In een nieuwe studie gepubliceerd in Nature Chemistry beschrijven UNC-Chapel Hill-onderzoeker Ronit Freeman en haar collega's de stappen die ze hebben genomen om DNA en eiwitten – essentiële bouwstenen van het leven – te manipuleren om cellen te creëren die eruit zien en zich gedragen als lichaamscellen. Deze prestatie, een primeur op dit gebied, heeft gevolgen voor de inspanningen op het gebied van de regeneratieve geneeskunde, systemen voor medicijntoediening en diagnostische hulpmiddelen.

"Met deze ontdekking kunnen we technische stoffen of weefsels bedenken die gevoelig kunnen zijn voor veranderingen in hun omgeving en zich op dynamische manieren kunnen gedragen", zegt Freeman, wiens laboratorium zich bevindt in de afdeling Toegepaste Fysische Wetenschappen van het UNC College of Arts and Sciences.

Cellen en weefsels zijn gemaakt van eiwitten die samenkomen om taken uit te voeren en structuren te maken. Eiwitten zijn essentieel voor het vormen van het raamwerk van een cel, het cytoskelet genoemd. Zonder dit zouden cellen niet kunnen functioneren. Het cytoskelet zorgt ervoor dat cellen flexibel kunnen zijn, zowel qua vorm als als reactie op hun omgeving.

Zonder natuurlijke eiwitten te gebruiken, bouwde het Freeman Lab cellen met functionele cytoskeletten die van vorm kunnen veranderen en op hun omgeving kunnen reageren. Om dit te doen, gebruikten ze een nieuwe programmeerbare peptide-DNA-technologie die peptiden, de bouwstenen van eiwitten, aanstuurt en genetisch materiaal hergebruikt om samen te werken om een ​​cytoskelet te vormen.

"DNA verschijnt normaal gesproken niet in een cytoskelet", zegt Freeman. "We hebben DNA-sequenties geherprogrammeerd zodat het als architectonisch materiaal fungeert en de peptiden aan elkaar bindt. Toen dit geprogrammeerde materiaal eenmaal in een druppel water werd geplaatst, kregen de structuren vorm."

Het vermogen om DNA op deze manier te programmeren betekent dat wetenschappers cellen kunnen creëren die specifieke functies vervullen en zelfs de reactie van een cel op externe stressoren kunnen verfijnen. Hoewel levende cellen complexer zijn dan de synthetische cellen die door het Freeman Lab zijn gemaakt, zijn ze ook onvoorspelbaarder en gevoeliger voor vijandige omgevingen, zoals extreme temperaturen.

"De synthetische cellen waren stabiel, zelfs bij 122 graden Fahrenheit, waardoor de mogelijkheid ontstond om cellen met buitengewone capaciteiten te vervaardigen in omgevingen die normaal gesproken ongeschikt zijn voor menselijk leven", zegt Freeman.

In plaats van materialen te maken die lang meegaan, zegt Freeman dat hun materialen op maat zijn gemaakt:ze vervullen een specifieke functie en passen zichzelf vervolgens aan om een ​​nieuwe functie te vervullen. De toepassing ervan kan worden aangepast door verschillende peptide- of DNA-ontwerpen toe te voegen om cellen in materialen zoals stoffen of weefsels te programmeren. Deze nieuwe materialen kunnen worden geïntegreerd met andere synthetische celtechnologieën, allemaal met potentiële toepassingen die een revolutie teweeg kunnen brengen in domeinen als de biotechnologie en de geneeskunde.

"Dit onderzoek helpt ons te begrijpen wat het leven maakt", zegt Freeman. "Deze synthetische celtechnologie zal ons niet alleen in staat stellen te reproduceren wat de natuur doet, maar ook materialen maken die de biologie overtreffen."

Meer informatie: Margaret L. Daly et al, Designer-peptide-DNA-cytoskeletten reguleren de functie van synthetische cellen, Natuurchemie (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01509-w

Journaalinformatie: Natuurchemie

Aangeboden door de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill