Στο πλέγμα της ζωντανής και της μη ζωντανής ύλης, η βελτίωση της αυθόρμητης κατασκευής από κάτω προς τα πάνω τεχνητών κυψελών με υψηλή οργανωτική πολυπλοκότητα και διαφοροποιημένες λειτουργίες εξακολουθεί να αποτελεί πρόβλημα. Για να αντιμετωπίσουν αυτή την πρόκληση, επιστήμονες με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ δημιούργησαν συνθετικά κύτταρα, γνωστά ως πρωτοκύτταρα, χρησιμοποιώντας παχύρρευστα μικροσταγονίδια γεμάτα με ζωντανά βακτήρια ως μικροσκοπικό εργοτάξιο.
Για την κατασκευή αυτών των προηγμένων συνθετικών κυττάρων, τα οποία μιμούνται την πραγματική λειτουργικότητα, οι επιστήμονες έχουν εκμεταλλευτεί τις δυνατότητες των βακτηρίων. Εξέθεσαν τα άδεια σταγονίδια σε δύο τύπους βακτηρίων: Ο ένας πληθυσμός αιχμαλωτίστηκε αυθόρμητα μέσα στα σταγονίδια ενώ ο άλλος παγιδεύτηκε στην επιφάνεια των σταγονιδίων.
Στη συνέχεια κατέστρεψαν και τους δύο τύπους βακτηρίων. Προκαλεί την απελευθέρωση κυτταρικών συστατικών που παραμένουν παγιδευμένα μέσα ή στην επιφάνεια των σταγονιδίων για την παραγωγή βακτηριογόνων πρωτοκυττάρων επικαλυμμένων με μεμβράνη που περιέχουν χιλιάδες βιολογικά μόρια, εξαρτήματα και μηχανήματα.
Το γεγονός ότι τα πρωτοκύτταρα μπορούσαν να δημιουργήσουν RNA και πρωτεΐνες από in vitro γονιδιακή έκφραση και πλούσια σε ενέργεια μόρια (ATP) μέσω γλυκόλυσης υποδηλώνουν ότι τα κληρονομικά βακτηριακά συστατικά παρέμειναν στα συνθετικά κύτταρα.
Για να δοκιμάσουν την ικανότητα αυτής της τεχνικής, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια σειρά χημικών βημάτων για να αναδιαμορφώσουν τα βακτηριογόνα πρωτοκύτταρα δομικά και μορφολογικά. Το εσωτερικό του σταγονιδίου ήταν γεμάτο με ένα δίκτυο πρωτεϊνικών νημάτων που μοιάζει με κυτταροσκελετό και κενοτόπια νερού συνδεδεμένα με τη μεμβράνη. Το απελευθερωμένο βακτήριο DNA συμπιέστηκε σε μια ενιαία δομή που έμοιαζε με πυρήνα.
Στη συνέχεια, οι επιστήμονες εμφύτευσαν ζωντανά βακτήρια στα πρωτοκύτταρα για να δημιουργήσουν αυτοσυντηρούμενη παραγωγή ATP και μακροπρόθεσμη ενεργοποίηση για γλυκόλυση, έκφραση γονιδίων και κυτταροσκελετική συναρμολόγηση. Περιέργως, τα πρωτοζωικά κατασκευάσματα ανέπτυξαν μια εξωτερική εμφάνιση που μοιάζει με αμοιβάδα λόγω της τοπικής βακτηριακής ανάπτυξης και μεταβολισμού, δημιουργώντας ένα κυτταρικό βιονικό σύστημα με ενσωματωμένα ρεαλιστικά χαρακτηριστικά.
Ο αντίστοιχος συγγραφέας καθηγητής Stephen Mann είπε: «Η επίτευξη υψηλής οργανωτικής και λειτουργικής πολυπλοκότητας σε συνθετικά κύτταρα είναι δύσκολη, ειδικά σε συνθήκες σχεδόν ισορροπίας. Ας ελπίσουμε ότι η τρέχουσα βακτηριογονική προσέγγισή μας θα βοηθήσει στην αύξηση της πολυπλοκότητας των τρεχόντων μοντέλων πρωτοκυττάρων, θα διευκολύνει την ενσωμάτωση μυριάδων βιολογικών συστατικών και θα επιτρέψει την ανάπτυξη ενεργοποιημένων κυτταρομιμητικών συστημάτων».
Ο πρώτος συγγραφέας Δρ. Can Xu, Ερευνητικός Συνεργάτης στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ, προστιθέμενη: «Η προσέγγισή μας για τη συναρμολόγηση ζωντανού υλικού παρέχει μια ευκαιρία για την κατασκευή συμβιωτικών ζωντανών/συνθετικών κυτταρικών κατασκευών από κάτω προς τα πάνω. Για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας μηχανικά βακτήρια, θα πρέπει να είναι δυνατή η κατασκευή πολύπλοκων ενοτήτων για ανάπτυξη σε διαγνωστικούς και θεραπευτικούς τομείς της συνθετικής βιολογίας, της βιοκατασκευής και της βιοτεχνολογίας γενικά.»
Αναφορά στο περιοδικό:
- Xu, C., Martin, Ν., Li, Μ. et αϊ. Συναρμολόγηση ζωντανού υλικού βακτηριογόνων πρωτοκυττάρων. Φύση (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-05223-w
