Cellen zijn de basiseenheid van het leven. Ze bieden een omgeving voor de fundamentele moleculen van het leven om te interageren, om reacties te laten plaatsvinden en het leven in stand te houden. Echter, de biologische cel is erg ingewikkeld, waardoor het moeilijk te begrijpen is wat er binnenin gebeurt. Een manier om dit biologische probleem aan te pakken is om een ​​synthetische minimale cel te ontwerpen als een eenvoudiger systeem in vergelijking met biologische cellen. Onderzoekers van het Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics in Dresden en het Max-Planck-Institute of Colloids and Interfaces in Potsdam hebben een dergelijke technische uitdaging bereikt door een synthetische cel te bouwen die fundamentele biochemische reacties kan inkapselen. Ze laten ook zien dat zo'n minimaal systeem kan reageren op veranderingen in de omgeving.

Cellen vormen de basisbouwstenen van het leven. Ze bieden een duidelijke en dynamische omgeving voor de organisatie van moleculen en reacties die nodig zijn om het leven in stand te houden. In de cel bevinden zich talloze moleculen, waaronder DNA, eiwitten, suikers, en vetten (lipiden) die op verschillende manieren bij elkaar moeten komen. Begrijpen, hoe cellen al deze componenten organiseren om te functioneren in een complexe omgeving, wetenschappers hebben synthetische cellen gebouwd met minder componenten om eenvoudige systemen te bouwen die bepaalde cellulaire processen nabootsen. Dit onderzoeksgebied van synthetische biologie combineert techniek en biologie en richt zich op het overnemen en vereenvoudigen van delen van het natuurlijke biologische systeem.

Ondanks veel vooruitgang op het gebied van synthetische biologie, het bouwen van dynamische systemen is nog steeds erg moeilijk. Het onderzoeksteam, gefinancierd via het MaxSynBio-netwerk, bestaande uit Dora Tang van het Max Planck Instituut voor Moleculaire Celbiologie en Genetica in Dresden in samenwerking met Rumiana Dimova en Tom Robinson van het Max-Planck-Instituut voor Colloïden en Interfaces hebben nu een synthetische cel gebouwd die kan reageren op veranderingen in de omgeving. De onderzoekers construeerden een compartiment met een membraan met daarin een membraanvrij subcompartiment. Dit subcompartiment kan worden gemonteerd en gedemonteerd afhankelijk van veranderingen in de omgeving.

Responsieve subcompartimenten

De belangrijkste uitdaging tijdens dit proces was om een ​​subcompartiment te creëren van moleculen die in de synthetische cel dreven. Deze cellen werden zichtbaar gemaakt door middel van fluorescentiemicroscopie. Celina Liefs, de eerste auteur van de studie, legt uit:"Net zoals onze smaakpapillen ons smaken kunnen laten ervaren die zout of zuur zijn, componenten in een cel kunnen ook reageren op de zuurgraad van een omgeving. We ontdekten dat door de pH van de omgeving te veranderen, we kunnen het gedrag van moleculen die samenkomen en hun vermogen om subcompartimenten te vormen, beïnvloeden. Het was vooral spannend om te zien hoe chemische reacties aan en uit konden worden gezet door de zuurgraad in de synthetische cel te veranderen."

Dora Tang, de begeleider van de studie, geeft een vooruitblik:"Ons werk is een grote stap voorwaarts in het ontwerp van complexere synthetische cellen die biologisch gedrag kunnen nabootsen. Dit afstembare synthetische systeem biedt opwindende mogelijkheden bij het aanpakken van fundamentele vragen in de biologie, zoals hoe cellen een veelvoud en verscheidenheid aan signalen uit de omgeving integreren om elementaire cellulaire functies zoals metabolisme uit te voeren en af ​​te stemmen."