Si spera che le cellule create in una provetta possano rispondere ad alcune delle principali domande in biologia. Qual è il minimo di cui una cellula ha bisogno per vivere? E come è iniziata la vita sulla Terra? I ricercatori dell'Istituto Max Planck per la dinamica dei sistemi tecnici complessi di Magdeburgo e del Centro di ricerca Paul Pascal del CNRS e dell'Università di Bordeaux presentano ora i precursori di una cellula artificiale. In un esperimento di biologia sintetica sono riusciti a incorporare la semplice forma di una funzione metabolica in goccioline microscopiche:una reazione chimica, mantenuti da un approvvigionamento energetico integrato.

"In che modo un organismo vivente evita di deteriorarsi?", Erwin Schrödinger chiede nel suo libro, "Cos'è la vita?", in cui spiega gli aspetti fisici della materia vivente. Secondo il fisico, la risposta è semplice:"Mangiando, bere e respirare (...)". Il termine specialistico usato per questo è "metabolismo", meglio conosciuta come "funzione metabolica". I processi biochimici che si verificano consentono agli organismi viventi di acquisire energia e accumulare o scomporre sostanze. Per le singole celle, anche, indipendentemente dal fatto che siano organismi unicellulari o siano organizzati all'interno di un organismo più grande, la funzione metabolica è essenziale per la capacità di vivere e sopravvivere.

Le cellule viventi hanno bisogno di un metabolismo e di un confine con l'ambiente

Perciò, se i ricercatori in biologia sintetica desiderano sintetizzare cellule, tra l'altro, devono integrare un metabolismo in uno spazio separato dall'ambiente. Questo è esattamente ciò che gli scienziati, guidato da Jean-Christophe Baret del Centre de Recherche Paul Pascal (CRPP, in inglese:il Paul Pascal Research Centre) di Bordeaux e Kai Sundmacher del Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems di Magdeburgo, sono ora riusciti a farlo in forma semplificata. Qui, le loro cellule artificiali non erano altro che goccioline d'acqua microscopiche, che si formavano nell'olio. Hanno servito i ricercatori come minuscole unità separate dal loro ambiente, simili a cellule separate dal loro ambiente da una membrana.

I ricercatori hanno aggiunto diversi componenti molecolari all'interno di queste goccioline, che a sua volta simulava una reazione metabolica. certo, a prima vista, una cellula sintetica così semplificata sembra molto diversa dal suo equivalente naturale. Però, una cosa è certa:"Dal punto di vista tecnologico, tali sistemi minimi sono modelli rilevanti da cui possono essere sviluppati sistemi più complessi che sono più vicini alla natura", Kai Sundmacher, Spiega il direttore dell'Istituto Max Planck di Magdeburgo.

Quali sono i componenti decisivi per una cellula vivente?

Secondo Ivan Ivanov, ingegnere e ricercatore presso il Max Planck Institute for Dynamics of Complex Technical Systems, lui ei suoi colleghi inizialmente volevano comunque solo progettare un sistema minimale che avesse le proprietà di base della cellula. Solo così è possibile scoprire quali componenti sono in definitiva di importanza decisiva per la vita. Passo dopo passo, lui ei suoi colleghi hanno quindi costruito un modello di funzione metabolica da componenti molecolari. Il gergo utilizzato dagli specialisti per questa procedura è il principio dal basso verso l'alto.

Per gli ingegneri, l'approccio bottom-up fa parte del loro lavoro quotidiano, ma per i biologi sintetici, non è. Anziché, di solito funzionano utilizzando il principio top-down. Cominciano con un vero organismo, che modificano con metodi di tecnologia genetica, dotandolo così di nuove funzioni e proprietà. "Nel materiale genetico delle cellule, però, ci sono molte cose che sono ridondanti o addirittura inutili", Ivanov spiega, con riferimento al problema dell'utilizzo di top. si avvicina verso il basso. Dopotutto, in tali casi, gli scienziati non imparano quali caratteristiche siano realmente necessarie per la creazione della vita.

La tecnica microfluidica produce goccioline come richiesto

Oltre alla funzione metabolica, è necessaria anche la separazione dall'ambiente. Come spiega Ivanov, "Ogni cellula ha un muro in una certa misura, che lo separa dal suo ambiente". Tali compartimenti separati, come li chiamano gli specialisti, può essere creato attraverso membrane o, come in questo lavoro attuale, attraverso goccioline.

I ricercatori stanno utilizzando la cosiddetta "tecnologia microfluidica", che consente di produrre microgoccioline in gran numero e di analizzarle rapidamente. Qui, gli scienziati sono stati in grado di regolare finemente sia la dimensione che la composizione come richiesto. Utilizzando moduli microfluidici, hanno quindi riempito i compartimenti con glucosio fosfato e il cofattore NAD+. In una certa misura, il primo fornisce nutrienti per le cellule artificiali, che in presenza del cofattore NAD+ si trasformano in un prodotto finale chimico liberando energia chimica.

NAD+ svolge anche un ruolo nel metabolismo delle cellule viventi, e assorbe idrogeno nel corso della reazione metabolica, in modo che venga convertito in NADH. Affinché la reazione sia mantenuta nella realtà, gli scienziati hanno aggiunto un modulo che rigenera il NAD+ ossidando il NADH di nuovo in NAD+. Così, il cofattore è sempre disponibile nella sua forma richiesta.

Se il glucosio fosfato è stato completamente esaurito, le cellule entrano in una modalità di sospensione in una certa misura, che potrebbe essere portato a termine attraverso una rinnovata alimentazione con i loro nutrienti, utilizzando – ancora – un sistema di microiniezione.

Le celle reali devono moltiplicarsi e memorizzare il loro progetto strutturale

Secondo il capo del progetto, Jean-Christophe Baret, il metabolismo modello ha tutte le caratteristiche di base della funzione metabolica naturale e offre una piattaforma per ulteriori studi:"Con la tecnologia microfluidica, possiamo produrre quantità controllate di tali componenti elementari e dare loro funzioni ancora più complesse. In questo modo, le ipotesi possono a loro volta essere verificate riguardo alla creazione della vita da ingredienti conosciuti e controllati." Per imitare davvero le cellule autentiche in un modo sufficientemente vicino alla realtà, tali sistemi richiedono anche la capacità di riprodurre, Per esempio, così come un meccanismo per memorizzare il loro progetto strutturale, una serie di caratteristiche ancora davanti a noi.

Però, anche senza queste caratteristiche, per l'autore principale della pubblicazione, Thomas Beneyton, è possibile che tali sistemi artificiali si comportino in modo simile a quelli biologici. Per esempio, le goccioline possono essere prodotte con "fitness diseguale, in altre parole, con un appetito diverso o con una quantità di nutrienti in uscita variabile e consentono lo scambio di nutrienti tra le cellule. In questo modo, si potrebbe creare una situazione di concorrenza come quelle che si osservano anche tra le celle reali. Tali celle a goccia si comporteranno quindi completamente in accordo.