Kunstige celler virker mere som den ægte vare

Protoceller - kunstige celler - der er aktive og efterligner levende celler ved at bevæge sig uafhængigt, og som er biokompatible og enzymatisk aktive, er nu mulige ved hjælp af en forbedret metode udviklet af Penn State -forskere.

Levende celler er svære at dyrke i laboratoriet, så forskere arbejder undertiden med syntetiske celler, men disse har haft forskningsbegrænsninger, fordi de mangler reelle celleegenskaber.

"En af udfordringerne ved celleforskning er, at det nogle gange er meget svært at køre kontrollerede eksperimenter på en celles motilitet, især på grund af overfladeenzymaktivitet, "sagde Darrell Velegol, fremtrædende professor i kemiteknik. "Forskerteamet udviklede en enkel måde at lave en kunstig celle, der ikke gør alt, hvad en almindelig celle gør, som at reproducere, har genetiske mutationer eller lignende men den bevæger sig aktivt. Det er vigtigt, fordi hvordan celler bevæger sig er dårligt forstået, især hvordan enzymers aktivitet spiller ind i cellebevægelse. "

Teamets protoceller bruges til at undersøge, hvordan aktiviteten af ​​naturlige enzymer som ATPase kan drive den aktive bevægelse af protocellerne. Den biokemiske proces af ATPase -enzym involverer omdannelse af ATP (adenosintrifosfat) til produktet ADP (adenosindiphosphat). ATP er et komplekst organisk kemikalie, der leverer energi til levende celler, og ADP er en organisk forbindelse, der spiller en vigtig rolle i, hvordan celler frigiver og lagrer energi.

"Forsøg på lignende eksperimenter i det sidste årti havde enzymerne inkorporeret inde i sække i mikronstørrelse kaldet polymere vesikler, eller fastgjort på overfladen af ​​hårde partikler, "sagde Subhadip Ghosh, postdoktor i kemi. "Men disse forsøg havde ikke væsentlig biologisk lighed som vores protoceller."

I forskerholdets eksperimenter, protocellerne har egentlige kunstige membraner sammensat af et naturligt forekommende lipid kaldet phosphatidylcholin. ATPase -enzymerne blev inkorporeret direkte i membranen.

"Vores resultater giver dybest set andre forskere de første skridt i retning af at lave kunstige celler med enzymatisk aktivitet, "Sagde Ghosh.

Et uventet resultat fra undersøgelsen, som blev gjort tilgængelig online i august 2019 forud for endelig offentliggørelse den 11. september, 2019 i et nummer af Nano bogstaver , skete under diffusionsforsøg, der blev udført ved et enkelt molekylært regime. Som forventet, bevægelsen af ​​protocellerne var lav for lave koncentrationer af ATP.

"Ganske overraskende, bevægelsen af ​​protocellerne faldt betydeligt ved høj koncentration af ATP, "sagde Ayusman Sen, Verne M. Willaman professor i kemi i Penn State.

Ifølge forskerne, dette var lige så kontraintuitivt som at trykke på en bils gaspedal og få bilen til at bremse. Efter at have udført omfattende kontrolforsøg, forskerne konkluderede, at når ADP -koncentrationen er høj, det kan binde sig til ATPase og undertrykke substrat -ATP -aktiviteten, forårsager nedsat motilitet.

At have evnen til at fremstille de enzymatisk aktive protoceller åbner nye muligheder. Bevæbnet med disse efterligner af bevægelige levende celler, forskerne sigter mod at afsløre de grundlæggende mekanismer, der styrer aktiv membrandynamik og cellulær bevægelse. I betragtning af den nuværende begrænsede forståelse af, hvordan celler bevæger sig, herunder hvordan enzymaktion spiller ind i cellebevægelse, forskergruppens medlemmer mener, at deres arbejde kan have betydelige konsekvenser for fremtidig medicinsk forskning.

"En central udfordring er at estimere de mekaniske kræfter, der driver protocellens bevægelse, og for at opdage ændringer i enzymstrukturen under denne proces, sagde Farzad Mohajerani, forskningsassistent i kemiteknik. "At kende det struktur-funktion-forhold til bevægelsen af ​​protocellerne vil muliggøre deres design til potentielle in vivo-applikationer som medicinsk sensing og laboratorieanalyse."