Dalla kryptonite per Superman alle tossine vegetali per l'edera velenosa, le reazioni chimiche all'interno delle cellule del corpo possono essere trasformative. E, quando si tratta di trasmutare le cellule, I ricercatori dell'UC San Diego stanno diventando imitatori simili a supereroi.

Recentemente nominato Blavatnik National Laureate in Chimica, Neal Devaraj, insieme ai colleghi ricercatori Henrike Niederholtmeyer e Cynthia Chaggan, usava materiali come argilla e plastica per creare cellule sintetiche, o "imitazioni cellulari", in grado di esprimere e comunicare i geni rivaleggiando con quelle delle cellule viventi. Secondo alcuni scienziati, questi risultati della ricerca, pubblicato di recente in Comunicazioni sulla natura , potrebbe essere tra i più importanti nella biologia sintetica quest'anno.

Messaggio di speranza

Lavorare con imitazioni cellulari è uno sforzo scientifico promettente a causa delle potenziali applicazioni presenti nelle cellule artificiali. Per esempio, dopo ulteriori ricerche per garantire la loro applicazione sicura e affidabile, le cellule sintetiche alla fine potrebbero essere progettate per riconoscere e legarsi alle cellule tumorali nel corpo di un paziente, consentendo una somministrazione precisa dei farmaci, senza influire sulle cellule sane, e riducendo gli effetti collaterali della chemioterapia.

Inoltre, le cellule artificiali potrebbero fungere da biosensori per le sostanze chimiche tossiche nell'ambiente, facci sapere, Per esempio, che l'acqua non è sicura da bere. Potrebbero migliorare i test diagnostici con le loro piccole dimensioni e biocompatibilità, che potrebbe consentire a un gruppo di imitatori di cellule di eseguire vari test contemporaneamente utilizzando solo una piccola quantità di sangue. I mimici interattivi delle cellule potrebbero persino formare tessuti artificiali che si sviluppano indipendentemente in minuscoli, strutture micromodellate, un po' come i chip dei computer che potrebbero formarsi da soli. Gli scienziati prevedono inoltre che lo stesso processo di creazione di cellule sintetiche potrebbe portare a una migliore comprensione delle origini e dell'evoluzione della vita.

Ma, c'è un problema.

"Se svilupperemo materiali sintetici, dobbiamo fare in modo che le singole unità collaborino, " ha osservato Devaraj, un professore nel Dipartimento di Chimica e Biochimica della UC San Diego.

Importanza del trasferimento delle informazioni

Fino ad ora, i mimici cellulari hanno comunicato in qualche modo scambiando piccole molecole; per esempio zucchero e perossido di idrogeno. Eppure non potevano comunicare tra loro attraverso grandi proteine ​​molecolari come l'insulina oi fattori di crescita. In modo basilare, è come quando proviamo a inviare un file allegato di grandi dimensioni via e-mail solo per ricevere un messaggio di errore. Così, così come è importante per noi essere in grado di fornire con successo informazioni via e-mail, è anche estremamente importante che le cellule del corpo comunichino attraverso segnali proteici.

Per affrontare questa limitazione nella sintesi cellulare artificiale, Devaraj e il suo team hanno realizzato chip microfluidici da un polimero di silicone per espellere goccioline di DNA che codifica per la proteina fluorescente verde (GFP), minerali da argilla e precursori per plastica acrilica. Quindi, usando luce ultravioletta e prodotti chimici, hanno innescato la formazione di una membrana spugnosa attorno ad ogni gocciolina, mentre il DNA all'interno di ogni gocciolina si è condensato in una sostanza gelatinosa per creare un neo-nucleo. I ricercatori hanno anche dato ai loro imitatori cellulari la capacità di sintetizzare le proteine. La loro metodologia ha consentito il trasferimento di informazioni attraverso la nuova membrana. Il risultato è stato un mimico cellulare in grado di inviare segnali proteici alle cellule vicine.

Qualità vicine delle cellule imitatrici

Secondo Niederholtmeyer, queste pseudo-cellule loquaci, "appaiono e si comportano come cellule naturali ma sono fatte di materiali completamente artificiali." Altre qualità simili alla vita dei mimi cellulari includono il quorum sensing:cambiamenti del comportamento tra le cellule dense, distribuzione dei compiti e differenziazione cellulare in base all'ambiente locale.

"Siamo rimasti sorpresi ed eccitati dal fatto che i nostri imitatori cellulari potessero percepire così accuratamente la loro densità, nel senso che potevano percepire quanti vicini avevano, anche se non erano in stretto contatto con loro, "ha detto Niederholtmeyer. "Ciò è stato sorprendente perché la rete molecolare che ha portato al comportamento di rilevamento del quorum nei nostri imitatori cellulari è molto diverso da come funziona il rilevamento del quorum nelle cellule batteriche".

Promessa per studi futuri, Collaborazione scientifica

Come i supereroi, le cellule sintetiche sono resistenti, rimanendo intatto per lunghi periodi dopo essere stato congelato e anche a temperatura ambiente. Questa resilienza li rende candidati ideali per sensori ambientali, un'opportunità per la ricerca futura da parte degli scienziati dell'UC San Diego. Inoltre, la stabilità e la programmabilità dei mimici cellulari li rende interessanti anche per altri scienziati.

"Sono facili da condividere tra gruppi di ricerca e possono essere programmati dal DNA per esprimere qualsiasi RNA, proteina o via, " ha aggiunto Niederholtmeyer.

Secondo lo studioso postdottorato, i risultati dello studio triennale presentano molti potenziali usi e modi per sviluppare ulteriormente questi imitatori cellulari.

"Per esempio, siamo già stati contattati da altri ricercatori dell'UC San Diego che vorrebbero provare a utilizzare i materiali dei nostri imitatori cellulari nelle cellule viventi per combattere le malattie. Siamo anche interessati a sviluppare ulteriormente la membrana, ad esempio in modo che possa rispondere agli stimoli e renderlo più biologicamente attivo. I nostri imitatori cellulari sono molto programmabili, " ha detto Niederholtmeyer. "Un altro importante vantaggio è che sono così stabili, che semplificherà la condivisione di questi imitatori cellulari in progetti collaborativi".

All'UC San Diego, i nostri sforzi di ricerca sono progettati per cambiare il mondo in meglio, attraverso nuovi farmaci, tecnologie innovative e altro ancora che aiuteranno ad affrontare le malattie, sicurezza globale, ordine pubblico, cambiamento climatico e altro ancora.