Los científicos de Johns Hopkins Medicine dicen que han creado una célula artificial minimalista que sigue una señal química externa y demuestra un principio rector de la biología llamado “rotura de simetría”. “
Los resultados se publicaron el 12 de junio. Avances en la ciencia.
Un paso que precede al movimiento celular, el desequilibrio, ocurre cuando las moléculas de la célula, que inicialmente estaban dispuestas simétricamente, se reorganizan en un patrón o forma asimétrica, generalmente en respuesta a estímulos. Esto es similar a cómo las aves migratorias rompen el equilibrio cuando cambian de forma en respuesta a la luz solar o a señales como una brújula ambiental. A nivel microscópico, las células inmunes detectan señales químicas concentradas en el sitio de la infección y alteran el equilibrio para cruzar la pared de los vasos sanguíneos y llegar al tejido infectado. Cuando las células rompen el equilibrio, se transforman en estructuras polarizadas y asimétricas que las preparan para moverse hacia su objetivo.
“El concepto de ruptura de simetría es muy importante para la vida, que es la biología”, dice Shiva Razavi, Ph.D., quien dirigió la investigación como estudiante de posgrado en Johns Hopkins y ahora es becaria postdoctoral, que afecta a campos tan diversos como. física y cosmología.” Instituto de Tecnología de Massachusetts. “Comprender cómo funciona la ruptura de la simetría es clave para desbloquear los principios fundamentales de la biología y descubrir cómo utilizar esta información para diseñar tratamientos”.
Encontrar formas de imitar y controlar la ruptura de la simetría en las células artificiales se ha considerado durante mucho tiempo esencial para comprender cómo las células pueden examinar su entorno químico y remodelar su perfil y forma químicos en respuesta.
Para este estudio, los científicos crearon una vesícula gigante con una membrana de doble capa: una célula o protocélula artificial simple y básica hecha de fosfolípidos, proteínas purificadas, sales y ATP, que proporciona energía. Por su forma esférica, la protocélula recibe el sobrenombre de “burbuja”. En sus experimentos, los científicos diseñaron con éxito una protocélula con una capacidad de detección química que hace que la célula rompa el equilibrio, cambiando de una esfera casi perfecta a una forma desigual. El sistema fue diseñado específicamente para imitar la primera fase de la respuesta inmune, que puede indicar a los neutrófilos que ataquen a los gérmenes basándose en las proteínas que detectan a su alrededor, dicen los investigadores.
“Nuestro estudio muestra cómo una entidad como una célula puede detectar la dirección de una señal química externa, imitando las condiciones que encontraría en un organismo”, dice Rizvi. “Al construir una estructura similar a una célula desde cero, podemos identificar y comprender mejor los componentes esenciales necesarios para que una célula rompa la simetría en su forma más simple”.
Los científicos dicen que algún día la detección química podría usarse para apuntar a la administración de medicamentos dentro del cuerpo.
“La idea es que puedes empaquetar lo que quieras en estas burbujas (proteínas, ARN, ADN, colorantes o moléculas pequeñas) y decirle a la célula a dónde ir usando sensores químicos, y luego la célula tiene que estallar cerca de su objetivo previsto para que que se puede liberar un fármaco”, dice el autor principal Takanari Inoue, PhD, profesor de biología celular y director del Centro de Dinámica Celular de Johns Hopkins Medicine.
Para activar la capacidad de detección química de la vesícula, los investigadores implantaron dos proteínas dentro de la célula artificial que actúan como interruptores moleculares, llamadas FKBP y FRB. La proteína FKBP se localizó en el centro de la célula, mientras que FRB se localizó en la membrana. Cuando los científicos introdujeron una sustancia química, la rapamicina, en el exterior de la célula de la burbuja, la FKBP atravesó la membrana para unirse con la FRB, lo que desencadenó un proceso llamado polimerización de actina o reorganización del citoesqueleto artificial.
Dentro de la protocélula, una reacción química da como resultado una estructura en forma de varilla hecha de actina que ejerce presión sobre la membrana celular y la dobla.
Los investigadores utilizaron un tipo especial de imágenes 3D de alta velocidad llamado microscopía confocal para registrar la capacidad de detección química de la protocélula. Tuvieron que grabar imágenes rápidamente a una velocidad de fotogramas de una cada 15 a 30 segundos, porque las protocélulas respondieron rápidamente a la señal química.
A continuación, los investigadores pretenden dotar a estas células artificiales de la capacidad de migrar al objetivo deseado. En última instancia, los investigadores esperan diseñar células artificiales que podrían tener importantes aplicaciones potenciales en la administración dirigida de fármacos, la detección ambiental y otros campos donde el movimiento preciso y la respuesta a los estímulos son fundamentales.
Otros científicos que contribuyen a la investigación incluyen a Baidri Abubakar Sharif, Hideki T. Matsubayashi, Hideki Nakamura, Nong Thi Hoang Nguyen, Douglas N. Robinson y Pablo A. Iglesias de Johns Hopkins. Felix Wong del Instituto Tecnológico de Massachusetts; y Baio Chen de la Universidad Estatal de Iowa.
La financiación para esta investigación fue proporcionada por los Institutos Nacionales de Salud (5R01GM123130, R01GM136858, R35GM149329, R35GM128786, R01GM149073, R01GM66817 y S10OD0163, Research Adventures-Ag-1637 C-0139), la Fundación Nacional de Ciencias y el Programa PRESTO de Japón. Agencia de Ciencia y Tecnología.
