Un motore fotosintetico per cellule artificiali
Nella ricerca di costruire una cellula artificiale, ci sono due approcci: il primo, reingegnerizza il software genomico di una cellula vivente. Il secondo, si concentra sull'hardware cellulare, costruendo strutture semplici e simili a celle da zero che imitano la funzione delle cellule viventi. Una delle maggiori sfide in questo secondo approccio è l'imitazione delle complesse reazioni chimiche e biologiche richieste alle cellule per eseguire comportamenti complessi.
Ora, un team internazionale di ricercatori dell'Università di Harvard e della Sogang University di Seoul hanno progettato una struttura simile a una cellula che sfrutta la fotosintesi per eseguire reazioni metaboliche, tra cui la raccolta di energia, la fissazione del carbonio e la formazione del citoscheletro.
La ricerca è pubblicata su Nature Biotechnology.
"Questa ricerca, parte di una ricca collaborazione tra Harvard e Sogang University, apre diversi fronti su ciò che potrebbe essere fatto a livello cellulare"
ha detto Kit Parker, professore di Bioingegneria e fisica applicata della famiglia Tarr presso l'Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e cofinanziatrice investigatrice del progetto.
"Abbiamo attivato l'attività metabolica con la luce, costruito una rete proteica su richiesta in una cellula vivente e confezionato tutti i componenti necessari per farlo in una cella".
Parker è anche membro del Core Faculty dell'Harvard Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering e dell'Harvard Stem Cell Institute.
"I meccanismi che abbiamo dimostrato dovrebbero essere il primo passo nello sviluppo di più reti di regolazione per le cellule artificiali che possono mostrare omeostasi e complessi comportamenti cellulari"
ha dichiarato Kwanwoo Shin, direttore dell'Istituto di interfacce biologiche e professore nel dipartimento di chimica di Sogang Università, e co-principale investigatore del progetto.
Per costruire questo sistema sintetico, i ricercatori hanno progettato un organello fotosintetico dai componenti unici del mondo vegetale e animale.
"La nostra idea era semplice. Abbiamo scelto due fotoconvertitori di proteine - uno da piante, l'altro da batteri - che possono generare un gradiente attraverso la membrana cellulare per scatenare reazioni".
ha dichiarato Keel Yong Lee, un postdoctoral fellow presso SEAS e primo autore della ricerca.
I fotoconvertitori sono sensibili alla diversa lunghezza d'onda della luce: uno rosso, l'altro verde. Le proteine erano incorporate in una semplice membrana lipidica, insieme ad enzimi che generano l'adenosina trifosfato (ATP), l'energia essenziale che trasporta le cellule. Quando la membrana viene illuminata con luce rossa, si verifica una reazione chimica fotosintetica che produce ATP. Quando la membrana è illuminata con luce verde, la produzione si interrompe. La capacità di attivare e disattivare la produzione di energia consente ai ricercatori di controllare molte reazioni all'interno della cellula, inclusa la polimerizzazione dell'actina, i mattoni fondamentali delle cellule e dei tessuti.
"Precedenti ricerche nel campo hanno usato queste proteine per generare ATP, ma solo una alla volta"
ha affermato Sung-Jin Park, ricercatore associato presso SEAS e Wyss e coautore dell'articolo.
"Abbiamo unito il meglio del mondo vegetale con il meglio del mondo animale, permettendoci di sintonizzare e regolare la produzione di energia della cellula. Stiamo ingegnerizzando queste cellule dal basso verso l'alto, a partire da queste singole proteine."
Essere in grado di controllare e mettere a punto la produzione di actina consente ai ricercatori di controllare la forma delle membrane cellulari e può fornire un modo per progettare le cellule mobili. Questo approccio dal basso verso l'alto potrebbe essere utilizzato per costruire altri organelli artificiali, come il reticolo endoplasmatico o un sistema simile al nucleo e potrebbe essere il primo passo verso sistemi simil-cellulari che possono imitare i comportamenti complessi delle cellule biologiche.
"L'introduzione di reti di proteine funzionali e organelli in un ambiente cellulare artificiale aprirà la strada al raggiungimento del grande obiettivo di costruire una cellula de novo"
ha affermato Shin.
"Dalla medicina della fertilità, alle ferite da trauma e ad altre malattie più esotiche, ora abbiamo una conoscenza di base degli strumenti e dei requisiti per controllare cosa succede in una cellula. L'idea delle protesi cellulari si avvicina sempre di più a questo risultato "
ha detto Parker.
Questa ricerca è stata co-autore di Keon Ah Lee, Se-Hwan Kim, Heeyeon Kim, Yasmine Meroz, L. Mahadevan, Kwang-Hwan Jung e Tae Kyu Ahn.