Endnu et skridt mod syntetiske celler

At bygge funktionelle syntetiske celler nedefra og op er en igangværende indsats fra videnskabsmænd over hele kloden. Deres brug til at studere cellulære mekanismer i et stærkt kontrolleret og foruddefineret miljø skaber stor værdi for forståelse af naturen samt udvikling af nye terapeutiske tilgange. Forskere fra 2nd Physics Institute ved University of Stuttgart og kolleger fra Max Planck Institute for Medical Research var nu i stand til at tage det næste skridt mod syntetiske celler.

De introducerede funktionelle DNA-baserede cytoskeletter i cellestore rum. Cytoskeletter er essentielle komponenter i hver celle, der kontrollerer deres form, interne organisation og andre vitale funktioner såsom transport af molekyler mellem forskellige dele af cellen. Ved inkorporering af cytoskeletterne i de syntetiske dråber viste forskerne også funktionalitet, herunder transport af molekyler eller samling og demontering på visse triggere. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i Nature Chemistry .

Udfordring til at efterligne cytoskeletfunktioner

Cytoskelettet er en afgørende komponent i hver celle, og den består af forskellige proteiner. Ud over den grundlæggende funktion at give cellen dens form, er den essentiel for mange cellulære processer såsom celledeling, intracellulær transport af forskellige molekyler og motilitet som reaktion på ekstern signalering. På grund af dets betydning i naturlige systemer er det et vigtigt skridt i retning af at bygge og designe en syntetisk celle at kunne efterligne dens funktionalitet i en kunstig opsætning. Det kommer dog med mange udfordringer på grund af dets forskellige krav, herunder stabilitet samt hurtig tilpasningsevne og reaktion på udløsere.

Forskere inden for syntetisk biologi har tidligere brugt DNA-nanoteknologi til at genskabe cellulære komponenter såsom DNA-baserede efterligninger af ionkanaler eller celle-celle-linkere. Til dette udnytter de det faktum, at DNA kan programmeres eller konstrueres til selv at samles til en forud planlagt form ved komplementær baseparring.

DNA-filamenter som syntetisk cytoskelet

"Syntetiske DNA-strukturer kan muliggøre meget specifikke og programmerede opgaver samt alsidige designmuligheder ud over, hvad der er tilgængeligt fra de biologisk definerede værktøjer. Især kan den strukturelle organisation af DNA-strukturerne afvige fra deres naturlige modstykker, endda muligvis overgå funktionalitetens omfang af naturlige systemer," siger Laura Na Liu, professor ved 2nd Physics Institute, University of Stuttgart.

Ydermere havde forskerne Paul Rothemund, Elisa Franco og Rebecca Schulman allerede haft succes med at samle DNA til filamenter i mikronskala, som udgør grundlaget for opbygningen af ​​et cytoskelet. Siden da er disse filamenter blevet udstyret med forskellige funktioner, såsom samling og adskillelse ved ekstern stimulation eller inde i et rum. Forskere fra University of Stuttgart og MPI for Medical Research har nu taget det næste skridt til at bygge en kunstig celle ved at bruge filamenterne som et syntetisk cytoskelet og give dem forskellig funktionalitet.

"Det er spændende, at vi også kan udløse samlingen af ​​DNA-cytoskelettet med ATP - det samme molekyle, celler bruger til at drive forskellige mekanismer," siger Kerstin Göpfrich, Max Planck Research Group Leader ved MPI for Medical Research.

Fremskyndelse af vesikeltransporten

Desuden var holdet af videnskabsmænd i stand til at fremkalde transport af vesikler langs filamenterne ved hjælp af den brændte bro-mekanisme introduceret af Khalid Salaita. Dette efterligner vesikeltransporten langs dele af det naturlige cytoskelet i celler, kaldet mikrotubuli. "I sammenligning med transport i levende celler er transporten langs vores DNA-filamenter stadig langsom. At fremskynde det vil være en udfordring for fremtiden," siger Kevin Jahnke, delt førsteforfatter af papiret og postdoc i Kerstin Göpfrichs gruppe ved MPIMR.

Pengfei Zhan, postdoc i gruppen ledet af prof. Laura Na Liu i Stuttgart, tilføjer:"Det var også en udfordring at finjustere energilandskaberne i DNA-nanostrukturens samlings- og demonteringsmuligheder af filamenterne." I fremtiden vil funktionalisering af DNA-filamenterne endnu mere være afgørende for at efterligne naturlige celler endnu bedre. Derved kunne forskere skabe syntetiske celler for at studere cellulære mekanismer mere detaljeret eller udvikle nye terapeutiske tilgange. + Udforsk yderligere

Undersøgelse viser, at cellens cytoskelet gør mere end at holde en celle oppe, det overfører energi