Celulele artificiale aduc noi perspective asupra comportamentului celulelor vii
Utilizând celule artificiale simple, un grup de cercetători condus de Makito Miyazaki de la RIKEN Center for Integrative Medical Sciences (IMS) din Japonia a descoperit principii fizice fundamentale care guvernează modul în care celulele vii își schimbă forma.
Cercetătorii au combinat experimentele cu simulări pe calculator și analize teoretice realizate în colaborare cu Universitatea Purdue, demonstrând că citoscheletul de actină al unei celule, rețeaua de fibre proteice care îi conferă forma, poate genera modificări de formă la scară celulară și polaritate între fața din față și cea din spate, fără a depinde de semnalizare biochimică complexă.
Aceste descoperiri, publicate în Science Advances, oferă perspective asupra proceselor biologice precum migrarea celulară, diviziunea celulară și dezvoltarea embrionară și ar putea avansa dezvoltarea celulelor artificiale pentru aplicații variate, de la descoperirea de medicamente și medicină regenerativă până la biologia sintetică.
Un sistem de celule artificiale pentru studierea morfogenezei celulare
Celulele își schimbă în mod constant forma pe măsură ce se deplasează, se divid și se asamblează în țesuturi în timpul dezvoltării. Deși aceste modificări de formă sunt esențiale pentru viață, modul în care acestea se produc rămâne în mare parte necunoscut, având în vedere că celulele vii conțin mii de molecule care acționează simultan.
Pentru a dezvălui principiile fundamentale, grupul de cercetare a construit un sistem de celule artificiale folosind lipozomi, structuri asemănătoare celulelor care au o membrană, dar nu au mecanisme celulare, encapsulând proteinele citoscheletice purificate și creând un model simplificat și precis controlabil al unei celule vii.
Acest sistem de celule artificiale a fost combinat cu simulări pe calculator de mari dimensiuni și analize teoretice pentru a lega interacțiunile moleculare din cadrul citoscheletului de actină de modificările formei celulare. Celulele artificiale le-au permis să investigheze modul în care membrana celulară își schimbă forma într-un mod imposibil de realizat în celulele vii, unde complexitatea proceselor biologice adesea maschează mecanismele fizice subiacente. Acest sistem reprezintă un avans tehnologic important, oferind o modalitate minimă și controlabilă cantitativ de a studia morfogeneza celulară.
Descoperirea
În timpul migrației celulare, structurile din fața unei celule aleg calea de migrare, iar cele din spate împing celula înainte. Folosind acest nou sistem, cercetătorii au descoperit că, atunci când celulele artificiale erau manipulate fizic într-un mod specific, ele dezvoltau constant o singură bulă de membrană, demonstrând că polaritatea între fața din față și cea din spate a unei celule poate apărea spontan prin proprietățile mecanice ale citoscheletului de actină. Aceasta înseamnă că una dintre caracteristicile definitorii ale celulelor vii poate să apară din interacțiuni fizice simple, fără a necesita semnalizare biochimică sau asimetrie preexistentă.
„Prin reconstruirea morfogenezei membranei din proteine purificate, am arătat că interacțiunile locale din cadrul citoscheletului de actină sunt suficiente pentru a genera modificări de formă la scară largă în celule,” a declarat Miyazaki.
Ce altceva poate fi folosit acest sistem de celule artificiale?
Celulele artificiale ar putea fi utilizate ca modele simplificate pentru descoperirea altor principii fundamentale ale vieții, oferind totodată o bază pentru tehnologii viitoare. Cu progrese suplimentare, aceste celule ar putea deveni sisteme microscopice programabile capabile să perceapă mediul înconjurător, să livreze molecule terapeutice către țesuturi bolnave, să fabrice compuși utili sau chiar să repare țesuturi deteriorate.
Pe viitor
„Scopul nostru a fost să înțelegem cum comportamentul complex remarcabil al celulelor vii poate să apară din interacțiuni fizice simple,” afirmă Miyazaki. „Prin identificarea regulilor fizice care guvernează forma celulei, studiul de față pune bazele importante pentru numeroase aplicații viitoare.”
Miyazaki și echipa sa se concentrează acum pe reconstrucția unor comportamente celulare din ce în ce mai sofisticate, aducând celulele artificiale mai aproape de aplicații practice în medicină, biotehnologie și biologie sintetică.
