Un sistema artificiale che utilizza un idrogel legato al DNA può ricevere un segnale chimico e rilasciare la proteina appropriata, secondo i ricercatori della Penn State. Un'ulteriore stimolazione da parte del segnale chimico continua a innescare una risposta.

Un idrogel è una rete di catene polimeriche che attira l'acqua e può essere utilizzata per simulare il tessuto biologico.

Molti sistemi nelle cellule e nel corpo umano sono predisposti con un percorso di segnale e risposta. Uno dei più noti è quello del glucosio, un piccolo zucchero che innesca il rilascio di insulina.

L'abbiamo fatto solo di recente in una capsula di Petri, " ha detto Yong Wang, professore di ingegneria biomedica. "Abbiamo fatto dei test utilizzando cellule muscolari lisce, ma ovviamente vorremmo farlo in un animale vivente".

I ricercatori riferiscono nel numero di novembre di Scienze chimiche , "Con un design razionale, questo sistema idrogel biomimetico costituirebbe una piattaforma generale per il controllo dell'output delle proteine ​​di segnalazione per potenziali applicazioni versatili come la somministrazione di farmaci, regolazione cellulare, rilevamento molecolare e medicina rigenerativa".

L'idrogel, in glicole polietilenico, è infuso con due diversi tipi di DNA. Uno è un aptamero, un breve filamento di DNA che si attacca alla sostanza chimica che i ricercatori vogliono rilasciare nella cellula. Nel caso di glucosio e insulina, l'aptamero legherebbe con l'insulina il "farmaco" che i ricercatori vogliono rilasciare. L'altro tipo è una molecola elicoidale a doppio filamento di DNA scelta per reagire con il segnale del metabolita, il glucosio, e avviare il rilascio chimico.

Quando la molecola segnale raggiunge un doppio filamento di DNA, il DNA si separa in due filamenti. Un filamento si lega alla molecola e l'altro si muove verso l'aptamero e lo costringe a rilasciare la proteina ad esso legata. La proteina può quindi spostarsi attraverso le cellule verso il suo normale sito di legame ed eseguire le sue normali azioni.

"Non è stato un processo semplice da creare, " ha detto Wang. "Uno studente laureato ci ha lavorato per tre anni prima di arrendersi. In totale, ci sono voluti dai quattro ai cinque anni per arrivare a questo punto." I ricercatori hanno usato l'adenosina come sostanza chimica di segnalazione e il fattore di crescita derivato dalle piastrine come proteina di segnalazione da rilasciare. Il sistema può ripetere la sequenza, rilasciando proteine ​​di segnalazione fino a quando non ce ne sono più da rilasciare.

"Non sappiamo ancora come reintegrare facilmente le proteine, " ha detto Wang.

I ricercatori hanno testato il sistema idrogel adenosina-PDGF-BB e hanno scoperto che senza un segnale chimico, la quantità di proteina di segnalazione rilasciata dall'idrogel era molto piccola. Quando è stato applicato il segnale chimico, l'adenosina, l'idrogel ha rilasciato circa il 28% della proteina di segnalazione bersaglio:PDGF-BB. Altre sostanze chimiche simili all'adenosina, come la guanosina e l'uridina non hanno causato il rilascio di PDGF-BB dall'idrogel.

"Alla fine vorremmo utilizzare questo sistema per la somministrazione controllata di farmaci e altre azioni biologiche, " ha detto Wang.