Într-o performanţă menită să înţeleagă modul în care se mişcă celulele pentru a crea noi modalităţi de transport a medicamentelor prin organism, oamenii de ştiinţă de la Johns Hopkins Medicine spun că au construit o celulă sintetică ce a demonstrat comportamente biologice asemănătoare cu cele ale unei celule naturale.
O etapă care precede mişcarea celulară, denumită „ruperea simetriei", are loc atunci când moleculele unei celule, care sunt iniţial aranjate simetric, se reorganizează într-un model sau formă asimetrică, de obicei ca răspuns la stimuli.
Acest lucru este similar cu modul în care păsările migratoare rup simetria stolului atunci când se schimbă într-o nouă formaţie ca răspuns la o busolă din mediu, cum ar fi lumina soarelui sau alte repere.
La nivel microscopic, celulele imune detectează semnalele chimice concentrate la un focar de infecţie şi îşi rup simetria pentru a traversa peretele unui vas de sânge şi a ajunge la ţesutul infectat.
Pe măsură ce celulele rup simetria, ele se transformă în structuri polarizate şi asimetrice care le pregătesc să se deplaseze spre ţinta lor.
Înţelegerea modului în care funcţionează ruperea simetriei este esenţială pentru a debloca fundamentele biologiei şi pentru a descoperi cum pot fi valorificate aceste informaţii pentru a concepe terapii.
„Noţiunea de rupere a simetriei este crucială pentru viaţă, având un impact asupra unor domenii atât de diverse precum biologia, fizica şi cosmologia", spune într-un comunicat Shiva Razavi, doctor în biologie, care a condus cercetarea în calitate de absolventă la Johns Hopkins şi care este acum bursier postdoctoral la Institutul de Tehnologie din Massachusetts (MIT).
Găsirea unor modalităţi de a imita şi de a controla ruperea simetriei în celulele sintetice este considerată de multă vreme esenţială pentru a înţelege modul în care celulele îşi pot studia mediul chimic şi îşi pot rearanja, ca răspuns, profilul chimic şi forma.
Pentru acest studiu, oamenii de ştiinţă au creat o veziculă gigantică cu o membrană cu două straturi - o celulă sintetică simplificată (primitivă), fără resturi, sau o protocelulă, alcătuită din fosfolipide, proteine purificate, săruri şi ATP care furnizează energie. Cu forma sa sferică, protocelula este supranumită „bulă".
În experimentele lor, oamenii de ştiinţă au reuşit să creeze cu succes o protocelulă cu o capacitate de detectare a substanţelor chimice care determină celula să rupă simetria, trecând de la o sferă aproape perfectă la o structură neuniformă.
Sistemul a fost conceput special pentru a imita primul pas al unui răspuns imunitar, fiind capabil să dea semnalul pentru ca neutrofilele să atace germenii pe baza proteinelor pe care le simt în jurul lor, spun cercetătorii.
„Studiul nostru demonstrează modul în care o entitate asemănătoare unei celule poate simţi direcţia unui indiciu chimic extern, imitând condiţiile pe care le-ai găsi într-un organism viu", spune Razavi.
Construind de la zero o structură asemănătoare unei celule, oamenii de ştiinţă pot identifica şi înţelege mai bine componentele esenţiale necesare pentru ca o celulă să rupă simetria în forma sa cea mai simplificată.
Într-o bună zi, detectarea chimică ar putea fi folosită pentru livrarea ţintită a medicamentelor în organism, spun cercetătorii.
„Ideea este că putem împacheta orice dorim în aceste bule - proteine, ARN, ADN, agenţi de contrast sau molecule mici - spunem celulei unde să se ducă folosind detecţia chimică, iar apoi facem ca celula să explodeze în apropierea ţintei vizate, astfel încât să poată fi eliberat un medicament", explică autorul principal Takanari Inoue, profesor de biologie celulară şi director al Centrului pentru dinamică celulară de la Johns Hopkins Medicine.
Pentru a activa capacitatea de detectare chimică a veziculei, cercetătorii au plantat două proteine care acţionează ca întrerupătoare moleculare - numite FKBP şi FRB - în interiorul celulei sintetice. Proteina FKBP a fost plasată în centrul celulei, în timp ce FRB a fost plantată pe membrană.
Atunci când cercetătorii au introdus o substanţă chimică - rapamicina - în afara celulei, FKBP s-a deplasat către membrană pentru a se lega de FRB, declanşând un proces numit polimerizare a actinei, sau o reorganizare a scheletului celulei sintetice.
În interiorul protocelulei, reacţia chimică a dus la apariţia unei structuri în formă de tijă alcătuită din actină care a exercitat presiune asupra membranei celulare, îndoind-o.
Cercetătorii au folosit un tip specializat de imagistică 3D rapidă, numit microscopie confocală, pentru a înregistra capacitatea de detectare chimică a protocelulelor; ei au trebuit să înregistreze rapid imaginile, la o rată de un cadru la fiecare 15-30 de secunde, deoarece protocelulele au răspuns rapid la semnalul chimic.
În continuare, cercetătorii îşi propun să echipeze aceste celule sintetice cu capacitatea de a se deplasa spre o ţintă dorită.
În cele din urmă, echipa speră să creeze celule sintetice care ar putea avea aplicaţii potenţiale semnificative în livrarea de medicamente ţintite, detectarea mediului şi alte domenii în care mişcarea precisă şi răspunsul la stimuli au un rol cheie.
Studiul a fost publicate la miercuri în revista Science Advances.
Folosind o imagine microscopică şi o redare grafică, imaginea ilustrează o celulă sintetică primitivă care poate simţi un indiciu chimic direcţional şi se poate auto-organiza ca răspuns. Credit: Laboratorul Inoue de la Institutul Medical Johns Hopkins, creat de Shiva Razavi şi Turhan Pathan, iunie 2024
