Într-o premieră mondială, cercetătorii au creat cea mai simplă celulă artificială capabilă să se orienteze și să migreze către substanțe specifice, folosind exclusiv reacții chimice pentru a imita unul dintre cele mai fundamentale procese ale vieții.
Descoperirea, publicată în prestigioasa revistă Science Advances, demonstrează cum simple bule microscopice pot fi programate pentru a urma trasee chimice, deschizând o nouă fereastră către înțelegerea originilor vieții și evoluției. Echipa de la Institutul de Bioinginerie din Catalonia (IBEC) a dezvoltat o „celulă minimală”, o veziculă lipidică ce încapsulează enzime, capabilă să se autopropulseze prin chimiotaxie.
Cum poate fi o celulă artificială capabilă să se orienteze singură
Transportul celular este un pilon al biologiei, iar chimiotaxia – mișcarea direcționată ca răspuns la un stimul chimic – este o strategie esențială pentru nenumărate organisme.
„Bacteriile se bazează pe ea pentru a găsi hrană, celulele albe din sânge o folosesc pentru a ajunge la locurile infectate, iar chiar și spermatozoizii se îndreaptă către ovul prin chimiotaxie”, explică Bárbara Borges Fernandes, doctorandă la IBEC și autoarea principală a studiului, conform phys.org.
„Ceea ce ne fascinează în mod deosebit este faptul că acest tip de mișcare dirijată poate avea loc chiar și fără mecanismele complexe implicate de obicei, cum ar fi flagelii. Prin recrearea sa într-un sistem sintetic minimal, ne propunem să descoperim principiile de bază care fac posibilă o astfel de mișcare”, a adăugat cercetătoarea.
Capacitatea de a proiecta o astfel de celulă artificială ar putea ajuta oamenii de știință să descifreze modul în care unitățile celulare simple au stat la baza evoluției către structuri mai complexe.
„Aceste celule sintetice sunt ca niște schițe ale sistemului de navigație al naturii. Construiește simplu, înțelege profund.”, spune autorul coordonator, profesorul Giuseppe Battaglia.
Pentru a realiza această performanță, echipa a proiectat vezicule pe bază de lipide, numite lipozomi, în care au încapsulat enzime specifice: glucoză oxidază sau urează. Aceste enzime au rolul de a transforma glucoza și, respectiv, ureea din mediul înconjurător.
Cheia sistemului a fost modificarea lipozomilor prin adăugarea unei proteine care formează pori în membrană. Această proteină acționează ca un canal, permițând substraturilor (glucoză sau uree) să intre în celula sintetică și produselor reacției să iasă.
Mișcarea activă depinde de ruperea simetriei. Prin concentrarea enzimelor în interior și folosirea porilor ca puncte de evacuare, se creează o diferență de concentrație chimică în jurul particulei. Acest dezechilibru generează un flux de fluid de-a lungul suprafeței, care propulsează vezicula. Practic, lipozomul este barca, iar porii și enzima formează motorul și sistemul său de navigație.
Pentru a valida modelul, echipa a analizat traiectoriile a peste 10.000 de vezicule în canale microfluidice cu gradiente de glucoză sau uree. Au comparat comportamentul veziculelor active, cu un număr variabil de pori, cu cel al veziculelor de control, care nu aveau pori.
„Observăm că veziculele de control se deplasează pasiv către concentrații mai mici de substrat. Însă, pe măsură ce numărul de pori din veziculele active crește, componenta chimiotactică devine dominantă. În cele din urmă, acest lucru inversează direcția de mișcare, determinând veziculele să navigheze activ către zone cu concentrații mai mari de substrat”, a explicat Borges.
Aceste rezultate sunt extrem de promițătoare, deoarece elementele folosite – lipide, enzime și pori – sunt omniprezente în structura majorității celulelor vii.
„Priviți mișcarea unei vezicule. Priviți-o cu atenție. Acea mică bulă ascunde secrete: modul în care celulele comunică, modul în care transportă încărcătura vieții. Dar mecanismul biologiei este zgomotos, are prea multe piese! Așa că trișăm. Reconstruim întregul dans cu doar trei elemente: o coajă grasă, o enzimă și un por.”, spune Battaglia.
„Fără agitație. Acum, regulile ascunse ies la iveală. Aceasta este puterea biologiei sintetice: descompune un puzzle până la esență și, brusc, vezi muzica în haos. Ce părea odată încurcat? Chimie pură, elegantă, care face mai mult cu mai puțin.”, a mai spus cercetătorul
