Le cellule sono l'unità fondamentale della vita. Forniscono un ambiente in cui le molecole fondamentali della vita interagiscono, affinché le reazioni abbiano luogo e sostengano la vita. Però, la cellula biologica è molto complicata, rendendo difficile capire cosa avviene al suo interno. Un modo per affrontare questo problema biologico è progettare una cellula minima sintetica come un sistema più semplice rispetto alle cellule biologiche. I ricercatori dell'Istituto Max Planck di biologia cellulare e genetica molecolare di Dresda e dell'Istituto Max-Planck di colloidi e interfacce di Potsdam hanno raggiunto una tale sfida ingegneristica costruendo una cellula sintetica in grado di incapsulare reazioni biochimiche fondamentali. Mostrano anche che un sistema così minimale può rispondere ai cambiamenti nell'ambiente.

Le cellule costituiscono i mattoni fondamentali della vita. Forniscono un ambiente distinto e dinamico per l'organizzazione delle molecole e delle reazioni necessarie per sostenere la vita. All'interno della cellula ci sono innumerevoli molecole tra cui il DNA, proteine, zuccheri, e grassi (lipidi) che devono unirsi in modi diversi. Capire, come le cellule organizzano tutti questi componenti per funzionare in un ambiente complesso, gli scienziati hanno costruito cellule sintetiche con meno componenti per progettare sistemi semplici che imitano determinati processi cellulari. Questo campo di ricerca della biologia sintetica combina ingegneria e biologia e si concentra sul prendere parti del sistema biologico naturale e semplificarlo.

Nonostante molti progressi nel campo della biologia sintetica, costruire sistemi dinamici è ancora molto difficile. Il gruppo di ricerca, finanziato attraverso la rete MaxSynBio, composto da Dora Tang del Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics di Dresda in collaborazione con Rumiana Dimova e Tom Robinson del Max-Planck-Institute of Colloids and Interfaces hanno ora costruito una cellula sintetica in grado di reagire ai cambiamenti nel ambiente. I ricercatori hanno costruito un compartimento con una membrana che contiene al suo interno un sottocompartimento privo di membrana. Questo sotto-scomparto può essere montato e smontato a seconda delle modifiche all'ambiente.

Sottoscomparti reattivi

La sfida principale durante questo processo è stata quella di creare un sottocompartimento dalle molecole che galleggiavano all'interno della cellula sintetica. Queste cellule sono state visualizzate mediante microscopia a fluorescenza. Celina Amore, il primo autore dello studio, spiega:"Proprio come le nostre papille gustative possono farci provare gusti salati o aspri, i componenti all'interno di una cellula possono anche rispondere all'acidità di un ambiente. Abbiamo scoperto che modificando il pH dell'ambiente, possiamo influenzare il comportamento delle molecole che si uniscono e la loro capacità di formare sotto-compartimenti. È stato particolarmente emozionante vedere come le reazioni chimiche potrebbero essere attivate e disattivate modificando l'acidità all'interno della cellula sintetica".

Dora Tang, il supervisore dello studio, fornisce una prospettiva:"Il nostro lavoro è un importante passo avanti nella progettazione di cellule sintetiche più complesse che possono imitare comportamenti biologici. Questo sistema sintetico sintonizzabile presenta interessanti possibilità nell'affrontare questioni fondamentali in biologia, come il modo in cui le cellule integrano una moltitudine e varietà di segnali dall'ambiente per eseguire e sintonizzare le funzioni cellulari di base come il metabolismo".