Τα συνθετικά κύτταρα, κατασκευασμένα για να μιμούνται ορισμένες από τις λειτουργίες που εκτελούνται από τα ζωντανά κύτταρα, υπόσχονται εφαρμογές στη βιοτεχνολογία και την ιατρική. Ακόμη και τα μικρότερα βιολογικά κύτταρα, ωστόσο, είναι εξαιρετικά πολύπλοκα και η κατασκευή ζωντανών τεχνητών κυττάρων αντιμετωπίζει πολλά εμπόδια. Ερευνητές στο Εργαστήριο Schulman στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins έχουν σημειώσει πρόσφατα πρόοδο προς μια από αυτές τις προκλήσεις: την ανταλλαγή ύλης και πληροφοριών πέρα από τα όρια των κυττάρων.
Γράφοντας Προκαταβολές Επιστήμη, οι ερευνητές – σε συνεργασία με την Ομάδα Aksimentiev στο Πανεπιστήμιο του Illinois Urbana-Champaign - επιδεικνύουν τη μεταφορά μικρών μορίων χωρίς διαρροές μέσω μηχανικών νανοκαναλιών DNA σε άνευ προηγουμένου αποστάσεις. Στο μέλλον, η δουλειά τους μπορεί να βοηθήσει στην κατασκευή τεχνητών κυττάρων και επίσης να βοηθήσει στη μελέτη και τον χειρισμό ζωντανών ιστών.
Τα κύτταρα μέσα στους πολυκύτταρους οργανισμούς πρέπει να ανταλλάσσουν ύλη και να επικοινωνούν για να εξασφαλίσουν τη συλλογική τους επιβίωση. Δεδομένου ότι κάθε κύτταρο περιβάλλεται από μια λιπιδική μεμβράνη που είναι αδιαπέραστη σε πολλά βιολογικά μόρια, η εξέλιξη έχει δημιουργήσει μηχανισμούς με τους οποίους μπορεί να διασχιστεί αυτό το φράγμα. Οι υποδοχείς σηματοδότησης, οι μεταφορείς και οι πόροι αναμεταδίδουν πληροφορίες και επιτρέπουν τη διέλευση μορίων μεταξύ των κυττάρων και του εξωτερικού τους, ενώ οι κυτταρικές επαφές, όπως οι ενώσεις κενού, συνδέουν απευθείας το εσωτερικό γειτονικών κυττάρων και επιτρέπουν τη διάχυση μικρών μορίων από κύτταρο σε κύτταρο.
Για να μιμηθούν αυτές τις διεργασίες σε τεχνητά συστήματα, «οι ερευνητές ανέπτυξαν συνθετικά κύτταρα τοποθετημένα το ένα δίπλα στο άλλο που μπορούν να επικοινωνούν μέσω πρωτεϊνικών πόρων στις μεμβράνες τους», εξηγεί ο πρώτος συγγραφέας Yi Li, ο οποίος ήταν συνεπικεφαλής της μελέτης. «Ωστόσο, η ανάπτυξη συστημάτων συνθετικών κυττάρων όπου τα κύτταρα μπορούν να επικοινωνούν και να ανταλλάσσουν υλικά σε μεγαλύτερες αποστάσεις εξακολουθεί να αποτελεί πρόκληση».
Οι πρωτεϊνικές δομές που διευκολύνουν την επικοινωνία από κύτταρο σε κύτταρο στη βιολογία είναι κατασκευασμένες «από κάτω προς τα πάνω» από αμινοξέα – οι πληροφορίες που κωδικοποιούνται στην αλληλουχία τους μεταφράζονται σε δομή. Ένα άλλο βιολογικό μακρομόριο, το DNA, χρησιμοποιείται κυρίως για την αποθήκευση πληροφοριών στα κύτταρα. αλλά λόγω της ευκολίας σύνθεσης και της δυνατότητας σχηματισμού δομών υψηλού επιπέδου, το πεδίο της νανοτεχνολογίας DNA έχει ξεπεράσει κατά πολύ την πρώτη του απόδειξη της ιδέας πριν από περίπου 30 χρόνια. Έκτοτε, οι επιστήμονες έχουν συναρμολογήσει όλο και πιο εξελιγμένες δομές 2D και 3D από DNA, συμπεριλαμβανομένων δικτυωμάτων, σωλήνων, γεωμετρικών σωμάτων και ακόμη και καλλιτεχνικών αποδόσεων χαμογελαστών, σε προσπάθειες που αναφέρονται ως origami DNA.
Στη μελέτη τους, οι ερευνητές του Schulman Lab συνδύασαν νανοπόρους DNA origami, οι οποίοι γεφυρώνουν τις μεμβράνες κυστιδίων που μοιάζουν με κύτταρα και δημιουργούν μικρά ανοίγματα για τη διασταύρωση των μορίων, με κατασκευασμένους αυτοσυναρμολογούμενους νανοσωλήνες DNA. Με την ποσοτικοποίηση της ροής ενός μορίου βαφής στα κυστίδια, έδειξαν ότι οι μικροί νανοπόροι έκαναν τη μεμβράνη διαπερατή στη βαφή. Επικύρωσαν επίσης ότι η ταχύτητα αυτής της μεταφοράς είναι σύμφωνη με τη διάχυση και διαπίστωσαν ότι ένα ειδικά σχεδιασμένο κάλυμμα DNA μπορεί να φράξει τους πόρους και να σταματήσει την είσοδο της χρωστικής ουσίας.
Στη συνέχεια, η ομάδα επέκτεινε αυτή την εργασία σε νανοσωλήνες DNA με διάμεσο μήκος 700 nm και μέγιστο πάνω από 2 μm. Και πάλι, τα πειράματα έδειξαν ότι η εισροή χρωστικών ενισχύεται παρουσία των κατασκευών DNA και ότι το καπάκι μπορεί να σταματήσει τη διείσδυση. Το συμπέρασμα, λέει ο Li, είναι ότι «μικρά μόρια μπορούν να περάσουν μέσα από τους σωλήνες χωρίς διαρροές και αναμένουμε ότι μεγάλα μόρια, όπως οι πρωτεΐνες, μπορούν επίσης να μεταφερθούν μέσω αυτών των νανοσωλήνων».
Μέλη της Ομάδας Aksimentiev διεξήγαγαν δυναμικές προσομοιώσεις υπολογιστών Brownian του συστήματος νανοπόρου-χρωστικής. Αυτά έδειξαν ότι για μόρια κάτω από ένα μέγεθος κατωφλίου, η διαρροή μέσω του πλευρικού τοιχώματος του σωλήνα DNA κυριαρχούσε στην εισροή, ενώ για μεγαλύτερα μόρια, η διάχυση από άκρο σε άκρο γίνεται ο προτιμώμενος μηχανισμός.
Ο Li εξηγεί ότι τέτοιες προσομοιώσεις είναι συμπληρωματικές με τα πειράματα με δύο τρόπους. «Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εργαλεία σχεδιασμού για να βοηθήσουν τους ερευνητές να σχεδιάσουν δομές νανοκλίμακας που έχουν συγκεκριμένες λειτουργίες», λέει, για παράδειγμα, «προσομοιώνοντας την κινητική αυτοσυναρμολόγησης των νανοδομών του DNA μας», αλλά βοηθούν επίσης στην «επικύρωση πειραματικών αποτελεσμάτων και στην παροχή πρόσθετες γνώσεις για τις φυσικές διαδικασίες».
Φτιάξτο μόνος σου σχέδιο DNA
Η Rebecca Schulman –η οποία συνηγήθηκε της έρευνας– κάνει μια αναλογία με τους σωλήνες. «Αυτή η μελέτη υποδηλώνει πολύ έντονα ότι είναι εφικτό να κατασκευαστούν νανοσωλήνες που δεν διαρρέουν χρησιμοποιώντας αυτές τις εύκολες τεχνικές αυτοσυναρμολόγησης, όπου αναμιγνύουμε μόρια σε ένα διάλυμα και απλώς τα αφήνουμε να σχηματίσουν τη δομή που θέλουμε. Στην περίπτωσή μας, μπορούμε επίσης να συνδέσουμε αυτούς τους σωλήνες σε διαφορετικά τελικά σημεία για να σχηματίσουν κάτι σαν υδραυλική εγκατάσταση.»
Το εργαστήριο έχει φιλόδοξα σχέδια για την εφαρμογή αυτών των νανοσωλήνων. «Οι μελλοντικές εξελίξεις περιλαμβάνουν τη σύνδεση δύο ή περισσότερων τεχνητών κυττάρων με τους νανοσωλήνες DNA μας και την εμφάνιση μοριακής μεταφοράς μεταξύ τους. Μπορούμε ενδεχομένως να δείξουμε [ότι] η μεταφορά μορίων σηματοδότησης από ένα κύτταρο μπορεί να ενεργοποιήσει/απενεργοποιήσει τη γονιδιακή έκφραση σε ένα άλλο κύτταρο», λέει ο Li. Κόσμος Φυσικής. Η ομάδα ελπίζει επίσης να «χρησιμοποιήσει νανοσωλήνες για να ελέγξει την παράδοση σηματοδοτικών μορίων ή θεραπευτικών ουσιών σε κύτταρα θηλαστικών, είτε για να μελετήσει συμπεριφορές σηματοδότησης κυττάρων είτε για να αναπτύξει μια στρατηγική χορήγησης φαρμάκων».
