Friedrich Simmel e Aurore Dupin, ricercatori dell'Università tecnica di Monaco di Baviera (TUM), hanno creato per la prima volta complessi di cellule artificiali in grado di comunicare tra loro. Le cellule, separati da membrane grasse, scambiare piccole molecole di segnalazione chimica per innescare reazioni più complesse, come la produzione di RNA e altre proteine.

Scienziati di tutto il mondo stanno lavorando alla creazione di artificiali, sistemi simili a cellule che imitano il comportamento degli organismi viventi. Friedrich Simmel e Aurore Dupin hanno creato tali complessi di cellule artificiali in una disposizione spaziale fissa. Il clou è che le cellule sono in grado di comunicare tra loro.

"Il nostro sistema è un primo passo verso il tessuto simile, materiali biologici sintetici che mostrano un comportamento spaziale e temporale complesso in cui le singole cellule si specializzano e si differenziano, non diversamente dagli organismi biologici, " spiega Friedrich Simmel, Professore di Fisica dei Biosistemi Sintetici (E14) alla TU Munich.

Espressione genica in una struttura fissa

I gel o le goccioline di emulsione incapsulate in sottili membrane di grasso o polimeri servono come elementi costitutivi di base per le cellule artificiali. All'interno di queste unità da 10 a 100 micron, le reazioni chimiche e biochimiche possono procedere senza inibizioni.

Il team di ricerca ha utilizzato goccioline racchiuse da membrane lipidiche e le ha assemblate in strutture multicellulari artificiali chiamate micro-tessuti. Le soluzioni di reazione biochimica utilizzate nelle goccioline possono produrre RNA e proteine, conferendo alle cellule una sorta di capacità di espressione genica.

Scambio di segnali e differenziazione spaziale delle cellule

Ma non è tutto:piccole molecole segnale possono essere scambiate tra le cellule attraverso le loro membrane o i canali proteici incorporati nelle membrane. Ciò consente loro di accoppiarsi tra loro temporalmente e spazialmente. I sistemi diventano così dinamici, come nella vita reale.

Gli impulsi chimici si propagano quindi attraverso le strutture cellulari e trasmettono informazioni. I segnali possono anche agire come trigger, permettendo a cellule inizialmente identiche di svilupparsi in modo diverso. "Il nostro sistema è il primo esempio di un sistema multicellulare in cui le cellule artificiali con espressione genica hanno una disposizione fissa e sono accoppiate tramite segnali chimici. In questo modo, abbiamo raggiunto una forma di differenziazione spaziale, "dice Simmel.

Modelli, mini fabbriche e microsensori

Lo sviluppo di questi tipi di sistemi sintetici è importante poiché consentono agli scienziati di indagare su questioni fondamentali sulle origini della vita in un modello. Gli organismi complessi sono diventati possibili solo dopo che le cellule hanno iniziato a specializzarsi e a distribuire il lavoro tra le cellule cooperanti. Come ciò sia avvenuto è tra le domande più affascinanti della ricerca di base.

Utilizzando un kit di costruzione modulare di sistemi di celle su misura, i ricercatori sperano di simulare in futuro varie proprietà dei sistemi biologici. L'idea è che le cellule reagiscano al loro ambiente e imparino ad agire in modo indipendente.

Le prime applicazioni sono già all'orizzonte:a lungo termine, gli assemblaggi di cellule artificiali possono essere impiegati come mini-fabbriche per produrre biomolecole specifiche, o come minuscoli sensori di micro-robot che elaborano le informazioni e si adattano ai loro ambienti.

Cellule da una stampante 3D

Friedrich Simmel e Aurore Dupin assemblano ancora i loro sistemi cellulari manualmente utilizzando micromanipolatori. Nel futuro, però, intendono collaborare con l'Università di Scienze Applicate di Monaco, Per esempio, per costruire sistematicamente sistemi più grandi e più realistici utilizzando la tecnologia di stampa 3D.