Quali criteri deve soddisfare una cellula creata sinteticamente per essere considerata viva? Quali sono i requisiti minimi per le singole funzioni di tale cellula?

Domande come queste spingono Petra Schwille e il suo team al Max Planck Institute for Biochemistry. Ora gli scienziati hanno dimostrato che bastano solo cinque elementi costitutivi biologici per generare strutture simili a cellule che mostrano un movimento autonomo mentre consumano energia. La scoperta di questi pulsanti, battere le vescicole è stata una sorpresa, poiché inizialmente gli scienziati volevano indagare sui processi legati alla divisione cellulare. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Angewandte Chemie Edizione Internazionale .

La biologia sintetica si è posta il compito di imitare i sistemi biologici, o addirittura modificandoli in modo da consentire nuove applicazioni. Come tale, la funzione cellulare può essere riprodotta nella provetta e quindi meglio compresa, che possono portare a progressi tecnologici. Gli elementi costitutivi molecolari utilizzati sono per lo più di origine biologica, ma i ricercatori possono imitare i meccanismi naturali o perseguire nuovi approcci.

Spesso fa parte della biologia sintetica racchiudere i mattoni biologici in contenitori microscopicamente piccoli per riprodurre le condizioni nelle cellule viventi. I contenitori popolari sono le cosiddette vescicole giganti.

Queste strutture simili a bolle sono costituite da un sottile strato lipidico che ricorda la membrana cellulare. Inoltre, condividono altre proprietà, per esempio. la loro dimensione (1-100 µm), con cellule viventi. Questo li rende un sistema modello ideale nella biologia cellulare sintetica.

Gli scienziati dell'Istituto di biochimica Max Planck hanno ora racchiuso due diverse proteine ​​ed energia chimica sotto forma di ATP nelle vescicole giganti simili a cellule. Al microscopio, osservarono che le strutture cominciavano a muoversi indipendentemente e periodicamente. Nella loro pubblicazione in, descrivono queste strutture come "vescicole battenti".

Come fa una cellula a determinare il suo centro?

Le proteine ​​utilizzate per questi esperimenti provengono dal batterio intestinale Escherichia coli, che funge da importante sistema modello nella ricerca biologica. Questi batteri hanno una forma allungata e si dividono esattamente al centro. Per capire dove si trova questo centro, i batteri a forma di bastoncino utilizzano un meccanismo sofisticato:le proteine ​​MinD e MinE oscillano avanti e indietro tra le due estremità del batterio. Il meccanismo di divisione cellulare viene respinto da queste proteine ​​e si deposita il più lontano possibile dalle estremità:proprio al centro della cellula.

Modelli di viaggio

Ora, i ricercatori del Dipartimento di Biofisica Cellulare e Molecolare dell'Istituto di Biochimica Max Planck sono riusciti per la prima volta a incapsulare queste proteine ​​oscillanti in vescicole giganti. Il team di Petra Schwille ha osservato che le proteine ​​nelle vescicole giganti si muovono periodicamente e oscillano avanti e indietro, in modo simile al comportamento dei batteri viventi.

In esperimenti futuri, i ricercatori prevedono di racchiudere ulteriori componenti nelle vescicole. Ciò potrebbe consentire alle vescicole di dividersi e quindi moltiplicarsi. Però, i modelli di proteine ​​lampeggianti non erano l'unico effetto che gli scienziati hanno osservato al microscopio:inoltre, le vescicole si muovevano autonomamente e cambiavano ritmicamente la loro forma come palline di gomma che rimbalzano.

Thomas Litschel, primo autore dello studio, spiega che le osservazioni sono state una sorpresa, poiché in precedenza non si sapeva che un sistema così semplice, costruito da pochi blocchi di costruzione, potrebbe portare a deformazioni dinamiche della membrana di questa entità. "La maggior parte dei fenomeni nei sistemi biologici sono molto più complessi di quanto sembri. Qui, finalmente, è vero il contrario:un comportamento apparentemente complesso costituito da pochissimi moduli funzionali biologici diversi", riassume Petra Schwille i risultati.

Sebbene il percorso verso le cellule prodotte sinteticamente sia lungo, la ricostituzione delle singole funzioni biologiche aggiunge un altro elemento al kit di strumenti biotecnologici necessari per raggiungere questo obiettivo. Ogni passo lungo il percorso verso la cellula sintetica migliora anche la comprensione dei processi negli organismi esistenti. In questo modo, le "vescicole battenti" aiutano i ricercatori a studiare i principi fondamentali della vita.