La costruzione di cellule sintetiche funzionali dal basso verso l'alto è uno sforzo continuo degli scienziati di tutto il mondo. Il loro uso nello studio dei meccanismi cellulari in un ambiente altamente controllato e predefinito crea un grande valore per la comprensione della natura e per lo sviluppo di nuovi approcci terapeutici. Gli scienziati del 2° Istituto di Fisica dell'Università di Stoccarda e colleghi del Max Planck Institute for Medical Research sono stati ora in grado di fare il passo successivo verso le cellule sintetiche.

Hanno introdotto citoscheletri funzionali basati sul DNA in compartimenti delle dimensioni di una cellula. I citoscheletri sono componenti essenziali di ciascuna cellula che ne controllano la forma, l'organizzazione interna e altre funzioni vitali come il trasporto di molecole tra le diverse parti della cellula. Dopo aver incorporato i citoscheletri nelle goccioline sintetiche, i ricercatori hanno anche mostrato funzionalità, incluso il trasporto di molecole o l'assemblaggio e lo smontaggio su determinati trigger. I risultati sono stati recentemente pubblicati su Nature Chemistry .

Sfida a imitare le funzioni del citoscheletro

Il citoscheletro è un componente cruciale di ogni cellula ed è costituito da varie proteine. Oltre alla funzione di base di dare alla cellula la sua forma, è essenziale per molti processi cellulari come la divisione cellulare, il trasporto intracellulare di varie molecole e la motilità in risposta alla segnalazione esterna. Data la sua importanza nei sistemi naturali, essere in grado di imitare la sua funzionalità in una configurazione artificiale è un passo importante verso la costruzione e la progettazione di una cellula sintetica. Tuttavia, presenta molte sfide a causa dei suoi diversi requisiti, tra cui stabilità, rapida adattabilità e reattività ai trigger.

I ricercatori nel campo della biologia sintetica hanno precedentemente utilizzato la nanotecnologia del DNA per ricreare componenti cellulari come imitazioni basate sul DNA di canali ionici o linker cellula-cellula. Per questo, sfruttano il fatto che il DNA può essere programmato o ingegnerizzato per autoassemblarsi in una forma pre-pianificata mediante accoppiamenti di basi complementari.

Filamenti di DNA come citoscheletro sintetico

"Le strutture sintetiche del DNA possono consentire compiti altamente specifici e programmati, nonché versatili possibilità di progettazione al di là di ciò che è disponibile dagli strumenti biologicamente definiti. In particolare, l'organizzazione strutturale delle strutture del DNA può discostarsi dalle loro controparti naturali, anche forse superando l'ambito funzionale di sistemi naturali", afferma Laura Na Liu, Professore al 2° Istituto di Fisica, Università di Stoccarda.

Inoltre, i ricercatori Paul Rothemund, Elisa Franco e Rebecca Schulman, erano già riusciti ad assemblare il DNA in filamenti su scala micrometrica, che costituiscono la base per la costruzione di un citoscheletro. Da allora, questi filamenti sono stati dotati di diverse funzioni, come il montaggio e lo smontaggio su stimolazione esterna o all'interno di un compartimento. Gli scienziati dell'Università di Stoccarda e l'MPI for Medical Research hanno ora compiuto il passo successivo nella costruzione di una cellula artificiale, utilizzando i filamenti come citoscheletro sintetico e conferendo loro diverse funzionalità.

"È entusiasmante che possiamo anche innescare l'assemblaggio del citoscheletro del DNA con l'ATP, le stesse molecole utilizzate dalle cellule per alimentare meccanismi diversi", afferma Kerstin Göpfrich, leader del gruppo di ricerca Max Planck presso l'MPI per la ricerca medica.

Velocità del trasporto delle vescicole

Inoltre, il team di scienziati è stato in grado di indurre il trasporto di vescicole lungo i filamenti utilizzando il meccanismo del ponte bruciato introdotto da Khalid Salaita. Questo imita il trasporto delle vescicole lungo parti del citoscheletro naturale nelle cellule, chiamate microtubuli. "Rispetto al trasporto nelle cellule viventi, il trasporto lungo i nostri filamenti di DNA è ancora lento. Accelerarlo sarà una sfida per il futuro", afferma Kevin Jahnke, primo autore condiviso dell'articolo e postdottorato nel gruppo di Kerstin Göpfrich all'MPIMR.

Pengfei Zhan, post-dottorato nel gruppo guidato dalla prof.ssa Laura Na Liu a Stoccarda, aggiunge:"È stata anche una sfida mettere a punto i paesaggi energetici delle capacità di assemblaggio e disassemblaggio dei filamenti della nanostruttura del DNA". In futuro, funzionalizzare ancora di più i filamenti di DNA sarà fondamentale per imitare ancora meglio le cellule naturali. In tal modo, i ricercatori potrebbero creare cellule sintetiche per studiare i meccanismi cellulari in modo più dettagliato o sviluppare nuovi approcci terapeutici. + Esplora ulteriormente

Lo studio mostra che il citoscheletro cellulare fa più che sostenere una cellula, trasferisce energia