Het interieur van een levende cel is een drukke plaats, met eiwitten en andere macromoleculen dicht op elkaar gepakt. Een team van wetenschappers van de Carnegie Mellon University heeft deze moleculaire drukte in een kunstmatig cellulair systeem benaderd en ontdekte dat krappe ruimtes het proces van genexpressie helpen, vooral wanneer andere omstandigheden minder dan ideaal zijn.

Zoals de onderzoekers rapporteren in een voorafgaande online publicatie van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , deze bevindingen kunnen helpen verklaren hoe cellen zich hebben aangepast aan het fenomeen van moleculaire crowding, die door evolutie bewaard is gebleven. En dit begrip kan synthetisch biologen leiden bij het ontwikkelen van kunstmatige cellen die op een dag kunnen worden gebruikt voor het toedienen van medicijnen, productie van biobrandstoffen en biosensoren.

"Dit zijn kleine stapjes die we nemen om te leren hoe we kunstmatige cellen kunnen maken, " zei Cheemeng Tan, een Lane Postdoctoral Fellow en een Branco-Weiss Fellow in het Lane Center for Computational Biology, die de studie leidde. De meeste onderzoeken naar synthetische biologische systemen maken tegenwoordig gebruik van op oplossingen gebaseerde chemie, waarbij geen sprake is van moleculaire crowding. De bevindingen van de CMU-studie en de lessen van evolutie suggereren dat bio-ingenieurs verdringing in kunstmatige cellen zullen moeten bouwen als synthetische genetische circuits willen functioneren zoals ze zouden doen in echte cellen.

Het onderzoeksteam, waaronder Russell Schwartz, hoogleraar biologische wetenschappen; Philip LeDuc, hoogleraar werktuigbouwkunde en biologische wetenschappen; Marcel Bruchez, hoogleraar scheikunde; en Saumya Saurabh, een doctoraat student scheikunde, ontwikkelden hun kunstmatige cellulaire systeem met behulp van moleculaire componenten van bacteriofaag T7, een virus dat bacteriën infecteert dat vaak als model wordt gebruikt in de synthetische biologie.

Om de drukke intracellulaire omgeving na te bootsen, de onderzoekers gebruikten verschillende hoeveelheden inerte polymeren om de effecten van verschillende dichtheidsniveaus te meten.

Een menigte in een cel is niet zo anders dan een menigte mensen, zei Tan. Als er maar een paar mensen in een kamer zijn, het is gemakkelijk voor mensen om zich te mengen, of zelfs geïsoleerd raken. Maar in een overvolle kamer waar het moeilijk is om te bewegen, individuen zullen vaak de neiging hebben om voor langere tijd dicht bij elkaar te blijven. Hetzelfde gebeurt in een cel. Als de intracellulaire ruimte vol is, binding tussen moleculen neemt toe.

Opmerkelijk, de onderzoekers ontdekten dat de dichte omgevingen ook gentranscriptie minder gevoelig maakten voor veranderingen in de omgeving. Toen de onderzoekers de magnesiumconcentraties veranderden, ammonium en spermidine - chemicaliën die de stabiliteit en binding van macromoleculen moduleren - vonden ze grotere verstoringen van genexpressie in omgevingen met een lage dichtheid dan in omgevingen met een hoge dichtheid.

"Kunstmatige cellulaire systemen hebben een enorm potentieel voor toepassingen bij het toedienen van medicijnen, bioremediatie en cellulair computergebruik, " zei Tan. "Onze bevindingen onderstrepen hoe wetenschappers functionerende mechanismen van natuurlijke cellen in hun voordeel kunnen gebruiken om deze synthetische cellulaire systemen te controleren, evenals in hybride systemen die synthetische materialen en natuurlijke cellen combineren."