الخلايا الاصطناعية، المصممة لتقليد بعض الوظائف التي تؤديها الخلايا الحية، تبشر بالخير للتطبيقات في مجال التكنولوجيا الحيوية والطب. ومع ذلك، فحتى أصغر الخلايا البيولوجية تكون معقدة للغاية، ويواجه بناء الخلايا الاصطناعية الحية العديد من العوائق. الباحثون في مختبر شولمان في جامعة جونز هوبكنز مؤخرًا أحرزوا تقدمًا نحو أحد هذه التحديات: تبادل المادة والمعلومات عبر حدود الخلايا.
الكتابة في علم السلفالباحثون - يعملون بالتعاون مع مجموعة اكسيمنتييف في جامعة إلينوي أوربانا شامبين - يوضح النقل الخالي من التسرب للجزيئات الصغيرة من خلال قنوات الحمض النووي النانوية الهندسية عبر مسافات غير مسبوقة. وفي المستقبل، قد يساعد عملهم في بناء الخلايا الاصطناعية، ويساعد أيضًا في دراسة الأنسجة الحية ومعالجتها.
تحتاج الخلايا الموجودة في الكائنات متعددة الخلايا إلى تبادل المادة والتواصل لضمان بقائها الجماعي. وبما أن كل خلية محاطة بغشاء دهني لا يمكن اختراقه من قبل العديد من الجزيئات البيولوجية، فقد أنتج التطور آليات يمكن من خلالها عبور هذا الحاجز. تقوم مستقبلات الإشارة والناقلات والمسام بنقل المعلومات وتسمح بمرور الجزيئات بين الخلايا وخارجها، في حين أن نقاط الاتصال الخلوية مثل الوصلات الفجوية تربط مباشرة الجزء الداخلي من الخلايا المجاورة وتسمح بانتشار الجزيئات الصغيرة من خلية إلى أخرى.
ولمحاكاة هذه العمليات في الأنظمة الاصطناعية، "طور الباحثون خلايا اصطناعية متوضعة بجانب بعضها البعض يمكنها التواصل من خلال المسام البروتينية الموجودة على أغشيتها"، كما يوضح المؤلف الأول يي لي، الذي شارك في قيادة الدراسة. "ومع ذلك، فإن تطوير أنظمة الخلايا الاصطناعية حيث يمكن للخلايا التواصل وتبادل المواد عبر مسافات أطول لا يزال يمثل تحديًا."
يتم بناء هياكل البروتين التي تسهل الاتصال من خلية إلى أخرى في علم الأحياء "من الأسفل إلى الأعلى" من الأحماض الأمينية - وتُترجم المعلومات المشفرة في تسلسلها إلى بنية. جزيء بيولوجي آخر، DNA، يستخدم بشكل رئيسي لتخزين المعلومات في الخلايا. ولكن نظرًا لسهولة تركيبه وقدرته على تشكيل هياكل عالية المستوى، فقد ذهب مجال تكنولوجيا النانو للحمض النووي إلى ما هو أبعد من أول إثبات للمفهوم منذ حوالي 30 عامًا. ومنذ ذلك الحين، قام العلماء بتجميع هياكل ثنائية وثلاثية الأبعاد أكثر تعقيدًا من الحمض النووي، بما في ذلك الشبكات والأنابيب والأجسام الهندسية وحتى العروض الفنية للوجوه المبتسمة، في جهود يشار إليها باسم أوريغامي الحمض النووي.
في دراستهم، قام الباحثون في مختبر شولمان بدمج المسام النانوية للحمض النووي، التي تربط أغشية الحويصلات الشبيهة بالخلية وتخلق فتحات صغيرة لعبور الجزيئات، مع أنابيب نانوية من الحمض النووي ذاتية التجميع هندسيًا. ومن خلال قياس تدفق جزيء الصبغة إلى الحويصلات، أظهروا أن المسام النانوية القصيرة تجعل الغشاء نافذًا للصبغة. كما أكدوا أيضًا أن سرعة هذا النقل تتوافق مع الانتشار، ووجدوا أن غطاء الحمض النووي المصمم خصيصًا يمكن أن يسد المسام ويمنع دخول الصبغة.
ثم قام الفريق بتوسيع هذا العمل ليشمل أنابيب الحمض النووي النانوية التي يبلغ متوسط طولها 700 نانومتر، وبحد أقصى يزيد عن 2 ميكرومتر. مرة أخرى، أظهرت التجارب أن تدفق الصبغة يتعزز في وجود تركيبات الحمض النووي، وأن الغطاء يمكنه إيقاف التخلل. ويقول لي إن المعنى الضمني هو أن "الجزيئات الصغيرة يمكن أن تمر عبر الأنابيب دون تسرب، ونتوقع أن الجزيئات الكبيرة، مثل البروتينات، يمكن أيضًا أن تنتقل عبر هذه الأنابيب النانوية".
أجرى أعضاء مجموعة Aksimentiev عمليات محاكاة حاسوبية للديناميكيات البراونية لنظام الصبغة النانوية. أوضحت هذه أنه بالنسبة للجزيئات التي يقل حجمها عن الحد الأدنى، فإن التسرب عبر الجدار الجانبي لأنبوب الحمض النووي يهيمن على التدفق، بينما بالنسبة للجزيئات الأكبر حجمًا، يصبح الانتشار من طرف إلى طرف هو الآلية المفضلة.
يوضح لي أن عمليات المحاكاة هذه مكملة للتجارب بطريقتين. ويقول: "يمكن استخدامها كأدوات تصميم لمساعدة الباحثين على تصميم هياكل نانوية لها وظائف محددة"، على سبيل المثال من خلال "محاكاة حركية التجميع الذاتي لهياكل الحمض النووي النانوية لدينا"، ولكنها تساعد أيضًا في "التحقق من صحة النتائج التجريبية وتقديمها". رؤى إضافية في العمليات الفيزيائية ".
افعل ذلك بنفسك تصميم الحمض النووي
ريبيكا شولمان - التي شاركت في قيادة البحث - تشبيه بالأنابيب. "تشير هذه الدراسة بقوة إلى أنه من الممكن بناء أنابيب نانوية لا تتسرب باستخدام هذه التقنيات السهلة للتجميع الذاتي، حيث نقوم بخلط الجزيئات في محلول ونتركها تشكل البنية التي نريدها. وفي حالتنا، يمكننا أيضًا ربط هذه الأنابيب بنقاط نهاية مختلفة لتشكيل شيء مثل السباكة.
لدى المختبر خطط طموحة لتطبيق هذه الأنابيب النانوية. "تشمل التطورات المستقبلية ربط خليتين اصطناعيتين أو أكثر بأنابيب الحمض النووي النانوية وإظهار النقل الجزيئي فيما بينها. "يمكننا أن نظهر أن نقل جزيئات الإشارة من خلية واحدة يمكن أن ينشط/يعطل التعبير الجيني في خلية أخرى،" كما يقول لي. عالم الفيزياء. ويأمل الفريق أيضًا في "استخدام الأنابيب النانوية للتحكم في توصيل جزيئات الإشارة أو العلاجات إلى خلايا الثدييات، إما لدراسة سلوكيات إشارات الخلية أو لتطوير استراتيجية توصيل الدواء".
