L'interno di una cellula vivente è un luogo affollato, con proteine e altre macromolecole strettamente impacchettate insieme. Un team di scienziati della Carnegie Mellon University ha approssimato questo affollamento molecolare in un sistema cellulare artificiale e ha scoperto che gli spazi ristretti aiutano il processo di espressione genica, soprattutto quando altre condizioni sono tutt'altro che ideali.
Come riportano i ricercatori in una pubblicazione online anticipata della rivista Nanotecnologia della natura , questi risultati possono aiutare a spiegare come le cellule si sono adattate al fenomeno dell'affollamento molecolare, che è stato preservato attraverso l'evoluzione. E questa comprensione può guidare i biologi sintetici mentre sviluppano cellule artificiali che un giorno potrebbero essere utilizzate per la somministrazione di farmaci, produzione di biocarburanti e biosensori.
"Questi sono piccoli passi che stiamo facendo per imparare a creare cellule artificiali, " disse Cheemeng Tan, un Lane Postdoctoral Fellow e un Branco-Weiss Fellow nel Lane Center for Computational Biology, che ha condotto lo studio. La maggior parte degli studi sui sistemi biologici sintetici oggi impiegano la chimica basata su soluzioni, che non comporta affollamento molecolare. I risultati dello studio CMU e le lezioni dell'evoluzione suggeriscono che i bioingegneri dovranno creare affollamento nelle cellule artificiali se i circuiti genetici sintetici devono funzionare come farebbero nelle cellule reali.
Il gruppo di ricerca, che includeva Russell Schwartz, professore di scienze biologiche; Philip LeDuc, professore di ingegneria meccanica e scienze biologiche; Marcel Bruchez, professore di chimica; e Saumya Saurabh, un dottorato di ricerca studente di chimica, sviluppato il loro sistema cellulare artificiale utilizzando componenti molecolari dal batteriofago T7, un virus che infetta i batteri che viene spesso utilizzato come modello nella biologia sintetica.
Per imitare l'affollato ambiente intracellulare, i ricercatori hanno utilizzato varie quantità di polimeri inerti per misurare gli effetti dei diversi livelli di densità.
L'affollamento in una cella non è molto diverso da una folla di persone, ha detto Tan. Se solo poche persone sono in una stanza, è facile per le persone socializzare, o addirittura isolarsi. Ma in una stanza affollata dove è difficile muoversi, gli individui tendono spesso a stare vicini l'uno all'altro per lunghi periodi. La stessa cosa accade in una cella. Se lo spazio intracellulare è affollato, aumenta il legame tra le molecole.
In particolare, i ricercatori hanno scoperto che gli ambienti densi hanno anche reso la trascrizione genica meno sensibile ai cambiamenti ambientali. Quando i ricercatori hanno alterato le concentrazioni di magnesio, ammonio e spermidina, sostanze chimiche che modulano la stabilità e il legame delle macromolecole, hanno riscontrato maggiori perturbazioni dell'espressione genica in ambienti a bassa densità rispetto a quelli ad alta densità.
"I sistemi cellulari artificiali hanno un enorme potenziale per le applicazioni nella somministrazione di farmaci, biorisanamento e calcolo cellulare, " ha detto Tan. "I nostri risultati sottolineano come gli scienziati potrebbero sfruttare i meccanismi di funzionamento delle cellule naturali a loro vantaggio per controllare questi sistemi cellulari sintetici, così come nei sistemi ibridi che combinano materiali sintetici e cellule naturali".
