science >> Wetenschap >  >> Chemie

Copycat-cellen beschikken over nieuwe communicatiekrachten

Leden van de Devaraj Research Group staan ​​klaar voor leiding van professor Neal Devaraj (uiterst rechts). Krediet:Michelle Fredricks

Van kryptoniet voor Superman tot plantengif voor gifsumak, chemische reacties in de lichaamscellen kunnen transformerend zijn. En, als het gaat om het transmuteren van cellen, UC San Diego-onderzoekers worden superheldachtige copycats.

Onlangs benoemd tot Blavatnik National Laureate in Chemistry, Neal Devaraj, samen met onderzoekscollega's Henrike Niederholtmeyer en Cynthia Chaggan, gebruikte materialen zoals klei en plastic om synthetische cellen - of 'cel-nabootsers' - te maken die in staat zijn tot genexpressie en communicatie die wedijveren met die van levende cellen. Volgens sommige wetenschappers deze onderzoeksresultaten, onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie , zou dit jaar een van de belangrijkste in de synthetische biologie kunnen zijn.

Boodschap van Hoop

Werken met cel-nabootsers is een hoopvolle wetenschappelijke onderneming vanwege de mogelijke toepassingen die kunstmatige cellen bieden. Bijvoorbeeld, na meer onderzoek om hun veilige en betrouwbare toepassing te garanderen, synthetische cellen kunnen uiteindelijk worden gemanipuleerd om kankercellen in het lichaam van een patiënt te herkennen en zich eraan te hechten, waardoor nauwkeurige toediening van medicijnen mogelijk is - zonder gezonde cellen te beïnvloeden - en de bijwerkingen van chemotherapie te verminderen.

Aanvullend, kunstmatige cellen kunnen dienen als biosensoren voor giftige chemicaliën in het milieu, laat het ons weten, bijvoorbeeld, dat water onveilig is om te drinken. Ze zouden diagnostische tests kunnen verbeteren met hun kleine formaat en biocompatibiliteit, waardoor een groep celnabootsers verschillende tests tegelijk zou kunnen uitvoeren met slechts een kleine hoeveelheid bloed. Interactieve cel-nabootsers zouden zelfs kunstmatige weefsels kunnen vormen die zich onafhankelijk ontwikkelen tot kleine, structuren met micropatronen - vergelijkbaar met computerchips die zich vanzelf zouden kunnen vormen. Wetenschappers verwachten ook dat het proces van het maken van synthetische cellen kan leiden tot een beter begrip van de oorsprong en evolutie van het leven.

Maar, er is een vangst.

"Als we synthetische materialen gaan ontwikkelen, we moeten de afzonderlijke eenheden laten samenwerken, " merkte Devaraj op, een professor in de afdeling Scheikunde en Biochemie van UC San Diego.

Belang van informatieoverdracht

Tot nu, cel-nabootsers hebben enigszins gecommuniceerd door kleine moleculen uit te wisselen; bijvoorbeeld suiker en waterstofperoxide. Toch konden ze niet met elkaar praten via grote moleculaire eiwitten zoals insuline of groeifactoren. Op een basale manier, het is net als wanneer we een grote bestandsbijlage via e-mail proberen te verzenden om alleen een foutmelding te ontvangen. Dus, net zoals het voor ons belangrijk is om informatie met succes per e-mail te kunnen bezorgen, het is ook uiterst belangrijk voor de lichaamscellen om te communiceren via eiwitsignalen.

Krediet:Universiteit van Californië - San Diego

Om deze beperking in kunstmatige celsynthese aan te pakken, Devaraj en zijn team maakten microfluïdische chips van een siliconenpolymeer om druppeltjes DNA naar buiten te duwen die coderen voor groen fluorescerend eiwit (GFP), mineralen uit klei en voorlopers voor acrylplastic. Vervolgens, met behulp van ultraviolet licht en chemicaliën, ze veroorzaakten de vorming van een sponsachtig membraan rond elke druppel, terwijl het DNA in elke druppel condenseerde tot een gelachtige substantie om een ​​neo-kern te creëren. De onderzoekers gaven hun cel-nabootsers ook het vermogen om eiwitten te synthetiseren. Hun methodologie maakte de overdracht van informatie over het nieuwe membraan mogelijk. Het resultaat was een cel-nabootser die eiwitsignalen naar naburige cellen kon sturen.

Naburige eigenschappen van copycat-cellen

Volgens Niederholtmeyer, deze spraakzame pseudo-cellen, "Zien eruit en gedragen zich als natuurlijke cellen, maar ze zijn gemaakt van volledig kunstmatige materialen." Andere levensechte eigenschappen van de cel-nabootsers zijn onder meer quorum sensing - gedragsveranderingen tussen dichte cellen, taakverdeling en cellulaire differentiatie volgens de lokale omgeving.

"We waren verrast en opgewonden dat onze cel-nabootsers hun dichtheid zo nauwkeurig konden voelen, wat betekent dat ze konden voelen hoeveel buren ze hadden, ook al hadden ze geen nauw contact met hen, "zei Niederholtmeyer. "Dat was verrassend omdat het moleculaire netwerk dat leidde tot het quorum-waarnemingsgedrag in onze cel-nabootsers heel anders is dan hoe quorum-waarneming in bacteriële cellen werkt."

Belofte voor toekomstige studie, wetenschappelijke samenwerking

Als superhelden, de synthetische cellen zijn veerkrachtig, blijven gedurende lange tijd intact na bevriezing en zelfs bij omgevingstemperaturen. Deze veerkracht maakt ze ideale kandidaten voor omgevingssensoren, een kans voor toekomstig onderzoek door de wetenschappers van UC San Diego. Aanvullend, de stabiliteit en programmeerbaarheid van cel-nabootsers maakt ze ook spannend voor andere wetenschappers.

"Ze zijn gemakkelijk te delen tussen onderzoeksgroepen en kunnen door DNA worden geprogrammeerd om elk RNA tot expressie te brengen, eiwit of pad, ", voegde Niederholtmeyer eraan toe.

Volgens de postdoctoraal wetenschapper de resultaten van de driejarige studie bieden veel potentiële toepassingen en manieren om deze celnabootsers verder te ontwikkelen.

"Bijvoorbeeld, we zijn al benaderd door andere onderzoekers van UC San Diego die willen proberen om materialen van onze celimitaties in levende cellen te gebruiken om ziekten te bestrijden. We zijn ook geïnteresseerd in de verdere ontwikkeling van het membraan, bijvoorbeeld zodat het kan reageren op prikkels en om het biologisch actiever te maken. Onze cel-nabootsers zijn zeer programmeerbaar, ", aldus Niederholtmeyer. "Een ander belangrijk voordeel is dat ze zo stabiel zijn, wat het delen van deze cel-nabootsers in samenwerkingsprojecten gemakkelijk zal maken."

Bij UC San Diego, onze onderzoeksinspanningen zijn bedoeld om de wereld ten goede te veranderen - door middel van nieuwe medicijnen, innovatieve technologieën en meer die ziekten zullen helpen aanpakken, wereldwijde veiligheid, publiek beleid, klimaatverandering en meer.