Naukowcy pracują nad stworzeniem sztucznych komórek
Naukowcy opracowali sztuczne struktury podobne do komórek, wykorzystujące materię nieorganiczną, która autonomicznie wchłania, przetwarza i wydala różnego rodzaju cząstki, odtwarzając podstawową funkcję żywych komórek.
W opublikowanym 8 września 2021 roku artykule w prestiżowym piśmie „Nature” badacze opisują projekt, którego celem jest tworzenie sztucznych komórek, wskazują również ich potencjalne zastosowania.
Podstawową funkcją żywych komórek jest ich zdolność pozyskiwania energii ze środowiska w celu pompowania cząsteczek do i z ich systemów. Kiedy energia jest wykorzystywana do przenoszenia cząsteczek z obszarów o niższym stężeniu do obszarów o wyższym stężeniu, proces ten nazywa się transportem aktywnym. Aktywny transport umożliwia komórkom przyjmowanie niezbędnych cząsteczek, takich jak glukoza lub aminokwasy, magazynowanie energii i ekstrahowanie odpadów.
Przez dziesięciolecia naukowcy pracowali nad stworzeniem sztucznych komórek – syntetycznych mikroskopijnych struktur, które naśladują cechy i zachowanie komórek biologicznych. Imitacje komórek zwykle nie mają zdolności do wykonywania złożonych procesów komórkowych, takich jak aktywny transport.
W artykule naukowcy z New York University i University of Chicago opisują nową, w pełni syntetyczną imitację komórki, która jest o krok bliżej do odtworzenia funkcji żywych komórek. Po rozmieszczeniu w mieszaninach różnych cząstek, syntetyczne komórki mogą wykonywać zadania aktywnego transportu poprzez autonomiczne przechwytywanie, koncentrację, przechowywanie i dostarczanie mikroskopijnych ładunków. Te sztuczne komórki są wytwarzane przy minimalnym użyciu składników, ale, co istotne, bez materiałów pochodzenia biologicznego.
Aby zaprojektować sztuczne komórki, naukowcy stworzyli sferyczną membranę wielkości czerwonej krwinki. Użyli do tego celu polimer zastępujący błonę komórkową, która odpowiedzialna jest za przepuszczanie elementów do wewnątrz i na zewnątrz komórki. Przebili mikroskopijny otwór w kulistej membranie, tworząc nanokanał, przez który można wymieniać materię, imitując w ten sposób kanał białkowy komórki.
W celu wykonania zadań wymaganych do aktywnego transportu, imitacje komórek potrzebują mechanizmu do zasilania struktury podobnej do komórki, aby pobierać i usuwać materiał. W żywej komórce mitochondria i ATP dostarczają energii niezbędnej do aktywnego transportu. W sztucznych komórkach naukowcy dodali chemicznie reaktywny składnik wewnątrz nanokanału, który po aktywacji światłem działa jak pompa. Kiedy światło pada na pompę, wyzwala reakcję chemiczną, zamieniając pompę w maleńką próżnię i wciągając ładunek do membrany. Gdy pompa jest wyłączona, ładunek jest uwięziony i przetwarzany wewnątrz sztucznej komórki. Gdy reakcja chemiczna ulega odwróceniu, ładunek jest wypychany na zewnątrz.
– Taka koncepcja umożliwia sztucznym naśladowcom komórek działać autonomicznie i wykonywać zadania aktywnego transportu, które do tej pory były zarezerwowane dla żywych komórek – mówi Stefano Sacanna, profesor chemii na NYU i główny autor badań. – Istotą projektu struktury przypominającej komórkę jest synergia między aktywnym elementem, który zasila ją od wewnątrz, a fizycznymi ograniczeniami narzucanymi przez ściany komórkowe, umożliwiając im wchłanianie, przetwarzanie i wydalanie ciał obcych”.
Naukowcy przetestowali naśladownictwo komórki w różnych środowiskach. W jednym z eksperymentów testowali działanie sztucznych komórek w wodzie, aktywowali je światłem i obserwowali, jak „połykają” cząsteczki lub zanieczyszczenia z otaczającej je wody, co wskazuje na potencjalne ich zastosowanie do oczyszczania wody z mikroskopijnych zanieczyszczeń.
W innym eksperymencie wykazali, że syntetyczne komórki mogą połknąć bakterie E. coli i uwięzić je w błonie, potencjalnie stwarzając nową metodę zwalczania bakterii w organizmie. Innym przyszłym zastosowaniem naśladowania komórek może być dostarczanie leków, ponieważ mogą one uwalniać wstępnie załadowaną substancję po aktywacji. Naukowcy kontynuują opracowywanie i badanie sztucznych komórek, w tym tworzenie takich, które wykonują różne zadania, a do tego uczą się oraz komunikują ze sobą.
Opracowano na podstawie:
Scientists Create Artificial Cells That Mimic Living Cells’ Ability to Capture, Process, and Expel Material
Transmembrane transport in inorganic colloidal cell-mimics
