Las protocélulas (células artificiales) que son activas e imitan a las células vivas moviéndose de forma independiente y que son biocompatibles y enzimáticamente activas ahora son posibles utilizando un método mejorado desarrollado por investigadores de Penn State.

Las células vivas son difíciles de cultivar en el laboratorio. por lo que los investigadores a veces trabajan con células sintéticas, pero estos han tenido limitaciones de investigación porque carecen de características celulares reales.

"Uno de los desafíos de la investigación celular es que a veces es muy difícil realizar experimentos controlados sobre la motilidad de una célula, especialmente debido a la actividad enzimática de superficie, "dijo Darrell Velegol, profesor distinguido de ingeniería química. "El equipo de investigación desarrolló una forma sencilla de hacer una célula artificial que no hace todo lo que hace una célula normal, como reproducir, tiene mutaciones genéticas o algo por el estilo, pero se mueve activamente. Eso es importante porque no se comprende bien cómo se mueven las células, especialmente cómo la actividad de las enzimas influye en el movimiento celular ".

Las protocélulas del equipo se utilizan para investigar cómo la actividad de enzimas naturales como la ATPasa puede impulsar el movimiento activo de las protocélulas. El proceso bioquímico de la enzima ATPasa implica la conversión de ATP (trifosfato de adenosina) en el producto ADP (difosfato de adenosina). El ATP es una sustancia química orgánica compleja que proporciona energía a las células vivas y el ADP es un compuesto orgánico que desempeña un papel importante en la forma en que las células liberan y almacenan energía.

"Los intentos de experimentos similares en la última década tenían las enzimas incorporadas dentro de sacos del tamaño de una micra llamados vesículas poliméricas, o atado a la superficie de partículas duras, "dijo Subhadip Ghosh, investigador postdoctoral en química. "Pero estos intentos no tenían un parecido biológico significativo como nuestras protoceldas".

En los experimentos del equipo de investigación, las protoceldas tienen membranas artificiales compuestas por un lípido natural llamado fosfatidilcolina. Las enzimas ATPasa se incorporaron directamente a la membrana.

"Nuestros resultados básicamente dan a otros investigadores los primeros pasos hacia la producción de células artificiales con actividad enzimática, "Dijo Ghosh.

Un resultado inesperado del estudio, que estuvo disponible en línea en agosto de 2019 antes de la publicación final el 11 de septiembre, 2019 en una edición de Nano letras , sucedió durante experimentos de difusión que se realizaron en un único régimen molecular. Como se esperaba, el movimiento de las protocélulas fue bajo para concentraciones bajas de ATP.

"Sorprendentemente, el movimiento de las protoceldas se redujo significativamente a una alta concentración de ATP, "dijo Ayusman Sen, el Profesor Verne M. Willaman de Química en Penn State.

Según los investigadores, esto era tan contrario a la intuición como presionar el acelerador de un automóvil y hacer que el vehículo redujera la velocidad. Después de realizar experimentos de control exhaustivos, los investigadores concluyeron que cuando la concentración de ADP es alta, puede unirse a la ATPasa y suprimir la actividad del sustrato ATP, causando una motilidad reducida.

Tener la capacidad de fabricar las protocélulas enzimáticamente activas abre nuevas oportunidades. Armados con estas imitaciones de células vivas móviles, los investigadores tienen como objetivo revelar los mecanismos fundamentales que gobiernan la dinámica de la membrana activa y el movimiento celular. Dado el conocimiento limitado actual de cómo se mueven las células, incluyendo cómo la acción de las enzimas influye en el movimiento celular, los miembros del equipo de investigación creen que su trabajo puede tener implicaciones importantes para la investigación médica futura.

"Un desafío clave es estimar las fuerzas mecánicas que impulsan el movimiento de las protocélulas, y para descubrir cambios en la estructura de la enzima durante ese proceso, "dijo Farzad Mohajerani, asistente de investigación en ingeniería química. "Conocer esa relación estructura-función para el movimiento de las protoceldas permitirá su diseño para posibles aplicaciones in vivo como detección médica y análisis de laboratorio".