Protocellen - kunstmatige cellen - die actief zijn en levende cellen nabootsen door onafhankelijk te bewegen en die biocompatibel en enzymatisch actief zijn, zijn nu mogelijk met behulp van een verbeterde methode die is ontwikkeld door Penn State-onderzoekers.

Levende cellen zijn moeilijk te kweken in het laboratorium, dus werken onderzoekers soms met synthetische cellen, maar deze hebben onderzoeksbeperkingen gehad omdat ze geen echte celkenmerken hebben.

"Een van de uitdagingen van celonderzoek is dat het soms erg moeilijk is om gecontroleerde experimenten uit te voeren op de beweeglijkheid van een cel, vooral vanwege oppervlakte-enzymactiviteit, " zei Darrell Velegol, onderscheiden hoogleraar scheikundige technologie. "Het onderzoeksteam ontwikkelde een eenvoudige manier om een ​​kunstmatige cel te maken die niet alles doet wat een gewone cel doet, zoals reproduceren, genetische mutaties hebben of iets dergelijks, maar het beweegt actief. Dat is belangrijk, want hoe cellen bewegen is slecht begrepen, vooral hoe de activiteit van enzymen in de celbeweging speelt."

De protocellen van het team worden gebruikt om te onderzoeken hoe de activiteit van natuurlijke enzymen zoals ATPase de actieve beweging van de protocellen kan stimuleren. Het biochemische proces van ATPase-enzym omvat de omzetting van ATP (adenosinetrifosfaat) in het product ADP (adenosinedifosfaat). ATP is een complexe organische chemische stof die energie levert aan levende cellen en ADP is een organische verbinding die een belangrijke rol speelt in de manier waarop cellen energie vrijgeven en opslaan.

"Bij pogingen tot soortgelijke experimenten in het afgelopen decennium waren de enzymen opgenomen in zakken van micronformaat, polymere blaasjes genaamd, of vastgebonden aan het oppervlak van harde deeltjes, " zei Subhadip Ghosh, postdoctoraal onderzoeker in de chemie. "Maar deze pogingen hadden geen significante biologische gelijkenis zoals onze protocellen."

In de experimenten van het onderzoeksteam, de protocellen hebben echte kunstmatige membranen die zijn samengesteld uit een natuurlijk voorkomend lipide dat fosfatidylcholine wordt genoemd. De ATPase-enzymen werden direct in het membraan ingebouwd.

"Onze resultaten geven andere onderzoekers in feite de eerste stappen in de richting van het maken van kunstmatige cellen met enzymatische activiteit, ' zei Gosh.

Een onverwacht resultaat van het onderzoek, die in augustus 2019 online beschikbaar werd gesteld vóór de definitieve publicatie op 11 september, 2019 in een uitgave van Nano-letters , gebeurde tijdens diffusie-experimenten die werden uitgevoerd op een enkel moleculair regime. Zoals verwacht, de beweging van de protocellen was laag voor lage concentraties ATP.

"Heel verrassend, de beweging van de protocellen daalde significant bij hoge concentraties ATP, " zei Ayusman Sen, de Verne M. Willaman hoogleraar scheikunde aan Penn State.

Volgens de onderzoekers is dit was net zo contra-intuïtief als het gaspedaal van een auto indrukken en het voertuig laten vertragen. Na het uitvoeren van uitgebreide controle-experimenten, de onderzoekers concludeerden dat wanneer de ADP-concentratie hoog is, het kan aan het ATPase binden en de ATP-activiteit van het substraat onderdrukken, verminderde beweeglijkheid veroorzaken.

Het vermogen hebben om de enzymatisch actieve protocellen te fabriceren, opent nieuwe kansen. Gewapend met deze nabootsers van beweeglijke levende cellen, de onderzoekers willen de fundamentele mechanismen onthullen die de actieve membraandynamiek en cellulaire beweging bepalen. Gezien het huidige beperkte begrip van hoe cellen bewegen, inclusief hoe enzymwerking de celbeweging speelt, de leden van het onderzoeksteam geloven dat hun werk belangrijke implicaties kan hebben voor toekomstig medisch onderzoek.

"Een belangrijke uitdaging is om de mechanische krachten te schatten die de protocelbeweging aandrijven, en om tijdens dat proces veranderingen in de enzymstructuur te ontdekken, " zei Farzad Mohajerani, onderzoeksassistent in de chemische technologie. "Het kennen van die structuur-functierelatie voor de beweging van de protocellen zal hun ontwerp mogelijk maken voor potentiële in vivo toepassingen zoals medische detectie en laboratoriumanalyse."