Copycat-celler behersker nye kommunikationsevner

Fra kryptonit til Superman til plantning af toksiner til Poison Ivy, kemiske reaktioner i kroppens celler kan være transformerende. Og, når det kommer til at transmutere celler, UC San Diego-forskere er ved at blive superhelte-lignende copycats.

For nylig udnævnt til Blavatnik National Laureate i Kemi, Neal Devaraj, sammen med forskerkollegerne Henrike Niederholtmeyer og Cynthia Chaggan, brugte materialer som ler og plastik til at lave syntetiske celler - eller "celle-efterligninger" - i stand til genekspression og kommunikation, der konkurrerer med levende celler. Ifølge nogle videnskabsmænd, disse forskningsresultater, udgivet for nylig i Naturkommunikation , kunne være blandt de vigtigste inden for syntetisk biologi i år.

Budskab om håb

At arbejde med celle-efterligninger er en håbefuld videnskabelig bestræbelse på grund af de potentielle anvendelser, kunstige celler er til stede. For eksempel, efter mere forskning for at sikre deres sikre og pålidelige anvendelse, syntetiske celler kunne til sidst konstrueres til at genkende og binde sig til kræftceller i en patients krop, muliggør præcis levering af lægemidler - uden at påvirke sunde celler - og reducerer bivirkningerne af kemoterapi.

Derudover kunstige celler kunne tjene som biosensorer for giftige kemikalier i miljøet, fortælle os, for eksempel, at vand er usikkert at drikke. De kunne forbedre diagnostisk test med deres lille størrelse og biokompatibilitet, som kunne gøre det muligt for en gruppe af celle-efterlignere at udføre forskellige tests samtidigt med kun en lille mængde blod. Interaktive celle-efterligninger kunne endda danne kunstigt væv, der udvikler sig uafhængigt til bittesmå, mikromønstrede strukturer - lidt ligesom computerchips, der kunne dannes af sig selv. Forskere forudser også, at selve processen med at fremstille syntetiske celler kan føre til en bedre forståelse af livets oprindelse og evolution.

Men, der er en fangst.

"Hvis vi skal udvikle syntetiske materialer, vi skal have de enkelte enheder til at samarbejde, " bemærkede Devaraj, en professor i UC San Diegos afdeling for kemi og biokemi.

Vigtigheden af ​​informationsoverførsel

Indtil nu, celle-mimics har kommunikeret noget ved at udveksle små molekyler; for eksempel sukker og brintoverilte. Alligevel kunne de ikke tale med hinanden gennem store molekylære proteiner som insulin eller vækstfaktorer. På en grundlæggende måde, det er ligesom når vi prøver at sende en stor fil vedhæftet fil via e-mail kun for at modtage en fejlmeddelelse. Så, ligesom det er vigtigt for os at kunne levere information via e-mail, det er også ekstremt vigtigt for kroppens celler at kommunikere gennem proteinsignaler.

For at imødegå denne begrænsning i kunstig cellesyntese, Devaraj og hans team lavede mikrofluidchips fra en silikonepolymer for at skubbe dråber af DNA ud, der koder for grønt fluorescerende protein (GFP), mineraler fra ler og forstadier til akrylplast. Derefter, ved hjælp af ultraviolet lys og kemikalier, de udløste dannelsen af ​​en svampet membran omkring hver dråbe, mens DNA'et i hver dråbe kondenserede til et gel-lignende stof for at skabe en neo-kerne. Forskerne gav også deres celle-efterligninger evnen til at syntetisere proteiner. Deres metode muliggjorde overførsel af information på tværs af den nye membran. Resultatet var en celle-efterligning, der var i stand til at sende proteinsignaler til naboceller.

Nabokvaliteter ved Copycat -celler

Ifølge Niederholtmeyer, disse snakkesalige pseudoceller, "ser ud og opfører sig som naturlige celler, men de er lavet af helt kunstige materialer." Andre naturtro egenskaber ved celle-efterligning inkluderer kvorumsansning - adfærdsændringer blandt tætte celler, opgavefordeling og cellulær differentiering efter lokalmiljø.

"Vi var overraskede og begejstrede over, at vores celle-efterligninger så nøjagtigt kunne fornemme deres tæthed, hvilket betyder, at de kunne mærke, hvor mange naboer de havde, selvom de ikke var i tæt kontakt med dem, " sagde Niederholtmeyer. "Det var overraskende, fordi det molekylære netværk, der førte til quorum sensing-adfærden i vores celle-efterligninger, er meget forskellig fra, hvordan quorum sensing fungerer i bakterieceller."

løfte om fremtidig undersøgelse, Videnskabeligt samarbejde

Som superhelte, de syntetiske celler er modstandsdygtige, forbliver intakte i lange perioder efter at have været frosset og endda ved omgivelsestemperaturer. Denne robusthed gør dem til ideelle kandidater til miljøsensorer, en mulighed for fremtidig forskning af UC San Diego -forskerne. Derudover stabiliteten og programmerbarheden af ​​celle-mimics gør dem også spændende for andre forskere.

"De er nemme at dele mellem forskningsgrupper og kan programmeres af DNA til at udtrykke ethvert RNA, protein eller vej, " tilføjede Niederholtmeyer.

Ifølge postdoc. resultaterne fra det treårige studie præsenterer mange potentielle anvendelser og måder at videreudvikle disse celle-efterligninger på.

"For eksempel, vi er allerede blevet kontaktet af andre forskere ved UC San Diego, som gerne vil prøve at bruge materialer fra vores celle-efterligninger i levende celler til at bekæmpe sygdomme. Vi er også interesserede i at videreudvikle membranen, for eksempel for at den kan reagere på stimuli og for at gøre den mere biologisk aktiv. Vores celle-efterligninger er meget programmerbare, " sagde Niederholtmeyer. "En anden vigtig fordel er, at de er så stabile, hvilket vil gøre det nemt at dele disse celle-efterligninger i samarbejdsprojekter."

På UC San Diego, vores forskningsindsats er designet til at ændre verden til det bedre – gennem ny medicin, innovative teknologier og mere, der vil hjælpe med at bekæmpe sygdom, global sikkerhed, offentlig orden, klimaændringer og meget mere.