Een cake helemaal opnieuw bakken is voor velen een taak die als moeilijk wordt beschouwd. Een kunstmatig celachtig systeem van de grond af opbouwen, tja dat is een ander verhaal.

"Het vanaf nul synthetiseren van cellen is van fundamenteel belang om te begrijpen wat leven is, " zei prof. Yohei Yokobayashi, leider van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) Nucleic Acid Chemistry and Engineering Unit.

Wetenschappers over de hele wereld beginnen eenvoudige kunstmatige cellen te maken die enkele biologische basisfuncties uitvoeren en die kleine strengen DNA of RNA bevatten. Echter, het was een uitdaging om deze fragmenten van genetisch materiaal hun gecodeerde eiwitten tot expressie te brengen als reactie op precieze signalen.

Nutsvoorzieningen, Yokobayashi en andere onderzoekers van OIST en Osaka University hebben een manier gevonden om kunstmatige cellen te laten interageren met een breed scala aan chemicaliën. Ze ontwikkelden een riboswitch - een gen-switch die chemische signalen waarneemt - die kan reageren op histamine, een chemische verbinding die van nature in het lichaam wordt aangemaakt. In aanwezigheid van deze chemische stof, de riboswitch zet een gen in de kunstmatige cellen aan. Een dergelijk systeem, zou ooit kunnen worden gebruikt als een nieuwe manier om medicijnen toe te dienen, zei Yokobayashi, een corresponderende auteur van een recente studie in Tijdschrift van de American Chemical Society , die de aanpak beschrijft.

"We willen dat de cellen medicijnen vrijgeven op basis van hun detectie van histamine, " zei Yokobayashi. "Het uiteindelijke doel is om cellen in je darmen histamine te laten gebruiken als signaal om de juiste hoeveelheid medicijn vrij te geven om een ​​aandoening te behandelen."

Signaal selectie

De wetenschappers kozen histamine als het chemische signaal voor hun kunstmatige cellen, omdat het een belangrijke biologische verbinding is in het immuunsysteem. Als je jeuk voelt, histamine is de waarschijnlijke boosdoener. Het wordt ook door het lichaam afgegeven tijdens allergische reacties en helpt bij de verdediging tegen vreemde pathogenen door ontstekingen aan te wakkeren.

Om histamine op te sporen, ze creëerden een molecuul dat een RNA-aptameer wordt genoemd. RNA-aptameren zijn kleine segmenten van RNA-bouwstenen die kunnen worden gemanipuleerd om te werken als bindmiddelen voor specifieke doelmoleculen. Het kostte Yokobayashi en zijn collega's, voormalige OIST-postdocs Dr. Mohammed Dwidar en Dr. Shungo Kobori en OIST Ph.D. leerling Charles Whitaker, twee jaar om een ​​aptameer te maken dat zich richt op histamine.

Volgende, het team ontwikkelde een zogenaamde riboswitch die deze signaaldetectie in actie zou omzetten, met name het vertalen van een gen om een ​​eiwit te produceren. Normaal gesproken, cellen produceren eiwitten wanneer sjablonen gemaakt van boodschapper-RNA (mRNA) binden aan cellulaire structuren die ribosomen worden genoemd. Hier, de wetenschappers gebruikten de histamine-aptameer om een ​​riboswitch te ontwerpen die de vorm van het mRNA verandert bij het binden van histamine. Bij afwezigheid van histamine, de vorm van het mRNA voorkomt dat het ribosoom bindt, en er wordt geen eiwit geproduceerd. Histamine-gebonden mRNA, echter, laat ribosoom toe om eiwitten te binden en te synthetiseren.

"We hebben aangetoond dat riboswitches kunnen worden gebruikt om kunstmatige cellen te laten reageren op gewenste chemische verbindingen en signalen, ' zei Yokobayashi.

De volgende stap was het resultaat van een samenwerking met senior auteur Prof. Tomoaki Matsuura en afgestudeerde student Yusuke Seike van de afdeling Biotechnologie aan de Universiteit van Osaka. Matsuura en Seike hebben de celvrije riboswitch, gemaakt door Yokobayashi's team, in lipideblaasjes gestopt om kunstmatige cellen te creëren. Het Osaka-team bevestigde de riboswitch aan een gen dat een fluorescerend eiwit tot expressie brengt, zodat wanneer de riboswitch werd geactiveerd door histamine, het systeem gloeide. Vervolgens, ze controleerden een ander eiwit door de riboswitch - een die poriën op nanometerschaal op het celmembraan maakt. Toen de aptamer histamine voelde, een fluorescerende verbinding ingekapseld in de blaasjes werd via de poriën uit de cellen vrijgegeven, modelleren hoe het systeem een ​​medicijn zou afgeven.

De wetenschappers creëerden ook een "kill-schakelaar" die de cel instrueert om zichzelf te vernietigen - waardoor een controle over de technologie ontstaat.

De technologie bevindt zich in de beginfase van ontwikkeling. De volgende stap is om de kunstmatige cellen gevoeliger te maken voor een kleinere hoeveelheid histamine. Medisch gebruik kan in de verre toekomst zijn, maar het potentieel bestaat, zeggen de wetenschappers.