Wetenschappers hebben het potentieel van bacteriën aangewend om geavanceerde synthetische cellen te helpen bouwen die de functionaliteit in het echte leven nabootsen.

Het onderzoek, geleid door de Universiteit van Bristol en vandaag gepubliceerd in Nature , boekt belangrijke vooruitgang bij het inzetten van synthetische cellen, bekend als protocellen, om de complexe samenstelling, structuur en functie van levende cellen nauwkeuriger weer te geven.

Het tot stand brengen van levensechte functionaliteit in protocellen is een wereldwijde grote uitdaging op meerdere gebieden, variërend van bottom-up synthetische biologie en bio-engineering tot onderzoek naar de oorsprong van het leven. Eerdere pogingen om protocellen te modelleren met behulp van microcapsules zijn mislukt, dus het team van onderzoekers wendde zich tot bacteriën om complexe synthetische cellen te bouwen met behulp van een assemblageproces van levend materiaal.

Professor Stephen Mann van de Universiteit van Bristol's School of Chemistry, en het Max Planck Bristol Centre for Minimal Biology samen met collega's Drs Can Xu, Nicolas Martin (momenteel aan de Universiteit van Bordeaux) en Mei Li in het Bristol Centre for Protolife Research hebben aangetoond een benadering van de constructie van zeer complexe protocellen met behulp van viskeuze microdruppels gevuld met levende bacteriën als microscopische bouwplaats.

In de eerste stap stelde het team de lege druppeltjes bloot aan twee soorten bacteriën. Eén populatie werd spontaan gevangen in de druppeltjes, terwijl de andere op het druppeloppervlak werd gevangen.

Vervolgens werden beide soorten bacteriën vernietigd, zodat de vrijgekomen cellulaire componenten gevangen bleven in of op het oppervlak van de druppeltjes om membraangecoate bacteriogene protocellen te produceren die duizenden biologische moleculen, onderdelen en stukjes machinerie bevatten.

De onderzoekers ontdekten dat de protocellen in staat waren om via glycolyse energierijke moleculen (ATP) te produceren en RNA en eiwitten te synthetiseren door in vitro genexpressie, wat aangeeft dat de overgeërfde bacteriële componenten actief bleven in de synthetische cellen.

Om de capaciteit van deze techniek verder te testen, gebruikte het team een ​​reeks chemische stappen om de bacteriogene protocellen structureel en morfologisch te hermodelleren. Het vrijgekomen bacteriële DNA werd gecondenseerd tot een enkele kernachtige structuur en het inwendige van de druppel geïnfiltreerd met een cytoskeletachtig netwerk van eiwitfilamenten en membraangebonden watervacuolen.

Als een stap in de richting van de constructie van een synthetische/levende celentiteit, implanteerden de onderzoekers levende bacteriën in de protocellen om zelfvoorzienende ATP-productie en langdurige energie voor glycolyse, genexpressie en cytoskeletassemblage te genereren. Vreemd genoeg hebben de protolerende constructies een amoebe-achtige externe morfologie aangenomen als gevolg van bacterieel metabolisme en groei ter plaatse om een ​​cellulair bionisch systeem te produceren met geïntegreerde levensechte eigenschappen.

Corresponderende auteur professor Stephen Mann zegt dat "het bereiken van een hoge organisatorische en functionele complexiteit in synthetische cellen moeilijk is, vooral onder bijna-evenwichtsomstandigheden. Hopelijk zal onze huidige bacteriogene benadering helpen om de complexiteit van de huidige protocelmodellen te vergroten, de integratie van talloze biologische componenten en maken de ontwikkeling van geactiveerde cytomimetische systemen mogelijk."

Eerste auteur Dr. Can Xu, onderzoeksmedewerker aan de Universiteit van Bristol, voegde toe dat hun "aanpak van levend materiaal een mogelijkheid biedt voor de bottom-up constructie van symbiotische levende/synthetische celconstructies. Met behulp van gemanipuleerde bacteriën zou het bijvoorbeeld mogelijk om complexe modules te fabriceren voor ontwikkeling in diagnostische en therapeutische gebieden van synthetische biologie, evenals in bioproductie en biotechnologie in het algemeen." + Verder verkennen

Protocellen op jacht