Het bouwen van functionele synthetische cellen van onderaf is een voortdurende inspanning van wetenschappers over de hele wereld. Het gebruik ervan bij het bestuderen van cellulaire mechanismen in een sterk gecontroleerde en vooraf gedefinieerde omgeving creëert grote waarde voor het begrijpen van de natuur en het ontwikkelen van nieuwe therapeutische benaderingen. Wetenschappers van het 2nd Physics Institute van de Universiteit van Stuttgart en collega's van het Max Planck Institute for Medical Research konden nu de volgende stap zetten naar synthetische cellen.

Ze introduceerden functionele op DNA gebaseerde cytoskeletten in compartimenten ter grootte van een cel. Cytoskeletten zijn essentiële componenten van elke cel die hun vorm, interne organisatie en andere vitale functies regelen, zoals het transport van moleculen tussen verschillende delen van de cel. Bij het opnemen van de cytoskeletten in de synthetische druppeltjes, toonden de onderzoekers ook functionaliteit, inclusief het transport van moleculen of assemblage en demontage bij bepaalde triggers. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in Nature Chemistry .

Uitdaging om cytoskeletfuncties na te bootsen

Het cytoskelet is een cruciaal onderdeel van elke cel en bestaat uit verschillende eiwitten. Naast de basisfunctie om de cel zijn vorm te geven, is het essentieel voor veel cellulaire processen zoals celdeling, intracellulair transport van verschillende moleculen en beweeglijkheid als reactie op externe signalering. Vanwege het belang ervan in natuurlijke systemen, is het kunnen nabootsen van de functionaliteit ervan in een kunstmatige opstelling een belangrijke stap in de richting van het bouwen en ontwerpen van een synthetische cel. Het brengt echter veel uitdagingen met zich mee vanwege de uiteenlopende vereisten, waaronder stabiliteit en snel aanpassingsvermogen en reactiviteit op triggers.

Onderzoekers op het gebied van synthetische biologie hebben eerder DNA-nanotechnologie gebruikt om cellulaire componenten te recreëren, zoals op DNA gebaseerde nabootsingen van ionenkanalen of cel-cel-linkers. Hiervoor profiteren ze van het feit dat DNA kan worden geprogrammeerd of gemanipuleerd om zichzelf in een vooraf geplande vorm te assembleren door complementaire basenparing.

DNA-filamenten als synthetisch cytoskelet

"Synthetische DNA-structuren kunnen zeer specifieke en geprogrammeerde taken mogelijk maken, evenals veelzijdige ontwerpmogelijkheden die verder gaan dan wat beschikbaar is met de biologisch gedefinieerde hulpmiddelen. Vooral de structurele organisatie van de DNA-structuren kan afwijken van hun natuurlijke tegenhangers, zelfs mogelijk groter dan de functionaliteit van de natuurlijke systemen", zegt Laura Na Liu, professor aan het 2e Natuurkundig Instituut, Universiteit van Stuttgart.

Bovendien waren onderzoekers Paul Rothemund, Elisa Franco en Rebecca Schulman er al in geslaagd DNA te assembleren tot filamenten op micronschaal, die de basis vormen voor het bouwen van een cytoskelet. Sindsdien zijn deze filamenten uitgerust met diverse functies, zoals de montage en demontage bij externe stimulatie of in een compartiment. Wetenschappers van de Universiteit van Stuttgart en de MPI voor Medisch Onderzoek hebben nu de volgende stap gezet om een ​​kunstmatige cel te bouwen, door de filamenten te gebruiken als een synthetisch cytoskelet en ze verschillende functionaliteiten te geven.

"Het is opwindend dat we ook de assemblage van het DNA-cytoskelet met ATP kunnen activeren - dezelfde molecuulcellen gebruiken om verschillende mechanismen aan te sturen", zegt Kerstin Göpfrich, Max Planck Research Group Leader bij de MPI for Medical Research.

Het vesikeltransport versnellen

Bovendien was het team van wetenschappers in staat om het transport van blaasjes langs de filamenten te induceren met behulp van het door Khalid Salaita geïntroduceerde burnt-bridge-mechanisme. Dit bootst het transport van de blaasjes na langs delen van het natuurlijke cytoskelet in cellen, microtubuli genaamd. "Vergeleken met transport in levende cellen is het transport langs onze DNA-filamenten nog steeds traag. Het zal een uitdaging zijn voor de toekomst om het te versnellen", zegt Kevin Jahnke, gedeelde eerste auteur van het artikel en postdoc in de groep van Kerstin Göpfrich bij de MPIMR.

Pengfei Zhan, postdoc in de groep onder leiding van prof. Laura Na Liu in Stuttgart, voegt toe:"Het was ook een uitdaging om de energielandschappen van de assemblage- en demontagemogelijkheden van de filamenten van de DNA-nanostructuur te verfijnen." In de toekomst zal het nog meer functionaliseren van de DNA-filamenten cruciaal zijn om natuurlijke cellen nog beter na te bootsen. Daardoor zouden onderzoekers synthetische cellen kunnen creëren om cellulaire mechanismen in meer detail te bestuderen of nieuwe therapeutische benaderingen te ontwikkelen. + Verder verkennen

Onderzoek toont aan dat het cytoskelet van een cel meer doet dan een cel ophouden, het draagt ​​energie over