Биомиметические модели широко используются для изучения сложных биофизических явлений клеточных мембран. Эти простейшие биомиметические модели дают ценную информацию, сводя к минимуму интерференцию от множества переменных, присутствующих в биологических клетках. Гигантские униламеллярные везикулы (ГУВ) — это фундаментальная биомиметическая система, используемая для изучения мембранной биофизики 1,2. ГУВ хорошо зарекомендовали себя в качестве репрезентативной модели клеточной мембраны. Они состоят из одного сферического липидного бислоя размером 10-30 мкм в диаметре и инкапсулированы и подвешены в водном растворе. В этой статье мы называем эти sGUV. Эти системы конструируются с использованием восходящего подхода, в котором основные клеточные компоненты – липиды, белки и катализаторы – собираются таким образом, чтобы имитировать структуру и функцию биологическихмембран.
Несмотря на то, что обычно используются простые sGUV, содержащие только водное ядро внутри, были разработаны более совершенные модели для воспроизведения специфических особенностей биологических клеток. Например, GUV со структурами, поддерживаемыми актином, имитируют цитоскелет 5,6,7, в то время как среды с высоким содержанием солей используются для имитации физиологических условий. Среды с более высоким содержанием солей имитируют физиологические условия, но их трудно получить в ГУВ, поскольку традиционные методы, такие как электроформование 8,9, часто непригодны для синтеза микронных ГУВ в таких условиях. Более новые методы, такие как метод с помощью геля, в котором используются полимерные или крахмальные гели для облегчения набухания бислоя во время гидратации, устраняют эти ограничения10,11. Аналогичным образом были изучены морфологические изменения sGUVs12. Добавление закрытых и открытых филаментов, таких как инкапсулированный актин, микротрубочки и другие компоненты цитоскелета, различной жесткости, а также состояние осмотического напряжения внутри них влияют на морфологический переход этих осмотически сдутых, но изначально квазисферических везикул. Теоретический анализ выявляет различные морфологические преобразования, включая трубчатые, сферические, ракетчатые, вишневые и капельные структуры, что хорошо согласуется с экспериментальныминаблюдениями. Эти результаты имеют важное значение для понимания организации филаментов, микротрубочек и наноколец в клетках и везикулах. В других исследованиях рассматриваются методы инкапсуляции белков и изучается, как инкапсулированный актин, микротрубочки и компоненты цитоскелета регулируют форму осмотических спущенных везикул12,13.
Кроме того, вдохновленные архитектурой эукариотических клеток, разрабатываются сложные модели на основе GUV с целью разработки искусственных моделей, напоминающих деление и деление клеток, размножение и многокомпонентные особенности эукариотических клеток, самовоспроизводящихся клеток 14,15,16,17 и многокомпартментных клеток. Помимо структурного применения, GUV также являются выбранными моделями для понимания электропорации клеток — процесса, при котором приложенное электрическое поле вызывает образование пор в липидной мембране из-за напряжения Максвелла. ГУВ, по размерам сравнимые с биологическими клетками, демонстрируют электродеформацию и электропорацию под действием электрических полей. Такие исследования GUV дают представление об электромеханических свойствах, таких как емкость мембраны и жесткость на изгиб18, а также о механизмах электропорации 2,19,20. Тем не менее, на практике эти исследования лучше всего репрезентативны для нуклеатных клеток, таких как эритроциты (эритроциты).
Чтобы восполнить этот пробел, мы предлагаем составные гигантские униламеллярные везикулы (cGUVs) в качестве новой биомиметической модели для ядровых эукариотических клеток21,22. Эти везикулы имеют структуру «везикул в везикуле», где внутренний бислой имитирует ядерную мембрану, а внешний бислой представляет плазматическую мембрану. Кроме того, мы демонстрируем, как можно модулировать электропроводность внутренней, кольцевой и внешней областей без необходимости использования современных приборов, таких как микроманипуляторы или микрошприцы. Этот упрощенный подход к синтезу cGUVs предлагает многообещающую платформу для продвижения биофизических исследований ядросодержащих клеток.