Friedrich Simmel en Aurore Dupin, onderzoekers van de Technische Universiteit van München (TUM), hebben voor het eerst kunstmatige celassemblages gemaakt die met elkaar kunnen communiceren. de cellen, gescheiden door vettige membranen, uitwisseling van kleine chemische signaalmoleculen om complexere reacties op gang te brengen, zoals de productie van RNA en andere eiwitten.

Wetenschappers over de hele wereld werken aan het creëren van kunstmatige, celachtige systemen die het gedrag van levende organismen nabootsen. Friedrich Simmel en Aurore Dupin hebben dergelijke kunstmatige celassemblages in een vaste ruimtelijke opstelling gemaakt. Het hoogtepunt is dat de cellen met elkaar kunnen communiceren.

"Ons systeem is een eerste stap naar weefselachtige, synthetische biologische materialen die complex ruimtelijk en temporeel gedrag vertonen waarin individuele cellen zich specialiseren en differentiëren, niet anders dan biologische organismen, " legt Friedrich Simmel uit, Hoogleraar fysica van synthetische biosystemen (E14) aan de TU München.

Genexpressie in een vaste structuur

Gels of emulsiedruppels ingekapseld in dunne vet- of polymeermembranen dienen als basisbouwstenen voor de kunstmatige cellen. Binnen deze eenheden van 10 tot 100 micron, chemische en biochemische reacties kunnen ongeremd verlopen.

Het onderzoeksteam gebruikte druppeltjes omsloten door lipidemembranen en assembleerde ze tot kunstmatige meercellige structuren die microweefsels worden genoemd. De biochemische reactie-oplossingen die in de druppeltjes worden gebruikt, kunnen RNA en eiwitten produceren, waardoor de cellen een soort van genexpressievermogen krijgen.

Signaaluitwisseling en ruimtelijke differentiatie van cellen

Maar dat is niet alles:kleine signaalmoleculen kunnen tussen cellen worden uitgewisseld via hun membranen of eiwitkanalen die in de membranen zijn ingebouwd. Hierdoor kunnen ze tijd en ruimte aan elkaar koppelen. De systemen worden zo dynamisch, zoals in het echte leven.

Zo planten chemische pulsen zich voort door de celstructuren en geven informatie door. De signalen kunnen ook fungeren als triggers, waardoor aanvankelijk identieke cellen zich anders kunnen ontwikkelen. “Ons systeem is het eerste voorbeeld van een meercellig systeem waarin kunstmatige cellen met genexpressie een vaste opstelling hebben en via chemische signalen gekoppeld zijn. bereikten we een vorm van ruimtelijke differentiatie, ' zegt Simmel.

modellen, minifabrieken en microsensoren

Het ontwikkelen van dit soort synthetische systemen is belangrijk omdat ze wetenschappers in staat stellen fundamentele vragen over het ontstaan ​​van leven in een model te onderzoeken. Complexe organismen werden pas mogelijk nadat cellen zich begonnen te specialiseren en het werk tussen samenwerkende cellen gingen verdelen. Hoe dit tot stand kwam, is een van de meest fascinerende vragen in fundamenteel onderzoek.

Met behulp van een modulair bouwpakket van op maat gemaakte celsystemen, de onderzoekers hopen in de toekomst verschillende eigenschappen van biologische systemen te kunnen simuleren. Het idee is dat cellen reageren op hun omgeving en zelfstandig leren handelen.

De eerste toepassingen zijn al in zicht:op termijn kunstmatige celassemblages kunnen worden ingezet als minifabrieken om specifieke biomoleculen te produceren, of als kleine micro-robotsensoren die informatie verwerken en zich aanpassen aan hun omgeving.

Cellen van een 3D-printer

Friedrich Simmel en Aurore Dupin assembleren hun celsystemen nog steeds handmatig met behulp van micromanipulatoren. In de toekomst, echter, ze zijn van plan om samen te werken met de Hogeschool van München, bijvoorbeeld, om systematisch grotere en meer levensechte systemen te bouwen met behulp van 3D-printtechnologie.