Construir células sintéticas funcionales de abajo hacia arriba es un esfuerzo continuo de científicos de todo el mundo. Su uso en el estudio de los mecanismos celulares en un entorno altamente controlado y predefinido crea un gran valor para comprender la naturaleza y desarrollar nuevos enfoques terapéuticos. Los científicos del Instituto de Física II de la Universidad de Stuttgart y sus colegas del Instituto Max Planck de Investigación Médica pudieron ahora dar el siguiente paso hacia las células sintéticas.

Introdujeron citoesqueletos funcionales basados ​​en ADN en compartimentos del tamaño de una célula. Los citoesqueletos son componentes esenciales de cada célula que controlan su forma, organización interna y otras funciones vitales como el transporte de moléculas entre diferentes partes de la célula. Al incorporar los citoesqueletos en las gotas sintéticas, los investigadores también mostraron funcionalidad, incluido el transporte de moléculas o el ensamblaje y desensamblaje de ciertos factores desencadenantes. Los resultados se publicaron recientemente en Nature Chemistry .

Desafío para imitar las funciones del citoesqueleto

El citoesqueleto es un componente crucial de cada célula y está formado por varias proteínas. Más allá de la función básica de dar forma a la célula, es esencial para muchos procesos celulares, como la división celular, el transporte intracelular de diversas moléculas y la motilidad en respuesta a señales externas. Debido a su importancia en los sistemas naturales, poder imitar su funcionalidad en una configuración artificial es un paso importante hacia la construcción y el diseño de una célula sintética. Sin embargo, presenta muchos desafíos debido a sus diversos requisitos, incluida la estabilidad, así como la rápida adaptabilidad y reactividad a los desencadenantes.

Los investigadores en el campo de la biología sintética han utilizado previamente la nanotecnología del ADN para recrear componentes celulares, como imitadores de canales iónicos basados ​​en el ADN o enlazadores célula-célula. Para ello, aprovechan el hecho de que el ADN se puede programar o diseñar para autoensamblarse en una forma planificada previamente mediante emparejamiento de bases complementarias.

Filamentos de ADN como citoesqueleto sintético

"Las estructuras de ADN sintético pueden permitir tareas altamente específicas y programadas, así como posibilidades de diseño versátiles más allá de lo que está disponible en las herramientas definidas biológicamente. Especialmente, la organización estructural de las estructuras de ADN puede apartarse de sus contrapartes naturales, incluso posiblemente superando el alcance de la funcionalidad de sistemas naturales", dice Laura Na Liu, profesora del 2.º Instituto de Física de la Universidad de Stuttgart.

Además, los investigadores Paul Rothemund, Elisa Franco y Rebecca Schulman ya habían logrado ensamblar ADN en filamentos a escala micrométrica, que constituyen la base para construir un citoesqueleto. Desde entonces, estos filamentos han sido dotados de diversas funciones, como el montaje y desmontaje por estimulación externa o dentro de un compartimento. Científicos de la Universidad de Stuttgart y el MPI para la Investigación Médica ahora han dado el siguiente paso para construir una célula artificial, usando los filamentos como un citoesqueleto sintético y dándoles diversas funcionalidades.

"Es emocionante que también podamos desencadenar el ensamblaje del citoesqueleto de ADN con ATP, la misma molécula que usan las células para impulsar diferentes mecanismos", dice Kerstin Göpfrich, líder del grupo de investigación Max Planck en el MPI para investigación médica.

Acelerar el transporte de vesículas

Además, el equipo de científicos pudo inducir el transporte de vesículas a lo largo de los filamentos utilizando el mecanismo de puente quemado introducido por Khalid Salaita. Esto imita el transporte de vesículas a lo largo de partes del citoesqueleto natural en las células, llamados microtúbulos. "En comparación con el transporte en las células vivas, el transporte a lo largo de nuestros filamentos de ADN sigue siendo lento. Acelerarlo será un desafío para el futuro", dice Kevin Jahnke, primer autor compartido del artículo y postdoctorado en el grupo de Kerstin Göpfrich en el MPIMR.

Pengfei Zhan, postdoctorado en el grupo dirigido por la profesora Laura Na Liu en Stuttgart, agrega:"También fue un desafío ajustar los paisajes energéticos de las capacidades de ensamblaje y desensamblaje de los filamentos de la nanoestructura de ADN". En el futuro, funcionalizar aún más los filamentos de ADN será crucial para imitar aún mejor a las células naturales. De este modo, los investigadores podrían crear células sintéticas para estudiar los mecanismos celulares con mayor detalle o desarrollar nuevos enfoques terapéuticos. + Explora más

Un estudio muestra que el citoesqueleto de una célula hace más que sostener una célula, transfiere energía