotlivým dějům se ale jedná o velkou komplikaci. Na řadu proto přicházejí „umělé buňky“. Ty chápeme jako uměle vytvořené systémy, které minimalistickým způsobem plní pouze některé funkce biologických buněk. V nejjednodušším (ale pořád užitečném) konceptu může být model buňky redukován pouze na lipidovou dvojvrstvu. Taková sférická částice, jež napodobuje buněčný či organelový obal, se nazývá lipozom (či měchýřek, vezikula). 

Pro přípravu buněčného modelu můžeme využít dva přístupy. Zaprvé lze postupně ořezávat existující buňky, což je známé jako přístup „shora dolů“. Příkladem takového postupu je příprava lipozomů z buněčných extraktů. Alternativně můžeme náš model vybudovat od nuly, což se označuje jako metoda „zdola nahoru“. V jejím duchu můžeme například syntetizovat lipozomy tvořené syntetickými lipidy. Přestože se může zdát, že takový postup celou věc příliš zjednodušuje, nachází široké využití v biologicky zaměřeném výzkumu. Umožňuje totiž dobře vymezeným způsobem modelovat specifické vlastnosti membrán, jež jsou kruciální pro správnou funkci živých organismů. 

Obrázek

Technologie obřích vezikul (GUV) 

Lipozomy neboli lipidové vezikuly nacházejí široké uplatnění v kosmetice a ve farmaceutickém průmyslu, kde fungují jako transportní prostředek pro aktivní substance, léčiva anebo genetický materiál ve formě DNA a RNA. Splývají totiž s cytoplazmatickou membránou buňky a vnášejí svůj náklad do cytoplazmy (viz také Vesmír 103, 210, 2024/4). Poslední možnost se zvlášť dobře uplatnila u anticovidových vakcín. Lipozomy se ve výše zmíněných oborech těší velké oblibě, neboť jsou biokompatibilní, netoxické a poměrně jednoduché na přípravu. Jak jsme naznačili výše, vznikají spontánně po zamíchání fosfolipidů (např. lecitinu) do vody. Vypadají jako malé balónky, jejichž vnější vrstvu tvoří lipidová dvojvrstva. Uvnitř se nachází vodný roztok. Velikost takovýchto útvarů se pohybuje mezi desítkami až tisíci nanometrů. Nejdrobnější jsou tedy asi desetkrát menší než nejmenší bakteriální buňka, největší se pohybují okolo velikosti bakterií. Za základní model umělé buňky můžeme považovat takzvané unilamelární vezikuly (GUV, z anglického Giant Unilamellar Vesicles). Jejich na poměry lipozomů gigantické rozměry v řádu jednotek až desítek mikrometrů se totiž překrývají s velikostí přirozených buněk. Obdobně jako reálné buňky je můžeme pozorovat pomocí optické mikroskopie. GUV nicméně vyžadují zvláštní přípravu odlišnou od ostatních druhů lipozomů. Nejčastěji se používá elektrické pole se sinusoidálním průběhem o napětí několika voltů a s frekvencí 1 až 100 Hz mezi dvěma elektrodami, na nichž jsou nanesené fosfolipidy s požadovaným chemickým složením. Existují ale i další metody, například jemná hydratace, při které je lipidový povlak pomalu zavodňován, často spolu s polymery, které GUV stabilizují. Příprava GUV je obecně náročnější než u menších lipozomů. Obří vezikuly navíc vykazují nižší stabilitu a jsou poměrně citlivé třeba na změny teploty a koncentrace různých látek přítomných v roztoku. Manipulace s nimi proto vyžaduje značnou míru opatrnosti a trpělivosti. Z tohoto důvodu obří vezikuly GUV nemají širší praktické využití. Skvěle se ale hodí k řízenému simulování dějů, které probíhají s mnohem vyšší složitostí v mikroorganismech. Nejzásadnější z nich jsme shrnuli v rámečku. 

Výhled do budoucna 

V závislosti na lipidovém složení a vnějších podmínkách obří vezikuly také dobře slouží ke studiu interakcí lipidové membrány s biologicky aktivními molekulami – například léčivy. Dalším krokem na cestě k vytvoření pokročilejších umělých buněk je zabudování membránových bílkovin do jednoduchého vezikulu. V první řadě jde o iontové kanály, které výrazně urychlují přechod sodných, draselných a vápenatých iontů přes membránu. V dnešní době se mimo jiné daří vědcům částečně přenést do obřích vezikul některé kompletní systémy fungující v organických buňkách. Kolegům se třeba podařilo vytvořit umělé buňky, které jsou schopné převést energii přidanou ve formě „buněčného energetického platidla“ ATP (adenosintrifosfátu) na práci molekulárního motoru a tím GUV rozpohybovat. Složitost modelů vytvářených na bázi obřích lipozomů stále roste. Návrh a sestavení opravdu komplexních útvarů s více druhy bílkovin do funkčního systému ovšem představuje velkou výzvu, neboť je potřeba současně kontrolovat řadu parametrů. Důležitá je kupříkladu správná orientace proteinů zabudovaných do membrány nebo časová souslednost jednotlivých procesů, které na sebe musí přesně navazovat. Z tohoto důvodu se pro modelování obřích vezikul často používají počítačové simulace. Ty se stávají stále sofistikovanějšími, schopnými modelovat čím dál větší a složitější systémy a předpovídat chování jak jednotlivých částí, tak i celku sestaveného do formy umělé buňky. Simulované i reálně naměřené výsledky získané na pokročilých umělých buňkách poté badatelé porovnávají s chováním živých buněk, což umožňuje nahlédnout do principů fungování života v dosud nepřístupných detailech. I přes značný pokrok však stále narážíme na jasné limity. Nikomu se zatím například nepodařilo do obřích vezikul přenést složité buněčné procesy, jakými jsou fotosyntéza nebo výroba energie ve formě ATP. Výzkum umělých buněk proto stále pokračuje. 

Obrázek

Mgr. Jan Sýkora, Ph. D., (*1977) vystudoval fyzikální chemii na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy. V Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského se věnuje popisu biofyzikálních vlastností lipidových membrán zejména pomocí technik fluorescenční spektroskopie a mikroskopie. 

Mgr. Piotr Jurkiewicz, Ph. D., (*1977) vystudoval biomedicínské inženýrství na Technologické univerzitě ve Wroclawi. V Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského se systematicky věnoval výzkumu interakce iontů, peptidů a proteinů s modelovými a buněčnými membránami. Nyní pracuje na PřF UK v BIOCEV jako specialista zaměřený na světelnou mikroskopii.