Le protocelle - cellule artificiali - che sono attive e imitano le cellule viventi muovendosi indipendentemente e che sono biocompatibili ed enzimaticamente attive sono ora possibili utilizzando un metodo migliorato sviluppato dai ricercatori della Penn State.

Le cellule viventi sono difficili da coltivare in laboratorio, così i ricercatori a volte lavorano con cellule sintetiche, ma questi hanno avuto limiti di ricerca perché mancano di caratteristiche cellulari reali.

"Una delle sfide della ricerca sulle cellule è che a volte è molto difficile eseguire esperimenti controllati sulla motilità di una cellula, soprattutto a causa dell'attività enzimatica di superficie, " ha detto Darrell Velegol, illustre professore di ingegneria chimica. "Il team di ricerca ha sviluppato un modo semplice per creare una cellula artificiale che non fa tutto quello che fa una cellula normale, come riprodurre, avere mutazioni genetiche o qualcosa del genere, ma si muove attivamente. Questo è importante perché il modo in cui le cellule si muovono è poco conosciuto, in particolare il modo in cui l'attività degli enzimi influisce sul movimento cellulare".

Le protocelle del team vengono utilizzate per studiare come l'attività di enzimi naturali come l'ATPasi può stimolare il movimento attivo delle protocelle. Il processo biochimico dell'enzima ATPasi comporta la conversione dell'ATP (adenosina trifosfato) nel prodotto ADP (adenosina difosfato). L'ATP è una sostanza chimica organica complessa che fornisce energia alle cellule viventi e l'ADP è un composto organico che svolge un ruolo importante nel modo in cui le cellule rilasciano e immagazzinano energia.

"I tentativi di esperimenti simili nell'ultimo decennio hanno avuto gli enzimi incorporati all'interno di sacchi di dimensioni micron chiamate vescicole polimeriche, o legato sulla superficie di particelle dure, " disse Subhadip Ghosh, ricercatore post-dottorato in chimica. "Ma questi tentativi non avevano una somiglianza biologica significativa come le nostre protocelle".

Negli esperimenti del gruppo di ricerca, le protocellule hanno vere e proprie membrane artificiali composte da un lipide naturale chiamato fosfatidilcolina. Gli enzimi ATPasi sono stati incorporati direttamente nella membrana.

"I nostri risultati fondamentalmente danno ad altri ricercatori i primi passi verso la creazione di cellule artificiali con attività enzimatica, " disse Gosh.

Un risultato inaspettato dello studio, che è stato reso disponibile online nell'agosto 2019 prima della pubblicazione finale l'11 settembre 2019 in un numero di Nano lettere , è accaduto durante esperimenti di diffusione che sono stati eseguiti a un singolo regime molecolare. Come previsto, il movimento delle protocelle era basso per basse concentrazioni di ATP.

"Piuttosto sorprendentemente, il movimento delle protocelle è diminuito significativamente ad alta concentrazione di ATP, " ha detto Ayusman Sen, il Verne M. Willaman Professore di Chimica alla Penn State.

Secondo i ricercatori, questo era controintuitivo come premere il pedale del gas di un'automobile e far rallentare il veicolo. Dopo aver eseguito esperimenti di controllo completi, i ricercatori hanno concluso che quando la concentrazione di ADP è elevata, può legarsi all'ATPasi e sopprimere l'attività dell'ATP del substrato, causando una ridotta motilità.

Avere la capacità di fabbricare le protocelle enzimaticamente attive apre nuove opportunità. Armati di questi imitatori di cellule viventi mobili, i ricercatori mirano a rivelare i meccanismi fondamentali che regolano la dinamica della membrana attiva e il movimento cellulare. Data l'attuale comprensione limitata di come si muovono le cellule, compreso il modo in cui l'azione enzimatica interagisce con il movimento cellulare, i membri del team di ricerca ritengono che il loro lavoro possa avere implicazioni significative per la futura ricerca medica.

"Una sfida chiave è stimare le forze meccaniche che guidano il movimento della protocella, e per scoprire i cambiamenti nella struttura dell'enzima durante quel processo, " disse Farzad Mohajerani, assistente di ricerca in ingegneria chimica. "Sapere che la relazione struttura-funzione per il movimento delle protocelle consentirà la loro progettazione per potenziali applicazioni in vivo come il rilevamento medico e l'analisi di laboratorio".