Se espera que las células creadas en un tubo de ensayo puedan responder algunas de las principales preguntas de la biología. ¿Cuál es el mínimo que necesita una célula para vivir? ¿Y cómo empezó la vida en la Tierra? Investigadores del Instituto Max Planck de Dinámica de Sistemas Técnicos Complejos en Magdeburg y el Centro de Investigación Paul Pascal en el CNRS y la Universidad de Burdeos ahora están presentando los precursores de una célula artificial. En un experimento de biología sintética, han logrado incorporar la forma simple de una función metabólica en gotitas microscópicamente pequeñas:una reacción química, mantenido por un suministro de energía integrado.

"¿Cómo evita el deterioro un organismo vivo?", Erwin Schrödinger pregunta en su libro, "¿Qué es la vida?", en el que explica los aspectos físicos de la materia viva. Según el físico, la respuesta es simple:"Al comer, beber y respirar (...) ". El término especializado utilizado para esto es" metabolismo ", más conocido como "función metabólica". Los procesos bioquímicos que ocurren permiten que los organismos vivos obtengan energía y acumulen o descompongan sustancias. Para celdas individuales, Además, independientemente de si son organismos unicelulares o están organizados dentro de un organismo más grande, la función metabólica es esencial para la capacidad de vivir y sobrevivir.

Las células vivas necesitan un metabolismo y un límite con el medio ambiente.

Por lo tanto, si los investigadores en biología sintética desean sintetizar células, entre otras cosas, deben integrar un metabolismo en un espacio separado del medio ambiente. Esto es precisamente lo que los científicos, dirigido por Jean-Christophe Baret del Centre de Recherche Paul Pascal (CRPP, en inglés:el Centro de Investigación Paul Pascal) en Burdeos y Kai Sundmacher del Instituto Max Planck de Dinámica de Sistemas Técnicos Complejos en Magdeburgo, ahora han logrado hacerlo de forma simplificada. Aquí, sus células artificiales consistían en nada más que gotas de agua microscópicamente pequeñas, que se formaron en aceite. Sirvieron a los investigadores como unidades diminutas que estaban separadas de su entorno, similares a las células que están separadas de su entorno por una membrana.

Los investigadores agregaron diferentes componentes moleculares al interior de estas gotas, que a su vez simuló una reacción metabólica. Cierto es que, a primera vista, una célula sintética tan simplificada se ve muy diferente de su equivalente natural. Sin embargo, una cosa es cierta:"Desde una perspectiva tecnológica, tales sistemas mínimos son modelos relevantes a partir de los cuales se pueden desarrollar sistemas más complejos y más cercanos a la naturaleza ", Kai Sundmacher, Explica el director del Instituto Max Planck en Magdeburg.

¿Cuáles son los componentes decisivos de una célula viva?

Según Ivan Ivanov, ingeniero e investigador del Instituto Max Planck de Dinámica de Sistemas Técnicos Complejos, De todos modos, él y sus colegas inicialmente solo querían diseñar un sistema mínimo que tuviera las propiedades básicas de la celda. Esta es la única forma que permite descubrir qué componentes son, en última instancia, de importancia decisiva para la vida. Paso a paso, por lo tanto, él y sus colegas construyeron un modelo de función metabólica a partir de componentes moleculares. La jerga utilizada por los especialistas para este procedimiento es el principio de abajo hacia arriba.

Para ingenieros, el enfoque de abajo hacia arriba es parte de su trabajo diario, pero para los biólogos sintéticos, No lo es. En lugar de, por lo general, funcionan utilizando el principio de arriba hacia abajo. Empiezan con un organismo real, que modifican utilizando métodos de tecnología genética, dotándolo así de nuevas funciones y propiedades. "En el material genético de las células, sin embargo, hay muchas cosas que son redundantes o incluso innecesarias ", Ivanov explica, con referencia al problema de usar top. enfoques hacia abajo. Después de todo, en esos casos, los científicos no aprenden qué características son realmente necesarias para la creación de vida.

La técnica de microfluidos produce gotas según sea necesario

Además de la función metabólica, también es necesaria la separación del medio ambiente. Como explica Ivanov, "Cada celda tiene una pared hasta cierto punto, que lo separa de su entorno ". Dichos compartimentos separados, como los llaman los especialistas, se puede crear a través de membranas o, como en este trabajo actual, a través de gotitas.

Los investigadores están utilizando lo que se conoce como "tecnología de microfluidos", lo que permite producir microgotas en grandes cantidades y analizarlas rápidamente. Aquí, los científicos han podido ajustar con precisión tanto el tamaño como la composición según sea necesario. Usando módulos de microfluidos, luego llenaron los compartimentos con glucosa fosfato y el cofactor NAD +. Hasta cierto punto, el primero proporciona nutrientes para las células artificiales, que en presencia del cofactor NAD + se transforman en un producto químico final al tiempo que liberan energía química.

NAD + también juega un papel en el metabolismo de las células vivas, y absorbe hidrógeno durante el curso de la reacción metabólica, para que se convierta en NADH. Para que la reacción se mantenga en la realidad, los científicos agregaron un módulo que regenera el NAD + oxidando el NADH de nuevo a NAD +. Por lo tanto, el cofactor siempre está disponible en su forma requerida.

Si el fosfato de glucosa se ha agotado por completo, las células entran en modo de suspensión hasta cierto punto, que podrían acabar con una alimentación renovada con sus nutrientes, utilizando, de nuevo, un sistema de microinyección.

Las células reales deben multiplicarse y almacenar su diseño estructural.

Según el responsable del proyecto, Jean-Christophe Baret, el modelo de metabolismo tiene todas las características básicas de la función metabólica natural y ofrece una plataforma para estudios posteriores:"Con la tecnología de microfluidos, podemos producir cantidades controladas de tales componentes elementales y darles funciones aún más complejas. De este modo, las hipótesis pueden, a su vez, ser probadas con respecto a la creación de vida a partir de ingredientes conocidos y controlados ". Con el fin de imitar realmente las células genuinas de una manera lo suficientemente cercana a la realidad, Estos sistemas también requieren la capacidad de reproducirse, por ejemplo, así como un mecanismo para almacenar su diseño estructural, un conjunto de características aún por delante de nosotros.

Sin embargo, incluso sin estas características, para el autor principal de la publicación, Thomas Beneyton, es posible que tales sistemas artificiales se comporten de manera similar a los biológicos. Por ejemplo, las gotas se pueden producir con "aptitud desigual; en otras palabras, con un apetito diferente o con una cantidad variable de producción de nutrientes, y permiten el intercambio de nutrientes entre las células. De este modo, Se podría crear una situación de competencia como las que también se observan entre células reales. Estas células de gotitas se comportarían entonces completamente de acuerdo.