Modele biomimetyczne były szeroko stosowane do badania złożonych zjawisk biofizycznych membran komórkowych. Najprostsze modele biomimetyczne dostarczają cennych informacji poprzez minimalizowanie ingerencji wielu zmiennych obecnych w komórkach biologicznych. Olbrzymie Jednowarstwowe Wezykuły (GUVs) są podstawowym systemem biomimetycznym stosowanym do badania biofizyki membran1,2. GUVs są dobrze ugruntowanym modelem reprezentującym błonę komórkową. Składają się z pojedynczej sferycznej dwuwarstwy lipidowej o średnicy 10-30 µm i są zamknięte oraz zawieszone w roztworze wodnym. W tym artykule nazywamy je sGUVs. Systemy te są konstruowane z użyciem podejścia od dołu, gdzie podstawowe komponenty komórkowe -- lipidy, białka i katalizatory -- są zbudowane w celu naśladowania struktury i funkcji biologicznych membran3,4.
Mimo że proste sGUVs, z jedynie wodnym rdzeniem wewnątrz, są powszechnie stosowane, opracowano bardziej zaawansowane modele, aby reprezentować specyficzne cechy komórek biologicznych. Na przykład GUVs z strukturami wspieranymi przez aktynę naśladują cytoszkielet5,6,7, podczas gdy środowiska o wysokiej zawartości soli są używane do naśladowania warunków fizjologicznych. Środowiska z wyższą zawartością soli naśladują warunki fizjologiczne, jednak jest trudno je uzyskać w GUVs ponieważ tradycyjne metody, takie jak elektroformacja8,9, są często nieodpowiednie do syntezy GUVs o wielkości mikrometrowej w takich warunkach. Nowsze metody, takie jak metoda wspomaganej żelem, która używa żeli polimerowych lub skrobowych do wspomagania napęczniania dwuwarstwy podczas hydratacji, radzą sobie z tymi ograniczeniami10,11. Podobnie badano zmiany morfologiczne sGUVs12. Dodatek zamkniętych i otwartych filamentów, takich jak zamknięta aktyny, mikrotubule i inne komponenty cytoszkieletu o różnej sztywności, oraz stan stresu osmotycznego wewnątrz nich, wpływa na przemiany morfologiczne tych osmotycznie spłaszczonych, ale początkowo prawie sferycznych wezykuł. Analiza teoretyczna ujawnia różnorodne przemiany morfologiczne, w tym struktury rurkowe, kuliste, podobne do rakietki, wiśniowe i kropelkowe, które dobrze pasują do obserwacji eksperymentalnych12. Te odkrycia mają znaczące implikacje dla zrozumienia organizacji filamentów, mikrotubuli i nanopierścieni wewnątrz komórek i wezykuł. Inne badania przeglądają metody enkapsulacji białek i badają jak zamknięta aktyny, mikrotubule i komponenty cytoszkieletu regulują kształt osmotycznie spłaszczonych wezykuł12,13.
Co więcej, inspirowane architekturą komórki eukariotów, opracowano złożone modele oparte na GUVs w kierunku tworzenia sztucznych modeli przypominających podział komórki i komórki dzielące się, reprodukcję i cechy wieloskładnikowe komórek eukariotów, komórek samoreplikują się14,15,16,17 oraz komórek wieloskładnikowych. Poza zastosowaniami strukturalnymi, GUVs są również wybranymi modelami do zrozumienia elektroporacji komórkowej -- procesu, w którym zastosowane pole elektryczne indukuje tworzenie porów w błonie lipidowej z powodu stresu Maxwella. GUVs, o wymiarach porównywalnych z komórkami biologicznymi, wykazują elektrodeformację i elektroporację pod polami elektrycznymi. Takie badania nad GUVs dostarczają informacji na temat właściwości elektromechanikalnych, takich jak pojemność błony i sztywność zginania18 oraz mechanizmów elektroporacji2,19,20. Jednakże, praktycznie, te badania najlepiej reprezentują komórki bez jądra, takie jak czerwone krwinki (RBCs).
Aby wypełnić tę lukę, proponujemy złożone Olbrzymie Jednowarstwowe Wezykuły (cGUVs) jako nowy model biomimetyczny dla komórek eukariotycznych z jądrem21,22. Te wezykuły posiadają strukturę wezykułę w wezykule, gdzie wewnętrzna dwuwarstwa naśladuje błonę jądra, a zewnętrzna dwuwarstwa reprezentuje błonę plazmatyczną. Ponadto udowadniamy, jak przewodnictwo elektryczne wewnętrznej, pierścieniowej i zewnętrznej części może być modulowane bez potrzeby zaawansowanego sprzętu, takiego jak mikromanipulatorzy czy mikrostrzykawki. To uproszczone podejście do syntezy cGUVs oferuje obiecującą platformę dla postępów w badaniach biofizycznych nad komórkami z jądrem.