Fare una torta da zero è un compito considerato difficile per molti. Costruire da zero un sistema simile a una cellula artificiale, beh questa è un'altra storia.

"Sintetizzare le cellule da zero è di fondamentale importanza per capire cos'è la vita, " ha detto il Prof. Yohei Yokobayashi, capo dell'unità di chimica e ingegneria degli acidi nucleici dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST).

Scienziati di tutto il mondo stanno iniziando a creare semplici cellule artificiali che svolgono alcune funzioni biologiche di base e che contengono piccoli filamenti di DNA o RNA. Però, ottenere questi frammenti di materiale genetico per esprimere le loro proteine ​​codificate in risposta a segnali precisi è stata una sfida.

Ora, Yokobayashi e altri ricercatori dell'OIST e dell'Università di Osaka hanno trovato un modo per far interagire le cellule artificiali con una vasta gamma di sostanze chimiche. Hanno sviluppato un riboswitch, un interruttore genetico che rileva i segnali chimici, che può rispondere all'istamina, un composto chimico che viene prodotto naturalmente nel corpo. In presenza di questa sostanza chimica, il riboswitch attiva un gene all'interno delle cellule artificiali. Un tale sistema, potrebbe un giorno essere usato come un nuovo modo di somministrare la medicina, disse Yokobayashi, un autore corrispondente su un recente studio in Giornale della Società Chimica Americana , che descrive l'approccio.

"Vogliamo che le cellule rilascino farmaci in base alla rilevazione dell'istamina, " ha detto Yokobayashi. "L'obiettivo finale è far sì che le cellule del tuo intestino utilizzino l'istamina come segnale per rilasciare la quantità appropriata di farmaco per trattare una condizione".

Selezione del segnale

Gli scienziati hanno scelto l'istamina come segnale chimico per le loro cellule artificiali perché è un importante composto biologico nel sistema immunitario. Se senti prurito, l'istamina è il probabile colpevole. Viene anche rilasciato dall'organismo durante le reazioni allergiche e aiuta a difendersi da agenti patogeni estranei stimolando l'infiammazione.

Per rilevare l'istamina, hanno creato una molecola chiamata aptamero di RNA. Gli aptameri di RNA sono piccoli segmenti di elementi costitutivi di RNA che possono essere progettati per agire come agenti leganti a specifiche molecole bersaglio. Ci sono voluti Yokobayashi e i suoi colleghi, ex postdoc OIST Dr. Mohammed Dwidar e Dr. Shungo Kobori e OIST Ph.D. studente Charles Whitaker, due anni per creare un aptamero che prendesse di mira l'istamina.

Prossimo, il team ha sviluppato un cosiddetto riboswitch che trasformerebbe questo rilevamento del segnale in azione, in particolare, tradurre un gene per produrre una proteina. Normalmente, le cellule producono proteine ​​quando modelli costituiti da RNA messaggero (mRNA) si legano a strutture cellulari chiamate ribosomi. Qui, gli scienziati hanno usato l'aptamero dell'istamina per progettare un riboswitch che altera la forma dell'mRNA dopo il legame dell'istamina. In assenza di istamina, la forma dell'mRNA impedisce al ribosoma di legarsi, e non viene prodotta alcuna proteina. mRNA legato all'istamina, però, permette al ribosoma di legarsi e sintetizzare le proteine.

"Abbiamo dimostrato che i riboswitch possono essere utilizzati per far sì che le cellule artificiali rispondano ai composti e ai segnali chimici desiderati, " disse Yokobayashi.

Il passo successivo è derivato da una collaborazione con l'autore senior Prof. Tomoaki Matsuura e lo studente laureato Yusuke Seike del Dipartimento di Biotecnologia dell'Università di Osaka. Matsuura e Seike mettono il riboswitch senza cellule creato dal team di Yokobayashi in vescicole lipidiche per creare cellule artificiali. Il team di Osaka ha collegato il riboswitch a un gene che esprime una proteina fluorescente, in modo che quando il riboswitch è stato attivato dall'istamina, il sistema brillava. Quindi, controllavano un'altra proteina tramite il riboswitch, uno che crea pori su scala nanometrica sulla membrana cellulare. Quando l'aptamer percepì l'istamina, un composto fluorescente incapsulato nelle vescicole è stato rilasciato dalle cellule attraverso i pori, modellare il modo in cui il sistema rilascerebbe un farmaco.

Gli scienziati hanno anche creato un "kill switch" che istruisce la cellula ad autodistruggersi, creando un controllo per la tecnologia.

La tecnologia è nelle prime fasi di sviluppo. Il passo successivo è rendere le cellule artificiali più sensibili a una minore quantità di istamina. L'uso medico potrebbe essere in un lontano futuro, ma il potenziale esiste, dicono gli scienziati.