Células Artificiales Diseñadas Para Actuar Más Como Si Fueran Reales

Vesículas que imitan a las células

Las vesículas que imitan a las células con enzimas incorporadas en su membrana muestran una motilidad activa tras la catálisis. Crédito: Subhadip Ghosh

Las protocélulas (células artificiales) que son activas e imitan a las células vivas moviéndose de forma independiente y que son biocompatibles y enzimáticamente activas ahora son posibles utilizando un método mejorado desarrollado por investigadores de Penn State.

Las células vivas son difíciles de cultivar en el laboratorio, por lo que los investigadores a veces trabajan con células sintéticas, pero estas han tenido limitaciones en la investigación porque carecen de características celulares reales.

“Uno de los desafíos de la investigación celular es que a veces es muy difícil realizar experimentos controlados sobre la motilidad de una célula, especialmente debido a la actividad enzimática de la superficie”, dijo Darrell Velegol, profesor distinguido de ingeniería química. “El equipo de investigación desarrolló una forma sencilla de hacer una célula artificial que no hace todo lo que hace una célula normal, como reproducirse, tener mutaciones genéticas o algo por el estilo, pero se mueve activamente. Eso es importante porque no se comprende bien cómo se mueven las células, especialmente cómo la actividad de las enzimas influye en el movimiento celular “.

Las protocélulas del equipo se utilizan para investigar cómo la actividad de enzimas naturales como la ATPasa puede impulsar el movimiento activo de las protocélulas. El proceso bioquímico de la enzima ATPasa implica la conversión de ATP (trifosfato de adenosina) en el producto ADP (difosfato de adenosina). El ATP es una sustancia química orgánica compleja que proporciona energía a las células vivas y el ADP es un compuesto orgánico que juega un papel importante en cómo las células liberan y almacenan energía.

“Los intentos de experimentos similares en la última década tenían las enzimas incorporadas dentro de sacos del tamaño de una micra llamadas vesículas poliméricas, o atadas a la superficie de partículas duras”, dijo Subhadip Ghosh, investigador postdoctoral en química. “Pero estos intentos no tenían un parecido biológico significativo como nuestras protoceldas”.

En los experimentos del equipo de investigación, las protoceldas tienen membranas artificiales reales compuestas por un lípido natural llamado fosfatidilcolina. Las enzimas ATPasa se incorporaron directamente a la membrana.

“Nuestros resultados básicamente dan a otros investigadores los primeros pasos hacia la producción de células artificiales con actividad enzimática”, dijo Ghosh.

Un resultado inesperado del estudio, que estuvo disponible en línea en agosto de 2019 antes de la publicación final el 11 de septiembre de 2019, en un número de Nano Letters , ocurrió durante experimentos de difusión que se realizaron en un solo régimen molecular. Como era de esperar, el movimiento de las protoceldas fue bajo para concentraciones bajas de ATP.

“Sorprendentemente, el movimiento de las protocélulas se redujo significativamente a una alta concentración de ATP”, dijo Ayusman Sen, profesor de química Verne M. Willaman en Penn State.

Según los investigadores, esto era tan contrario a la intuición como presionar el acelerador de un automóvil y hacer que el vehículo redujera la velocidad. Después de realizar experimentos de control exhaustivos, los investigadores concluyeron que cuando la concentración de ADP es alta, puede unirse a la ATPasa y suprimir la actividad del sustrato ATP, lo que reduce la motilidad.

Tener la capacidad de fabricar las protocélulas enzimáticamente activas abre nuevas oportunidades. Armados con estas imitaciones de células vivas móviles, los investigadores tienen como objetivo revelar los mecanismos fundamentales que gobiernan la dinámica de la membrana activa y el movimiento celular. Dada la comprensión limitada actual de cómo se mueven las células, incluida la forma en que la acción de las enzimas influye en el movimiento celular, los miembros del equipo de investigación creen que su trabajo puede tener implicaciones importantes para la investigación médica futura.

“Un desafío clave es estimar las fuerzas mecánicas que impulsan el movimiento de las protocélulas y descubrir cambios en la estructura de la enzima durante ese proceso”, dijo Farzad Mohajerani, asistente de investigación en ingeniería química. “Conocer la relación estructura-función para el movimiento de las protoceldas permitirá su diseño para posibles aplicaciones in vivo como detección médica y análisis de laboratorio”.

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Referencia: “Motility of Enzyme-Powered Vesicles” por Subhadip Ghosh, Farzad Mohajerani, Seoyoung Son, Darrell Velegol, Peter J. Butler y Ayusman Sen, 20 de agosto de 2019, Nano Letters .
DOI: 10.1021 / acs.nanolett.9b01830

Junto con Ghosh, Mohajerani, Velegol y Sen, otros investigadores de Penn State que participaron en el estudio fueron Peter Butler, decano asociado de educación y programas profesionales de posgrado en la Facultad de Ingeniería y profesor de ingeniería biomédica, y Seoyoung Son, investigador postdoctoral en biomedicina. Ingenieria.

El Centro de Innovación Química de la National Science Foundation apoyó esta investigación.

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